Transfer of drugs into milk and the clearance of drugs in neonates are critical determinants of the exposure of infants to drugs in breast milk. Models predicting both parameters have been proposed. The objective of this dissertation is to test two models predicting milk to serum ratio and an ontogeny clearance model predicting clearance in the neonate. Predicted milk to serum ratio (M/S) values were generated according to the Atkinson and Begg model. The model did not adequately predict M/S when comparing the predicted values to observed values in the literature. The Fleishaker model was also tested. The model was able to predict whether the drugs appeared in milk by passive diffusion only or whether active transport processes were involved. This model, together with appropriate animal models, is useful in understanding the mechanism of drug transfer into milk. An ontogeny model that predicts clearance was proposed earlier by our laboratory. In order to test the model prediction and assumptions of constant microsomal protein and constant Km for an enzyme-substrate system with age, the male rat was used as an animal model. The ontogeny of Cyp3a1, Cyp3a2, Mdr1a and Mdr1b mRNA was examined in the male rat liver and intestine. The ontogeny pattern of Cyp3a2 mRNA, protein and in vitro Cyp3a activity were found to be similar in male rat liver. The microsomal protein content was found to vary with age in the liver. Km was found to be constant with age for the midazolam 4-hydroxylation by male rat liver microsomes. Scaling factors that extrapolate adult clearance to infant clearance were calculated from in vitro data. The model did not predict the in vivo oral clearance of midazolam for day 7 and 21 age groups from the 112 day age group (adult). The assumption that intestinal availability in the rat pups and adults was equal to unity might not be true resulting in overprediction of rat pup clearance when compared to the adult. Intestinal first pass effect for midazolam in adult rats might be significant. More experiments are needed to further test the model adequacy in clearance prediction.

Group I introns are catalytic RNAs with the ability to splice out of RNA transcripts, often without the aid of proteins. These self-splicing introns have been reengineered to create ribozymes with the ability to catalyze reactions. One such ribozyme, derived from a Pneumocystis carinii group I intron, has been engineered to sequence specifically remove a targeted segment from within an RNA substrate, which is called the trans excision-splicing reaction.The two catalytic steps of the trans excision-splicing reaction occur at positions on the substrate known as the 5' and 3' splice sites. Strict sequence requirements at these sites could potentially limit the target choices for the trans excision-splicing ribozyme, so the sixteen possible base pair combinations at the 5' splice site and the four possible nucleotides at the 3' splice site were tested for reactivity. All base pair combinations at the 5' splice site allow the first reaction step (5' hydrolysis) to occur and several combinations allow the second step to occur, resulting in trans excision-splicing product formation. Moreover, we found that non-Watson-Crick base pairs are important for 5' splice site recognition and prevent product degradation via hydrolysis at other sequence positions. The sequence requirement at the 3' splice site is absolute, as guanosine alone produced complete product.To date, the experiments with the trans excision-splicing ribozyme have been conducted in vitro. The further development of this ribozyme as a biochemical tool and as a potential therapeutic agent requires in vivo reactivity. Thus, a prokaryotic system was designed and tested to assess the catalytic potential of the trans excision-splicing ribozyme. We show that the ribozyme successfully excised a single, targeted nucleotide from a mutated green fluorescent protein transcript in Escherichia coli. On average, 12% correction was observed as measured by fluorescence and approximately 1.2% correction was confirmed through sequence analysis of isolated transcripts.We have used these studies to further characterize trans excision-splicing ribozymes in vitro and to pave the way for future development of this ribozymereaction in vivo. These results increase our understanding of this ribozyme and advance this reaction as a biochemical tool with potential therapeutic applications.

An overarching goal of the Gerhardt laboratory is the development of an implantable neural device that allows for long-term glutamate recordings in the hippocampus. Proper L-glutamate regulation is essential for hippocampal function, while glutamate dysregulation is implicated in many neurodegenerative diseases. Direct evidence for subregional glutamate regulation is lacking in previous in vivo studies because of limitations in the spatio-temporal resolution of conventional experimental techniques. We used novel enzyme-coated microelectrode arrays (MEAs) for rapid measurements (2Hz) of extracellular glutamate in urethane-anesthetized rats. Potassium-evoked glutamate release was highest in the cornu ammonis 1 (CA1) subregion and lowest in the cornu ammonis 3 (CA3). In the dentate gyrus (DG), evoked-glutamate release was diminished at a higher potassium concentration but demonstrated faster release kinetics. These studies are the first to show subregion specific regulation of glutamate release in the hippocampus. To allow for in vivo glutamate measurements in awake rats, we have adapted our MEAs for chronic use. Resting glutamate measurements were obtained up to six days post-implantation but recordings were unreliable at later time points. To determine the cause(s) for recording failure, a detailed investigation of MEA surface characteristics was conducted. Scanning electron microscopy and atomic force microscopy showed that PT sites have unique surface chemistry, a microwell geometry and nanometer-sized features, all of which appear to be favorable for high sensitivity recordings. Accordingly, studies were initiated to improve enzyme coatings using a computer-controlled microprinting system (Microfab Technologies, Plano, TX). Preliminary testing showed that microprinting allowed greater control over the coating process and produced MEAs that met our performance criteria. Our final studies investigated the effects of chronic MEA implantation. Immunohistochemical analysis showed that the MEA produced minimal damage in the hippocampus at all time points from 1 day to 6 months. Additionally, tissue attachment to the MEA surface was minimal. Taken together with previous electrophysiology data supporting that MEAs are functional up to six months, these studies established that our chronic MEAs technology is capable of maintaining a brain-device interface that is both functional and biocompatible for extended periods of time.

Face à l'émergence de la technologie laser sur les champs de bataille, la protection du combattant face à de potentielles agressions thermiques doit être assurée. Le contexte de cette étude, supportée par le ministère de la Défense, concerne principalement les interactions laser-peau (nue) et plus particulièrement la lésion qui peut en résulter : la brûlure. Afin d'observer les effets d'une telle agression sur ce matériau biologique, un modèle animal (le porc, dont la peau est très similaire à celle de l'Homme) est étudié selon trois longueurs d'onde. Se basant sur des études antérieures réalisées dans notre laboratoire ainsi que sur des recherches bibliographiques et considérant les résultats obtenus in-vivo, un modèle mathématique simulant les transferts de chaleur dans la peau soumise à des rayonnements lasers infrarouges est développé. Sa validation, à l'aide des expérimentations, permet de prédire les lésions que pourraient engendrer divers types d'agressions lasers sur le bras, le visage et sur la paume de la main. En complément, une étude est menée afin d'identifier un des paramètres clés de la modélisation : la diffusivité thermique d'un matériau biologique. Pour ce faire, considérant le cadre des méthodes périodiques, une analyse de sensibilité est effectuée pour désigner les paramètres dont les incertitudes influencent particulièrement les résultats et pour concevoir de manière optimale un banc expérimental dédié à l'identification. Enfin, les comparaisons, entre les résultats obtenus expérimentalement (avec les différents lasers) et ceux simulés, sont discutées et les perspectives de ces recherches sont présentées.

La mesure de flux métaboliques cérébraux, en particulier de ceux participant au métabolisme énergétique, présente un intérêt majeur autant d'un point de vue fondamental, pour la compréhension des réactions biochimiques et de leur couplage, que d'un point de vue clinique, pour la mise à jour de biomarqueurs d'évolution des pathologies neurodégénératives et la détermination des mécanismes déficients sous jacents. Ainsi, au cours des dernières décennies, des techniques de neuroimagerie atraumatiques et non invasives permettant la mesure de flux métaboliques cérébraux, parmi lesquelles la tomographie par émission de positrons (TEP) et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRM), ont connu un développement considérable. Plus particulièrement, la SRM du 31P présente la caractéristique et l'avantage de permettre la mesure directe du flux cérébral de synthèse d'ATP, et ce sans injection de précurseur marqué. Cependant, cette approche apparaît encore à ce jour un défi méthodologique et des études de validation complémentaires restent nécessaires afin de démontrer la pertinence de la SRM du 31P pour la mesure de la synthèse énergétique cérébrale. Dans ce contexte, une étude de neuroimagerie multimodale, basée sur l'utilisation de nouvelles techniques de neuroimagerie, a été menée afin de permettre, dans un même temps, d'obtenir une vision intégrée du métabolisme énergétique cérébral et de valider la méthode de transfert de saturation par SRM du 31P comme une méthode de mesure robuste et quantitative de la synthèse d'ATP cérébrale. Plus précisement, la consommation régionale de glucose CMRglc, la vitesse du cycle de Krebs (VTCA) et la vitesse de synthèse d'ATP (VATP) ont été mesurées dans le cerveau de primate sain respectivement par PET 18F-FDG, SRM du 13C et transfert de saturation par SRM du 31P. Ces trois mesures complémentaires, réalisées dans une zone cérébrale définie chez les mêmes animaux en conditions physiologiques identiques, ont conduit aux résultats suivants : CMRglc= 0.27 ± 0.07 μmol/g/min, VTCA = 0.63 ± 0.12 μmol/g/min et VATP = 7.8 ± 2.3 μmol/g/min. La cohérence de ces trois flux avec les valeurs rapportées dans la littérature, mais surtout leur cohérence l'un par rapport à l'autre, a permis de valider la méthode de transfert de saturation par SMR du 31P pour la mesure directe de la synthèse d'ATP cérébrale. Cette étape de validation ayant été conduite, l'intérêt de la technique de transfert de saturation a, dans un deuxième temps, été évalué en clinique sur une population de patients atteints de la maladie de Huntington (MH). Une attitude exploratoire a été adoptée, dans laquelle les concentrations en métabolites phosphorylés, le pH cérébral et la vitesse de synthèse d'ATP ont été évalués. Cette étude a permis en premier lieu de mettre en évidence un maintien de l'homéostasie métabolique chez les patients Huntington (HD), en particulier en ATP, Pi et PCr, et ce malgré une atrophie cérébrale importante. Une diminution de la vitesse de synthèse d'ATP cérébrale a également été observée chez ces patients. Cependant, au vu de la faible sensibilité de la méthode de transfert de saturation par SRM du 31P, la significativité de cette diminution n'a pu être établie. Enfin, une augmentation significative du pH cérébral a été mesurée chez les patients HD relativement aux contrôles. Cette alcalinisation cérébrale, pour la première fois mesurée dans la MH, présentait de plus une corrélation avec les scores cliniques moteurs évalués chez les patients HD, démontrant l'intérêt potentiel de la mesure de pH cérébral pour le suivi de la pathologie. Au vu de ce résultat, une étude visant à évaluer la précocité des variations de pH associées à laMH a été réalisée sur un modèle rongeur au cours d'une intoxication chronique à l'acide 3-nitropropionique (3NP), neurotoxine mitochondriale. Cette étude a permis de mettre en évidence une augmentation significative du pH cérébral précédant l'apparition de lésions striatales, démontrant la potentialité du pH cérébral comme biomarqueur précoce de la MH. Au niveau biochimique, il a été montré que variations de pH et pourcentages d'inhibition de la succinate déshydrogénase (SDH), cible spécifique du 3NP, présentaient la même évolution temporelle au cours du protocole d'intoxication. Des hypothèses sur les mécanismes biochimiques sous jacents ont alors été proposées afin de tenter d'expliquer les variations de pH cérébral mesurées dans cette étude.

Après trois pandémies majeures responsables de millions de morts, la peste n'a pas encore disparu. Cette maladie est causée par la bactérie Yersinia pestis, dont les mécanismes de virulence sont encore mal compris. Le suivi d'infection de la peste bubonique chez la souris, méthode classique pour étudier le processus infectieux, requiert beaucoup d'animaux et de temps pour obtenir des résultats significatifs. L'imagerie in vivo et en temps réel par bioluminescence permet de suivre la progression du pathogène au cours du processus infectieux en observant les animaux de façon non invasive. Nous avons transformé la souche virulente CO92 avec le plasmide pEm7-luxCDABE et confirmé la production de bioluminescence in vitro et in vivo. Nous avons pu quantifier la charge bactérienne dans plusieurs organes colonisés sans sacrifier l'animal et établir le schéma de progression de la bactérie au cours de la maladie. Après formation d'un foyer infectieux au site d'injection, la colonisation du ganglion lymphatique inguinal drainant ce site a été observée. Nous avons démontré que la bactérie suit un trajet direct du ganglion lymphatique inguinal au ganglion lymphatique axillaire. L'étape suivante est la colonisation des organes filtrant le sang, puis survient la septicémie dans les phases terminales de la mort. Nous avons établi que la forte variabilité dans le processus infectieux était due au temps pendant lequel la bactérie était contenue au site d'injection. À partir du moment où les ganglions lymphatiques sont colonisés, la cinétique de progression est à la fois régulière et rapide ; la septicémie survient dans les deux jours, suivie de près par la mort.

Rapid prototyping tools exist in many fields of science and engineering, but are rare in biology especially not general tools that can handle the diversity and complexity of the many spatial and temporal scales in nature. In this thesis a general use, cell-based, middle-out biology emulation programming framework (outlining a programming paradigm) is presented, that enables biologists to emulate and use virtual biological systems of previously unimaginable complexity and potentially get results accurate enough to be used in research and ultimately, in clinical practice, such as diagnosis or operations. With this technology, virtual organisms can be created that are viable, fit and can be optimised for any task that arises. The tool, realised with a programming framework created for the C++ language is detailed and demonstrated through several examples of increasing complexity, namely several example organisms and a cancer emulation, showing both viable virtual organisms and usable experimental results.

Cardiac transplantation is the treatment of choice for eligible patients with advanced heart failure; however, it is limited by a critical shortage of suitable organs from traditional brain-dead donors. Organs donated following circulatory death (DCD) have been used to successfully expand the pool of organs available for kidney, liver, and lung transplantation; however, concerns regarding the severity of injury sustained by the heart following withdrawal of life sustaining therapy have deterred the clinical transplantation of DCD hearts. Investigations aiming to optimize the resuscitation, preservation, and evaluation of DCD hearts may facilitate the development of an evidence based protocol for DCD heart transplantation that can be translated to the clinical area and expand the donor pool. Therefore, the objectives of this thesis are to develop a clinically relevant large animal model of DCD and gain a greater understanding regarding the physiologic impact of donor extubation on the DCD heart, demonstrate as a ‘proof-of-concept’ that utilizing an approach to donor heart resuscitation, preservation, and evaluation that is tailored to the DCD context can facilitate successful transplantation, and finally to investigate ways to optimize the resuscitation, preservation, and evaluation of DCD hearts for transplantation. The results of this thesis may then be used to inform the development of an evidence-based protocol for DCD heart transplantation that can be translated to the clinical area. The clinical adoption of such a protocol has the potential to expand the donor pool and improve outcomes for patients with end-stage heart failure. / May 2017

L’athérosclérose est une maladie inflammatoire complexe qui résulte dans la formation de plaques d’athérome à risque de rupture. Le concept récent que ce risque soit lié au contenu de la plaque et non à sa taille se traduit par un nouvel impératif dans le domaine de l’imagerie moléculaire et de la thérapie ciblée. Aujourd’hui l’avènement des approches protéomiques et de criblage à haut débit de banques combinatoires permet l’identification à la fois de nouvelles cibles et d’agents bioactifs. Notre objectif consiste à identifier in situ chez des modèles animaux malades, des fragments d’anticorps capables de cibler spécifiquement les plaques vulnérables d’athérome par phage display in vivo. Ces anticorps seront à la base de nouveaux formats moléculaires pour des études de diagnostic et thérapeutique. / Atheroclerosis is a chronic and progressive inflammatory artery disease. These arteries have morphologically raised lesions: the atherosclerotic plaque. The early atherogenesis is characterized by formation of a lipid-rich core constituted by lipid-laden macrophages. These changes can thin the fibrous cap and render the plaque susceptible to rupture and thrombosis, and eventually if the thrombus occludes the vessels to an acute myocardial infarction. So, there still remains a great need to develop novel diagnosis and therapeutic tools to assess these molecular changes. We have applied a novel in vivo selection scheme to select Antibody-ligands that selectively home into atherosclerotic lesions induced in animal models. Such tissue-specific homing ligands may lead to the characterization of new up-regulated lesion-associated markers and open the way to diagnostic and therapeutic strategies based on non-invasive molecular imaging and selective drug delivery for early lesion detection.

This thesis presents deeper insights into bone applicable biomaterials’ design. Poor affinity of BMP-2 towards scaffolds required supra-physiological dose administration. Though molecules containing sulfate could sustain BMP-2 release, side effects occurred due to BMP-2 supra-dose, or these sulfate-containing biomolecules. Improved affinity between BMP-2 and scaffolds was first witnessed by using an acidic carrier (paper I). Hyaluronic acid (HA) hydrazone derived hydrogels having a pH of 4.5-loaded BMP-2 showed sustained release of bioactive BMP-2 in vitro and enhanced bone formation in vivo, while pH 7 HA hydrogels showed Fickian behavior and less bone formation in vivo. Computational evaluation revealed stronger electrostatic interactions between BMP-2, and HA were predominant at pH 4.5, whereas, weaker Van der Waals interactions played a key role at pH 7. During the pre-bone formation phase, endogenous cell responses to pH 4.5 and 7 with or without BMP-2 were investigated. HA hydrogels exhibited extraordinary biocompatibility and recruitment of neutrophils, monocytes, macrophages and stromal cells regardless of hydrogels’ pH and BMP-2 presence.  The different inflammatory responses to HA hydrogels were observed (Appendix). Thiol derivatives can cleave the disulfide bond of BMP-2 to generate inactive monomeric BMP-2. In paper II, thiol-acrylate chemistry-based HA hydrogels (HA-SH) were compared to hydrazone-based HA hydrogels as BMP-2 carriers. Thiol modified HA disrupted BMP-2 integrity and bioactivity. HA-SH hydrogels with BMP-2 exhibited less bioactive BMP-2 release in vitro and induced less bone formation in vivo. Accumulated evidence has shown great osteogenic potential of lithium ions (Li). In paper III, we coordinated Li onto HA-PVA hydrazone hydrogels (Li-gel); Li-gel enhanced 3D cultured hMSCs osteogenic differentiation and induced higher bone formation in CAM defect model. Instead of BMP-2 protein, delivery of BMP-2-coding-plasmid can produce BMP-2 over a long term at a closer physiological level. Yet, efficient gene delivery reagents are needed. In paper IV, two novel gene delivery nanoplexes were developed by post coating DNA-nanoplexes with chondroitin sulfate (CS). To ensure the stability, aldehyde-modified CS (CS-CHO) reacted with free amines of pDNA/PEI complexes. We provided first evidence that CS-CHO coated nanoplexes controlled the release from endosomes, which is essential for higher transfection efficiency.