La cholestase est l'une des manifestations les plus courantes des lésions induitespar des médicaments. Dans 40% des cas elle n’est pas prévisible; une meilleure prédictibilité représente donc un défi majeur. Tout d'abord, nous avons démontré que les cellules hépatiques humaines HepaRG différenciées sont un modèle approprié pour étudier la cholestase induite par les médicaments en comparant la localisation et l’activité des transporteurs d'influx et d'efflux avec les hépatocytes humains primaires. Tous les transporteurs d'efflux et d’influx testés ont été correctement localisés au niveau des membranes canaliculaire (BSEP, MRP2, MDR1 et MDR3) et basolatéral (NTCP, MRP3) et sont fonctionnels. En outre, ces cellules expriment également les enzymes qui métabolisent les acides biliaires (ABs) et ont la capacité de les synthétiser et de les conjuguer avec la taurine, la glycine et le sulfate, à un taux similaire à celui des hépatocytes primaires. Des changements ont été observés sur la répartition des ABs totaux après traitements de cellules HepaRG par un médicament cholestatique, la cyclosporine A (CsA), de manière concentration- dépendante. L'inhibition de l'efflux et de l'influx de taurocholate a été observée après 15 min et 1 h respectivement. Ces premiers effets ont été associés à la dérégulation de la voie des cPKC et l'induction d’un stress du réticulum endoplasmique puis d’un stress oxydant. Nous avons également montré pour la première fois une accumulation intracellulaire d’ABs endogènes avec un médicament cholestatique in vitro. En outre, notre travail apporte des preuves que la motilité des canalicules biliaires (BC) est indispensable à la clairance des ABs. La voie ROCK et le complexe actomyosine sont fortement impliqués. Nous avons fourni la première démonstration que la voie ROCK et les dynamiques des BC sont des cibles majeures des composés cholestatiques. Nos données devraient contribuer à l'élaboration de méthodes de screening pour la prédiction précoce des effets secondaires induits par les médicaments cholestatiques. / Cholestasis is one of the most common manifestations of drug-induced liver injury (DILI). Since up to now it is unpredictable in 40% of all cases its accurate prediction represents a major challenge. First, we validated that differentiated HepaRG human liver cells are a suitable in vitro model to study drug-induced cholestasis, by comparing localization of influx and efflux transporters and their functional activity in these cells and primary human hepatocytes. All tested influx and efflux transporters were correctly localized to canalicular (BSEP, MRP2, MDR1, and MDR3) or basolateral (NTCP, MRP3) membrane domains and were functional. In addition, the HepaRG cell line also exhibits bile acids (BAs) metabolizing enzymes and has the capacity to synthesize BAs and to further amidate these BAs with taurine and glycine as well as sulfate, at a rate similar to that of primary hepatocytes. Concentration- dependent changes were observed in total BAs disposition after treatment of HepaRG cells by the cholestatic drug cyclosporine A (CsA). Inhibition of efflux and uptake of taurocholate was evidenced as early as 15 min and 1 h respectively. These early effects were associated with deregulation of cPKC pathway and induction of endoplasmic reticulum stress that preceded generation of oxidative stress. We also showed for the first time intracellular accumulation of endogenous BAs by a cholestatic drug in vitro. In addition, our work brings evidences that motility of bile canaliculi (BC) is essential for BAs clearance where ROCK pathway and actomyosin complex are highly implicated. We provided the first demonstration that ROCK pathway and BC dynamics are major targets of cholestatic compounds. Our data should help in the development of screening methods for early prediction of drug-induced cholestatic side effects.

Il est estimé aujourd’hui que plus de 350 médicaments peuvent induire des lésions hépatiques entraînant différentes manifestations cliniques telles qu’une hépatite cytolytique, une stéatose voire une cirrhose. Bon nombre de médicaments hépatotoxiques induisent un dysfonctionnement mitochondrial. Cependant, les mécanismes induisant de tels effets délétères ne sont pas tous élucidés, en particulier ceux concernant l’ADN mitochondrial (ADNmt) et son homéostasie, qui ne sont pas souvent explorés. De plus, il existe peu d’informations concernant l’hépatotoxicité médicamenteuse dans un contexte de stéatose induite par l’obésité. Ainsi, l’objectif de ce travail a été tout d’abord de mettre au point un modèle de stéatose dans les cellules de la lignée hépatocytaire humaine HepaRG afin d’étudier ensuite, les effets de neuf médicaments hépatotoxiques et vraisemblablement mitochondriotoxiques – l’amiodarone, l’atorvastatine, la carbamazépine, l’imipramine, la lovastatine, la perhexiline, le ritonavir, la terbinafine et la troglitazone – sur l’homéostasie de l’ADNmt dans un contexte ou non de stéatose. En utilisant des concentrations peu ou non cytotoxiques, nous avons trouvé que parmi les neuf médicaments étudiés, le ritonavir et l’imipramine ont induit des effets mitochondriaux suggérant une altération de la traduction mitochondriale. De façon notable, la toxicité du ritonavir était plus importante dans les cellules non-stéatosées. De plus, aucun des neuf médicaments n’a induit de diminution des quantités d’ADNmt. Cependant, les quantités accrues d’ADNmt ont été retrouvées avec six des neuf médicaments, et notamment dans les cellules non-stéatosées. Cela était par ailleurs accompagné d’une modulation de l’expression des différents facteurs impliqués dans la biogenèse mitochondriale (PGC-1α, PGC-1β, AMPK, etc.). Ainsi, ces données laissent supposer qu’une altération de la traduction mitochondriale peut ne pas être une événement rare et que l’augmentation des quantités d’ADNmt et la modulation de la biogenèse mitochondriale pourraient être une réponse adaptative fréquente à des altérations mitochondriales pouvant être amoindrie par la stéatose. / It is currently estimated that more than 350 drugs can induce liver injury with different clinical presentations such as hepatic cytolysis, steatosis, even cirrhosis. Many hepatotoxic drugs can induce mitochondrial damage and dysfunction. However, not all mechanisms that lead to such deleterious effects are clarified, especially those concerning mitochondrial DNA (mtDNA) and its homeostasis, which are not often investigated. Moreover, there is little information regarding the impact of non alcoholic fatty liver disease (NAFLD) on drug-induced liver injury. Thus, the aim of this work was, first of all, to develop a model of NAFLD in the hepatic cell line HepaRG in order to study further effects of nine hepatotoxic and presumably mitochondriotoxic drugs – amiodarone, atorvastatin, carbamazepine, imipramine, lovastatin, perhexiline, ritonavir, terbinafine and troglitazone –, on mtDNA homeostasis in the context of NAFLD or not. By using drug concentrations that did not induce major cytotoxicity, we found that, among the nine drugs, studied, ritonavir and imipramine induced mitochondrial effects suggesting alteration of mtDNA translation. Notably, ritonavir toxicity was stronger in non-steatotic cells. Furthermore, none of the nine drugs decreased mtDNA levels. However, increased mtDNA was observed with six drugs, especially in non-steatotic cells. This result was also accompanied by a modulation of the expression of various factors involved in mitochondrial biogenesis (e.g. PGC-1α, PGC-1β, AMPK).Therefore, this data suggests that drug-induced impairment of mtDNA translation may not be a rare event and increased mtDNA levels and modulation of mitochondrial biogenesis could be a frequent adaptive response to mitochondrial impairments, which could be dampened by steatosis.

Membrane transport proteins are known to influence the absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity (ADMET) of drugs. At the onset of this thesis work, only a few structure-activity models, in general describing P-glycoprotein (Pgp/ABCB1) interactions, were developed using small datasets with little structural diversity. In this thesis, drug-transport protein interactions were explored using large, diverse datasets representing the chemical space of orally administered registered drugs. Focus was set on the ATP-binding cassette (ABC) transport proteins expressed in the canalicular membrane of human hepatocytes. The inhibition of the ABC transport proteins multidrug-resistance associated protein 2 (MRP2/ABCC2) and bile salt export pump (BSEP/ABCB11) was experimentally investigated using membrane vesicles from cells overexpressing the investigated proteins and sandwich cultured human hepatocytes (SCHH). Several previously unknown inhibitors were identified for both of the proteins and predictive in silico models were developed. Furthermore, a clear association between BSEP inhibition and clinically reported drug induced liver injuries (DILI) was identified. For the first time, an in silico model that described combined inhibition of Pgp, MRP2 and breast cancer resistance protein (BCRP/ABCG2) was developed using a large, structurally diverse dataset. Lipophilic weak bases were more often found to be general ABC inhibitors in comparison to other drugs. In early drug discovery, in silico models can be used as predictive filters in the drug candidate selection process and membrane vesicles as a first experimental screening tool to investigate protein interactions. In summary, the present work has led to an increased understanding of molecular properties important in ABC inhibition as well as the potential influence of ABC proteins in adverse drug reactions. A number of previously unknown ABC inhibitors were identified and predictive computational models were developed.

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A young man receiving high dose cytosine arabinoside (3g/m2 every 12 hours) for promyelocytic leukemia developed rapidly increasing hyperbilirubinemia and hepatorenal syndrome. The patient had been treated previously with courses of standard dose cytosine arabinoside without hepatic or renal complications. His condition rapidly deteriorated, and he required hemodialysis. The total bilirubin increased to 45.4 mg/dL, but alkaline phosphatase remained normal. Twelve days after starting chemotherapy, the patient died of hepatorenal failure. Liver necropsy revealed mild bile stasis and microvesicular steatosis. We suspect high dose cytosine arabinoside played a major role in causing impairment of bilirubin transport within the hepatocyte in this patient.

La réponse immunitaire est régulée spatialement et temporellement. Les cellules immunitaires font partie d’une plus grande communauté de populations cellulaires interconnectées qui coordonnent leurs actions par la signalisation intercellulaire. Suivant une blessure hépatique, la distribution et la composition du compartiment immunitaire évoluent rapidement au fil du temps. Par conséquent, l’information sur la position des cellules immunitaires dans le tissu hépatique est essentielle à la bonne compréhension de leurs fonctions dans la santé et la maladie. Cependant, l’organisation spatiale des cellules immunitaires en réponse à une atteinte hépatique aiguë, ainsi que les conséquences fonctionnelles de leur distribution topographique spécifique, restent mal comprises. Les macrophages hépatiques sont des cellules effectrices clés pendant l’homéostasie et en réponse à des blessures, et sont impliqués dans la pathogenèse de plusieurs maladies du foie. L’hétérogénéité et plasticité des macrophages dans le foie a été exposée avec l’émergence du séquençage de l’ARN, la cytométrie en flux et la cytométrie de masse. Ces techniques ont sensiblement contribué à la compréhension de l’origine, et fonctions des macrophages dans le foie. Cependant, ces technologies impliquent la destruction du tissu pour la préparation de suspension cellulaires ce qui entraîne une perte d’information spatiale et de contexte tissulaire. Par conséquent, la caractérisation spatiale et temporelle des macrophages dans le tissu hépatique pendant l’homéostasie tissulaire, et en réponse à une blessure, fournit une nouvelle information sur la façon dont les macrophages se rapportent aux cellules voisines et leur comportement pendant les réponses immunitaires. Dans la première partie de cette étude, nous avons conçu une stratégie pour le phénotypage spatial des cellules immunitaires hépatiques dans des échantillons de tissus. Cette stratégie combine techniques d'imagerie et l’alignement numérique des images pour surmonter les limitations actuelles du nombre de marqueurs pouvant être visualisés simultanément. En outre, nous avons généré des protocoles pour la quantification automatisée des cellules d’intérêt dans des sections de tissus pour réduire la subjectivité associée à la quantification par inspection visuelle, et pour augmenter la surface et la vitesse de l’analyse. Par conséquent, un plus grand nombre de populations de cellules immunitaires ont été visualisées, quantifiées et cartographiées, et leurs relations spatiales ont été déterminées. Dans la deuxième partie de l’étude, nous avons déterminé la cinétique et la dynamique spatiale des cellules de Kupffer (KCs) et des macrophages dérivés de monocytes (MoMFs) en réponse à une atteinte hépatique aiguë au CCl4, afin de mieux comprendre leurs rôles fonctionnels, et la répartition du travail entre eux. Nous avons constaté que les KC et les MoMFs présentent des différences au niveau de la distribution tissulaire, la morphologie, et la cinétique. En plus, seulement les KCs ont proliféré pour repeupler la population de macrophages résidents pendant la réparation tissulaire. Finalement, nous avons montré que le degré de colocalization de KCs et des MoMFs avec les cellules stellaires est différent. En plus, cette colocalisation varie avec la progression de la réponse immunitaire. Dans l’ensemble, nous avons montré que les KCs et les MoMFs ont des profils spatiaux et temporels différents en réponse à une atteinte hépatique aiguë. Dans l’ensemble, les observations faites dans cette étude suggèrent que le comportement spatial et temporel d’une sous-population donnée de cellules immunitaires est distinct et sous-tend sa capacité à remplir ses fonctions spécifiques pendant la réponse immunitaire. / The immune response is spatially and temporally regulated. Immune cells are part of a larger community of interconnected immune and non-immune cell populations that coordinate their actions mostly through cell-cell intercellular signaling. In the liver, the distribution pattern, and the composition of the immune compartment evolve during an immune response to injury influencing disease pathology, progression, and response to treatment. Hence, information on the location and interacting partners of immune cells in the hepatic tissue is critical for the proper understanding of their functions in health and disease. However, the spatial organization of hepatic resident and infiltrating immune cells in response to acute injury, and the functional consequences of their specific topographical distribution, remain poorly defined. Hepatic macrophages are key effector cells during homeostasis and in response to injury and are involved in the pathogenesis of several liver diseases. The heterogeneity and plasticity of the macrophage compartment in the liver have only recently started to be appreciated with the emergence of RNA sequencing, flow cytometry, and mass cytometry. Detailed transcriptomic and phenotypic profiling have deeply expanded our understanding of macrophage biology. However, these technologies involve tissue disruption with loss of spatial information and tissue context. Therefore, the spatial and temporal profiling of liver macrophages in tissue samples during the steady state, and in response to injury, provide novel information on how the macrophages relate to neighboring cells and their behavior during immune responses. In the first part of this study, we designed a strategy for the spatial phenotyping of hepatic immune cells in tissue samples. This strategy combined serial and sequential labeling, and digital tissue alignment to overcome current limitations in the number of markers that can be simultaneously visualized. In addition, we generated protocols for automated quantification of cells of interest in whole tissue sections which removed the subjectivity associated with quantification by visual inspection and greatly increased the area and the speed of the analysis. As a result, a larger number of immune cell populations were visualized, quantified, and mapped, and their spatial relations were determined in an unbiased manner. In the second part of this study, we monitored the kinetics, and spatial dynamics of resident Kupffer cells (KCs) and infiltrating monocyte-derived macrophages (MoMFs) in response to acute liver injury with CCl4, to gain insight into their functional roles, and the distribution of labor between them. KCs and MoMFs exhibited different tissue distribution patterns and cell morphology, different kinetics, and occupied neighboring but unique microanatomical tissue locations. KCs and MoMFs displayed a different capacity to replenish the macrophage pool upon acute injury, and were differentially related to hepatic stellate cells. Different kinetics and spatial profiles revealed that KCs and MoMFs have distinct spatial signatures and suggest that they perform distinct functions during the wound-healing response to acute liver injury. In summary, we optimized techniques and put together a strategy for the spatial profiling of hepatic immune cells. Then, we used this methodology to profile resident and infiltrating macrophage subpopulations to gain insight into their biology and distinct contribution to healing in response to acute liver injury. Overall, the observations made in this study suggest that the spatial and temporal behavior of a given subpopulation of immune cells underlie its ability to perform its specific functions during the immune response.