Dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI) techniques offer the opportunity to understand the physiological processes involved in the distribution of the contrast agent in vivo. This work utilises a liver specific contrast agent (gadoxetate) and demonstrates the potential use of these techniques to study transporter-mediated process in vivo. In vitro experiments investigated gadoxetate’s interaction with uptake and efflux transporters at the cellular level, ideally a prerequisite to understand the contribution of transporter proteins in in vivo pharmacokinetics. MRI was used to measure the accumulation of gadoxetate in fresh rat hepatocytes. Furthermore, LC-MS/MS methodology was optimised in conjunction with two in vitro systems to determine the role of transporters in gadoxetate uptake and efflux. HEK-OATP1B1 transfected cells were used to optimise the LC-MS/MS technique and Caco-2 cell monolayers were used to examine whether gadoxetate is a substrate of the efflux transporters, Pgp and BCRP. Subsequent studies demonstrated the use of DCE-MRI techniques to study transporter-mediated processes. Two pharmacokinetic models were proposed to quantify the uptake and efflux of gadoxetate in vivo. The suitability of the models in describing the liver concentration profiles of gadoxetate was assessed in pre-clinical and clinical reproducibility studies. Further pre-clinical experiments demonstrated the ability of the proposed DCE-MRI techniques to monitor changes in the uptake and efflux rate estimates of gadoxetate into hepatocytes, through co-administration of the transporter inhibitor, rifampicin, at two doses. The work presented demonstrates the potential use of DCE-MRI techniques as a diagnostic probe to assess transporter-mediated processes and drug-drug interactions (DDIs) in vivo.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) affecte 13 % de la population américaine et son incidence ne cesse d’augmenter. Malgré un ajustement des doses de médicaments administrés en fonction du taux de filtration glomérulaire du patient urémique, près de 40 % des patients reçoivent une dose trop élevée en raison de modifications de l’élimination extrarénale des médicaments chez ces patients. Il est connu que l’IRC affecte l’élimination métabolique des médicaments par les cytochromes P450 et les enzymes de biotransformation de phase II. Nous avons aussi démontré, chez le rat, que l’IRC affecte l’expression et l’activité de transporteurs de médicaments intestinaux entraînant une augmentation de la biodisponibilité de certains médicaments. On retrouve des transporteurs de médicaments dans de nombreux organes comme le foie, les reins et la barrière hématoencéphalique (BHE) où ils jouent des rôles importants dans les éliminations biliaire et rénale et la pénétration des médicaments au cerveau. Le but de ce travail était de mesurer, chez des rats néphrectomisés, les impacts de l’IRC sur l’expression protéique et génique et l’activité des transporteurs de médicaments hépatiques, rénaux et cérébraux. Les transporteurs étudiés sont de la famille des transporteurs ABC (P-glycoprotéine, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) ou des solute carriers (organic anion transporter, organic anion transporting protein). Aussi, une étude réalisée chez l’humain visait à évaluer la pharmacocinétique de deux médicaments : la fexofénadine, un médicament majoritairement transporté, et le midazolam, un substrat du cytochrome P450 3A4, chez des sujets dialysés. Nos résultats montrent que, chez le rat, l’IRC entraîne des modulations de l’expression des transporteurs d’influx et d’efflux hépatiques pouvant entraîner des diminutions du métabolisme hépatique et de l’excrétion biliaire des médicaments. Dans le rein, nous avons démontré des modulations de l’expression des transporteurs de médicaments. Nous avons aussi démontré que l’IRC diminue l’élimination urinaire de la rhodamine 123 et favorise l’accumulation intrarénale de médicaments transportés comme la benzylpénicilline et la digoxine. À la BHE, nous avons démontré des diminutions de l’expression des transporteurs de médicaments. Toutefois, nous n’avons pas observé d’accumulation intracérébrale de trois substrats utilisés (digoxine, doxorubicine et vérapamil) et même une diminution de l’accumulation intracérébrale de la benzylpénicilline. Il semble donc que, malgré les modulations de l’expression des différents transporteurs de médicaments, l’intégrité et la fonction de la BHE soient conservées en IRC. Chez l’humain, nous avons démontré une augmentation de la surface sous la courbe de la fexofénadine chez les sujets dialysés, comparativement aux témoins, suggérant une altération des mécanismes de transport des médicaments chez ces patients. Nous n’avons, toutefois, pas observé de modification de la pharmacocinétique du midazolam chez les patients dialysés, suggérant une activité métabolique normale chez ces patients. Un ou des facteurs s’accumulant dans le sérum des sujets urémiques semblent responsables des modulations de l’expression et de l’activité des transporteurs de médicaments observées chez le rat et l’humain. Ces travaux mettent en évidence une nouvelle problématique chez les sujets urémiques. Nous devons maintenant identifier les mécanismes impliqués afin d’éventuellement développer des stratégies pour prévenir la toxicité et la morbidité chez ces patients. / Chronic renal failure (CRF) affects 13% of the American population and its incidence is rising. Despite dose adjustment of drugs administered to CRF patients according to their glomerular filtration rate, nearly 40% of patients receive up to 6,45-times the recommended dose due to modifications in the extra-renal elimination of drugs. It is known that CRF affects the metabolic elimination of drugs via cytochrome P450s and Phase II biotransformation enzymes. Also, we showed modulations in the expression and activity of intestinal drug transporters in CRF rats that could lead to increases in the bioavailability of drugs. Drug transporters are expressed in various organs including the liver, the kidneys and the blood-brain barrier (BBB) where they play important roles in the biliary and renal elimination, and the brain penetration of drugs. The objective of this work was to measure, using a rat model of CRF, the impacts of CRF on the protein and mRNA expression and the activity of liver, kidney and brain drug transporters. We studied ABC transporters (P-glycoprotein, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) and solute carriers (organic anion transporters, organic anion transporting proteins). Also, a study conducted in human aimed to evaluate the pharmacokinetics of two drugs: fexofenadine, a transported drug, and midazolam, a substrate of cytochrome P450 3A4, in dialyzed patients. In rats, our results show modulations in the expression and activity of hepatic influx and efflux drug transporters that could lead to decreases in the hepatic metabolism and biliary excretion of drugs. In the kidney, we demonstrated modulations in the expression of drug transporters in CRF rats. We also demonstrated that CRF causes a reduction of the urinary elimination of rhodamine 123, a P-glycoprotein substrate, and the intra-renal accumulation of at least two transported drugs: benzylpenicillin and digoxin. Finally, we demonstrated decreases in the expression of influx and efflux drug transporters at the BBB of CRF rats. However, these decreases did not correlate with in vivo changes since BBB permeability of benzylpenicillin was decreased in CRF rats while digoxin, doxorubicin and verapamil permeabilities were unchanged. It thus appears that, even with decreased drug transporters, BBB integrity and function is conserved in CRF. In human, we showed an increase in the area under the curve of fexofenadine in dialyzed subjects compared to healthy controls, suggesting alterations of drug transport mechanisms in these patients. However, we observed no modifications in the pharmacokinetics of midazolam in dialyzed patients, suggesting a normal metabolic activity in these patients. Results from in vitro studies suggest that one or many uremic factors accumulating in the serum of uremic rats and patients are responsible for the observed modulations in drug transporter expression and activity observed in rat and human. This work demonstrates the impacts of CRF on the expression and activity of drug transporters and how they could affect drug pharmacokinetics in patients. Now, the mechanisms leading to these modulations need to be identified in order to eventually develop strategies to prevent drug toxicity and morbidity in uremic patients.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) affecte 13 % de la population américaine et son incidence ne cesse d’augmenter. Malgré un ajustement des doses de médicaments administrés en fonction du taux de filtration glomérulaire du patient urémique, près de 40 % des patients reçoivent une dose trop élevée en raison de modifications de l’élimination extrarénale des médicaments chez ces patients. Il est connu que l’IRC affecte l’élimination métabolique des médicaments par les cytochromes P450 et les enzymes de biotransformation de phase II. Nous avons aussi démontré, chez le rat, que l’IRC affecte l’expression et l’activité de transporteurs de médicaments intestinaux entraînant une augmentation de la biodisponibilité de certains médicaments. On retrouve des transporteurs de médicaments dans de nombreux organes comme le foie, les reins et la barrière hématoencéphalique (BHE) où ils jouent des rôles importants dans les éliminations biliaire et rénale et la pénétration des médicaments au cerveau. Le but de ce travail était de mesurer, chez des rats néphrectomisés, les impacts de l’IRC sur l’expression protéique et génique et l’activité des transporteurs de médicaments hépatiques, rénaux et cérébraux. Les transporteurs étudiés sont de la famille des transporteurs ABC (P-glycoprotéine, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) ou des solute carriers (organic anion transporter, organic anion transporting protein). Aussi, une étude réalisée chez l’humain visait à évaluer la pharmacocinétique de deux médicaments : la fexofénadine, un médicament majoritairement transporté, et le midazolam, un substrat du cytochrome P450 3A4, chez des sujets dialysés. Nos résultats montrent que, chez le rat, l’IRC entraîne des modulations de l’expression des transporteurs d’influx et d’efflux hépatiques pouvant entraîner des diminutions du métabolisme hépatique et de l’excrétion biliaire des médicaments. Dans le rein, nous avons démontré des modulations de l’expression des transporteurs de médicaments. Nous avons aussi démontré que l’IRC diminue l’élimination urinaire de la rhodamine 123 et favorise l’accumulation intrarénale de médicaments transportés comme la benzylpénicilline et la digoxine. À la BHE, nous avons démontré des diminutions de l’expression des transporteurs de médicaments. Toutefois, nous n’avons pas observé d’accumulation intracérébrale de trois substrats utilisés (digoxine, doxorubicine et vérapamil) et même une diminution de l’accumulation intracérébrale de la benzylpénicilline. Il semble donc que, malgré les modulations de l’expression des différents transporteurs de médicaments, l’intégrité et la fonction de la BHE soient conservées en IRC. Chez l’humain, nous avons démontré une augmentation de la surface sous la courbe de la fexofénadine chez les sujets dialysés, comparativement aux témoins, suggérant une altération des mécanismes de transport des médicaments chez ces patients. Nous n’avons, toutefois, pas observé de modification de la pharmacocinétique du midazolam chez les patients dialysés, suggérant une activité métabolique normale chez ces patients. Un ou des facteurs s’accumulant dans le sérum des sujets urémiques semblent responsables des modulations de l’expression et de l’activité des transporteurs de médicaments observées chez le rat et l’humain. Ces travaux mettent en évidence une nouvelle problématique chez les sujets urémiques. Nous devons maintenant identifier les mécanismes impliqués afin d’éventuellement développer des stratégies pour prévenir la toxicité et la morbidité chez ces patients. / Chronic renal failure (CRF) affects 13% of the American population and its incidence is rising. Despite dose adjustment of drugs administered to CRF patients according to their glomerular filtration rate, nearly 40% of patients receive up to 6,45-times the recommended dose due to modifications in the extra-renal elimination of drugs. It is known that CRF affects the metabolic elimination of drugs via cytochrome P450s and Phase II biotransformation enzymes. Also, we showed modulations in the expression and activity of intestinal drug transporters in CRF rats that could lead to increases in the bioavailability of drugs. Drug transporters are expressed in various organs including the liver, the kidneys and the blood-brain barrier (BBB) where they play important roles in the biliary and renal elimination, and the brain penetration of drugs. The objective of this work was to measure, using a rat model of CRF, the impacts of CRF on the protein and mRNA expression and the activity of liver, kidney and brain drug transporters. We studied ABC transporters (P-glycoprotein, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) and solute carriers (organic anion transporters, organic anion transporting proteins). Also, a study conducted in human aimed to evaluate the pharmacokinetics of two drugs: fexofenadine, a transported drug, and midazolam, a substrate of cytochrome P450 3A4, in dialyzed patients. In rats, our results show modulations in the expression and activity of hepatic influx and efflux drug transporters that could lead to decreases in the hepatic metabolism and biliary excretion of drugs. In the kidney, we demonstrated modulations in the expression of drug transporters in CRF rats. We also demonstrated that CRF causes a reduction of the urinary elimination of rhodamine 123, a P-glycoprotein substrate, and the intra-renal accumulation of at least two transported drugs: benzylpenicillin and digoxin. Finally, we demonstrated decreases in the expression of influx and efflux drug transporters at the BBB of CRF rats. However, these decreases did not correlate with in vivo changes since BBB permeability of benzylpenicillin was decreased in CRF rats while digoxin, doxorubicin and verapamil permeabilities were unchanged. It thus appears that, even with decreased drug transporters, BBB integrity and function is conserved in CRF. In human, we showed an increase in the area under the curve of fexofenadine in dialyzed subjects compared to healthy controls, suggesting alterations of drug transport mechanisms in these patients. However, we observed no modifications in the pharmacokinetics of midazolam in dialyzed patients, suggesting a normal metabolic activity in these patients. Results from in vitro studies suggest that one or many uremic factors accumulating in the serum of uremic rats and patients are responsible for the observed modulations in drug transporter expression and activity observed in rat and human. This work demonstrates the impacts of CRF on the expression and activity of drug transporters and how they could affect drug pharmacokinetics in patients. Now, the mechanisms leading to these modulations need to be identified in order to eventually develop strategies to prevent drug toxicity and morbidity in uremic patients.