Gender differences in the efficiency of (3-blockers has been observed in the past whereby men but not women with cardiovascular disorders have improved survival outcome on treatment with P-blockers. Hence, the objectives of this project are to 1.) study the gender differences in the pharmacokinetics and pharmacodynamics of a model cardiovascular drug, i.e., metoprolol in 36 healthy young men and women with genetically determined high or low CYP2D6 activities. 2.) study the gender differences in the pharmacokinetic/pharmacodynamic interaction between metoprolol and diphenhydramine in the same subjects as in 1.). 3.) establish a cocktail of 5 drugs that can be used for simultaneously phenotyping the activity of major drug metabolizing enzymes. Methods: For objectives 1 and 2: Thirty-six healthy young men [10 extensive (EMs) and 6 CYP2D6 poor metabolizers (PMs)] and women (16 EMs and 4 PMs) were recruited. A single oral dose of 100 mg metoprolol was administered to the subjects in the presence or absence of steady-state diphenhydramine. Serial plasma samples, complete urine collection was done for 48 hours as well as exercise heart rate and blood pressure were measured up to 12 hours post-metoprolol. The study was carried out in a randomized, double-blind, placebo controlled fashion. Women participated in the study after menstruation and before ovulation. For objective 3_: Ten healthy young men (9 Caucasians and 1 East-Indian) were recruited. Various combinations of sub-therapeutic doses of dapsone (CYP3A4), metoprolol (CYP2D6), tolbutamide (CYP2C9), chlorzoxazone (CYP2E1) and caffeine (CYP1A2, N-acetyltransferase and xanthine oxidase) were administered to these subjects with a 1 week wash-out period between each administration. Results: For objectives 1 and 2: Gender specific differences in the pharmacokinetics and pharmacodynamics of metoprolol were seen whereby women had a higher AUC corresponding to lower clearances of the drug compared to men. Metoprolol administration modulated the hemodynamics of women (especially PM women) more than that of men. Further, women were shown to be more sensitive to the coadministration of diphenhydramine on metoprolol pharmacokinetics and pharmacodynamics. For objective 3: The 5 drug cocktail was a.) well tolerated by the subjects; b.) no significant interaction between coadministered drugs; c.) cocktail can be used for large-scale phenotyping. / Des différences sexuelles dans l'efficacité des bloqueurs p ont été observées dans le passé, les hommes profitant davantage des effets cardiovasculaires bénéfiques des bloqueurs P que les femmes. Les objectifs de cette étude consistent à 1) étudier la modulation de la relation pharmacinétique/pharmacodynamie du metoprolol selon le sexe. 2) évaluer la modulation de l'interaction entre le metoprolol (substrat du CYP2D6) et la diphénhydramine (DPH) selon le sexe. 3) vérifier la possibilité d'une administration concomitante de 5 médicaments afin de phénotyper des enzymes importantes impliquées dans le métabolisme de nombreux médicaments. Méthodes: Pour les objectifs 1 et 2: Lors d'une étude en chassé croisée, à double insu, réalisée au hasard, vingt femmes (16 métabolisatrices rapides (MRs) et 4 métabolisatrices lentes (MLs); 27 ± 7.8 ans) et 16 hommes (10 MRs et 6 MLs; 26 ± 5 ans) ont reçu une dose orale de metoprolol (100 mg) combinée avec de la DPH ou un placebo. Chez les femmes, l'étude a été effectuée dans la période entre les menstruations et l'ovulation. La collecte urinaire complète ainsi que le prélèvement d'échantillons plasmatiques ont été effectués pendant 48 h après l'administration du metoprolol. La fréquence cardiaque et la tension artérielle ont été déterminées, au repos et à l'effort, avant et pendant les 12 h qui suivaient la prise du metoprolol. Pour l'objectif 3: Dix jeunes hommes (9 Caucasiens et 1 Indien en bonne santé) ont participé à cette étude. Chaque sujet a reçu 5 différentes combinaisons des médicaments suivants: dapsone (substrat du CYP3A4), metoprolol (substrat du CYP2D6), tolbutamide (substrat du CYP2C9), chlorzoxazone (substrat du CYP2E1) et caféine (substrat du CYP1A2, N-acetyltransferase et xanthine oxidase). Résultats: Pour les objectifs 1 et 2 : II existe des différences dans la pharmacocinétique/pharmacodynamie du metoprolol entres les hommes et les femmes. La coadministration de diphénhydramine a influencé la pharmacocinétique/pharmacodynamie du metoprolol de façon plus marquée chez les femmes que chez les hommes, particulièrement chez les femmes MLs. Pour l'objectif 3: II n'y a eu aucune interaction significative après l'administration des différentes combinaisons de médicaments. Les médicaments ont été bien tolérés par les sujets. Ce cocktail pourrait être utilisé pour d'évaluer le phénotype de la population et d'évaluer l'activité des enzymes majeures impliquées dans le métabolisme de la plupart des médicaments disponibles sur le marché.

Tout médicament administré par la voie orale doit être absorbé sans être métabolisé par l’intestin et le foie pour atteindre la circulation systémique. Malgré son impact majeur sur l’effet de premier passage de plusieurs médicaments, le métabolisme intestinal est souvent négligé comparativement au métabolisme hépatique. L’objectif de ces travaux de maîtrise est donc d’utiliser, caractériser et développer différents outils in vitro et in vivo pour mieux comprendre et prédire l’impact du métabolisme intestinal sur l’effet de premier passage des médicaments comparé au métabolisme hépatique. Pour se faire, différents substrats d’enzymes du métabolisme ont été incubés dans des microsomes intestinaux et hépatiques et des différences entre la vitesse de métabolisme et les métabolites produits ont été démontrés. Afin de mieux comprendre l’impact de ces différences in vivo, des études mécanistiques chez des animaux canulés et traités avec des inhibiteurs enzymatiques ont été conduites avec le substrat métoprolol. Ces études ont démontré l’impact du métabolisme intestinal sur le premier passage du métoprolol. De plus, elles ont révélé l’effet sur la vidange gastrique du 1-aminobenzotriazole, un inhibiteur des cytochromes p450, évitant ainsi une mauvaise utilisation de cet outil dans le futur. Ces travaux de maîtrise ont permis d’améliorer les connaissances des différents outils in vitro et in vivo pour étudier le métabolisme intestinal tout en permettant de mieux comprendre les différences entre le rôle de l’intestin et du foie sur l’effet de premier passage. / To reach the systemic circulation, orally administered drugs have to be absorbed and not metabolized by the intestine and the liver. Even though it has a major impact on the first pass effect of many xenobiotics, the intestinal metabolism is often neglect compare to the hepatic metabolism. The objective of this work is to use, characterize and develop multiple in vitro and in vivo tools to better understand and predict the impact of intestinal metabolism on the first pass effect of xenobiotics compared to the liver. To do so, multiple substrates of metabolic enzymes were incubated in intestinal and hepatic microsomes and differences between the rate of metabolism and the production of metabolites were demonstrated. To better understand the impact of these differences in vivo, mechanistic studies were undergone in rats cannulated or treated with enzymatic inhibitors with the substrate metoprolol. These studies demonstrated the impact of intestinal metabolism on the first pass of metoprolol. Moreover, they exposed the effect on gastric emptying of 1-aminobenzotriazole, a cytochrome p450 inhibitor, avoiding its wrong utilisation in future studies. This work helped increase the knowledge about the different in vitro and in vivo tools to study intestinal metabolism and to better understand the differences between the role of the intestine and the liver on the first pass effect.

La pharmacogénomique (PGx) étudie le concept selon lequel les déterminants génétiques peuvent aider à prédire la réponse clinique d’un patient aux médicaments. Les concentrations plasmatiques de ces derniers sont essentielles pour déterminer l’exposition, les profils pharmacocinétiques (PK), les effets cliniques et éventuellement les doses des médicaments, dont la plupart sont métabolisés par des enzymes hépatiques, les cytochromes P450 (CYPs). Néanmoins, la plupart des découvertes en matière de PGx concernant la prédiction des profils de concentrations des médicaments ont généralement recours à des plans d’études PK traditionnels avec une approche fonctionnelle. Bien qu’utile, cette méthodologie comporte des limites pour les études PGx, notamment le nombre restreint de sujets inclus, qui réduit la puissance statistique des associations PGx et limite l’identification de nouveaux variants génétiques moins fréquents. À l’inverse, les grandes cohortes observationnelles sont largement utilisées pour identifier des marqueurs génétiques physiopathologiques. Cette thèse de doctorat visait donc à 1) synthétiser les données publiées concernant les effets cliniques des polymorphismes génétiques de l’enzyme CYP2D6 sur le traitement au métoprolol, un agent β-bloquant. Les concentrations plasmatiques de métoprolol ont montré à plusieurs reprises qu’elles étaient fortement influencées par la PGx du CYP2D6; 2) développer une nouvelle méthode bioanalytique capable de quantifier les concentrations chirales de métoprolol des patients dans un contexte clinique; 3) mener une étude clinique en utilisant une grande cohorte observationnelle, ou biobanque, comme preuve de concept pour recréer l’association précédemment établie entre les phénotypes inférés des génotypes du CYP2D6 et les concentrations plasmatiques de métoprolol. Ces projets sont présentés en tant que chapitres de thèse et sous forme de manuscrits publiés. Le premier projet consistait en une revue systématique qui a permis d’extraire toutes les études relatives à la PGx du métoprolol-CYP2D6. La synthèse qualitative a suggéré que les métaboliseurs lents du CYP2D6, dépourvus de capacité enzymatique, avaient des valeurs plus élevées concernant les réductions de la fréquence cardiaque et de tension artérielle, ainsi que la survenue d’épisodes bradycardiques relativement aux autres phénotypes. Une méta-analyse ultérieure a confirmé la significativité de ces associations. Le deuxième projet a combiné des techniques bioanalytiques telles que la dérivation, l’extraction en phase solide et la chromatographie liquide avec spectrométrie de masse en tandem. Une méthode permettant de surmonter les limites analytiques antérieures a été validée avec succès pour mesurer les concentrations plasmatiques de (S)-métoprolol, l’énantiomère pharmacologiquement actif, et de son métabolite spécifique au CYP2D6. L’applicabilité d’une telle méthode a ensuite été démontrée grâce aux échantillons d’un groupe de patients issus de la Cohorte Hospitalière de l’Institut de Cardiologie de Montréal (ICM). Puis, le troisième projet présente la réalisation de l’étude LEVEL-PGx (LEVEraging Large observational cohort studies to identify pharmacogenetic determinants of drug dosing : A proof-of-concept study in the Montreal Heart Institute Hospital Cohort). L’étude portait sur un échantillon de >1000 patients sélectionnés dans la cohorte hospitalière de l’ICM, incluant leur génotypage pour CYP2D6 et la quantification du métoprolol racémique et de son métabolite spécifique au CYP2D6 dans des échantillons provenant de la Biobanque de l’ICM. Un seul échantillon unique et aléatoire par patient a été utilisé. Le recours à des modèles multivariables a validé le concept selon lequel de grandes cohortes transversales recueillant des échantillons biologiques pouvaient être utilisées afin d’identifier des associations PGx de concentrations de médicaments et ce, à des valeurs satisfaisant les seuils de significativité d’essais pangénomiques. D’autres analyses de cette cohorte ont indiqué que cette méthodologie parvenait à identifier des associations PGx qui influençaient la fréquence cardiaque au repos et la posologie du métoprolol à-travers les phénotypes du CYP2D6 et pour les déterminants génétiques uniques, même en présence de co-médications. Cependant, ces associations PGx avec les paramètres cliniques n’ont pas atteint une significativité applicable aux seuils pangénomiques. En résumé, par la reproduction d’une association PGx préalablement démontrée, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse suggère que l’identification et la découverte de nouveaux déterminants génétiques prédictifs des concentrations et des doses des médicaments pourrait s’effectuer par le biais de grandes cohortes observationnelles à l’échelle du génome. Ces approches permettraient de développer des modèles prédictifs plus précis de l’exposition et de la réponse aux médicaments, ce qui pourrait favoriser les découvertes PGx et, dans certains cas, éventuellement développer le potentiel translationnel d’une approche thérapeutique personnalisée selon le profil génétique des patients. / Pharmacogenomics (PGx) studies the concept that genetic determinants can help predict a patient’s clinical response to therapies. Drug concentrations are an essential component to determining the exposure, pharmacokinetic (PK) profiles, clinical effects, and potentially drug doses, most of which are metabolized through the cytochrome P450 (CYPs) liver enzymes. Nevertheless, most PGx discoveries regarding the prediction of drug concentration profiles have generally resorted to traditional PK study designs with a functional approach. Though useful, this methodology contains limitations for gene-drug interaction studies, most notably the restricted number of subjects included, which reduces the statistical power for PGx associations and limits the identification of new, less frequent genetic variants. On the opposite, large observational cohorts have long been utilized for identifying genetic markers of disease. This doctoral thesis therefore aimed to 1) synthesize published data regarding the clinical effects of CYP2D6 genetic polymorphism on metoprolol therapy. A β-blocker, metoprolol plasma concentrations have shown repeatedly to be heavily influenced by the PGx of the CYP2D6 enzyme; 2) develop a new bioanalytical method able to quantify patients’ chiral concentrations of metoprolol in a clinical setting; 3) conduct a clinical study using a large observational cohort, or biobank, as a proof of concept to recreate the previously established association between CYP2D6 genotype-inferred phenotypes and metoprolol plasma concentrations. Those projects are presented as thesis chapters in the form of published manuscripts. The first project was a systematic review that allowed us to find all studies pertaining to the PGx of metoprolol. The qualitative synthesis suggested that CYP2D6 poor metabolizers (PMs), without enzymatic capacity, had greater values regarding reductions in heart rate, blood pressures, and occurrences in bradycardia relative to non-PMs. A subsequent meta-analysis confirmed the significance of those associations. The second project combined bioanalytical techniques such as derivatization, solid phase extraction, and liquid chromatography-tandem mass spectrometry. A method overcoming previous analytical shortcomings was successfully validated to measure (S)-metoprolol plasma concentrations and its CYP2D6-specific metabolite. Its application was later demonstrated in a group of patients from the Montreal Heart Institute (MHI) Hospital Cohort. Then, the third project presents the conduct of the LEVEL-PGx study (LEVEraging Large observational cohort studies to identify pharmacogenetic determinants of drug dosing: A proof-of-concept study in the Montreal Heart Institute Hospital Cohort). The study implicated a sample of >1000 selected patients selected from the MHI Hospital Cohort, along with the genotyping of CYP2D6, and the quantification of racemic metoprolol and its CYP2D6-specific metabolite in samples from the MHI Biobank. A single, random sample per patient was used. Multivariable modeling validated the concept that large observational cohorts collecting biospecimens could be utilized to identify PGx associations of drug concentrations with genome-wide significance. Further analyses in our cohort indicated that the tested PGx associations influenced resting heart rate and metoprolol daily drug dosage across CYP2D6 phenotypes and for single genetic determinants, regardless of interfering comedications. However, such PGx associations with clinical parameters could not achieve genome-wide significance. In summary, the body of work presented in this thesis suggested that, using a previously validated PGx association, the identification of novel genetic determinants predictive of drug concentrations and dosage could be discovered and identified at the genome-wide level with large observational cohorts. These approaches would help develop more accurate predictive models of drug exposure and response, which could favor PGx discoveries and the translational potential of a personalized approach to treatments according to a patient’s genetic profile.