Les différences de réponse médicamenteuse entre patients sont fréquentes, conduisant souvent à des difficultés à cibler la fenêtre thérapeutique et optimiser le traitement. Les médicaments courants sont efficaces pour seulement 25% à 60% des patients. Deux facteurs majeurs impliqués dans l’efficacité des médicaments sont leur métabolisme et clairance. Notamment, le CYP3A4 est la principale enzyme responsable du métabolisme des médicaments dans les hépatocytes ; des variations dans son activité entraînent une incertitude de dose. Pour améliorer l'efficacité du médicament, ce travail de thèse se concentre sur le développement de nano-transporteurs chargés avec des molécules naturelles inhibant le CYP3A4 et ciblant les hépatocytes, à administrer avant le médicament pour minimiser son métabolisme. Une méthodologie pour examiner les composés inhibiteurs du CYP3A4, fixer leur dose et leur temps d’administration pour une utilisation in vivo a été développée. Une première preuve de concept a été démontrée en utilisant une micelle chargée de furanocoumarine comme composé inhibiteur de CYP3A4 : des études d'efficacité antitumorale et la quantification dans la tumeur du médicament cytotoxique docetaxel, injecté après les micelles chargées de furanocoumarine, ont été engagés sur deux modèles de tumeurs xénogreffées chez la souris. Une deuxième génération de nano-transporteurs a été développée, avec des propriétés physico-chimiques optimisées pour cibler spécifiquement les hépatocytes. La démonstration de leur accumulation spécifique dans les hépatocytes et de l'amélioration supplémentaire de l’efficacité du docetaxel a été menée. Une perspective sur l'utilisation d'une telle approche pour améliorer l'efficacité des médicaments existants en oncologie est discutée, notamment pour le carcinome hépatocellulaire différencié. / Differences in drug response among patients are common, often leading to challenges in targeting the therapeutic window and optimizing the treatment. Major drugs are reported to be effective in only 25% to 60% of patients. Two important factors responsible for the effective dose of drug are drug metabolism and clearance. Notably, CYP3A4 is the main enzyme responsible for drug metabolism in hepatocytes; variations in its activity result in dose uncertainty. To improve drug’s effectiveness, this thesis work focuses on the development of nanocarriers loaded with natural CYP3A4-inhibiting molecules and targeting hepatocytes, to be administered prior to the drug to minimize its metabolism. A methodology to systematically screen CYP3A4-inhibiting compounds and set the dose and schedule for in vivo use was developed. A first proof-of-concept was demonstrated using a furanocoumarin-loaded micelle as CYP3A4-inhibiting compound: anti-tumor efficacy studies and quantification within tumor of the cytotoxic drug docetaxel, injected after furanocoumarin-loaded micelle, were engaged on two xenografted tumor models in mice. A second generation of nanocarriers was developed, with optimised physico-chemical properties to target specifically hepatocytes. The demonstration of their specific accumulation in hepatocytes and additional improvement in boosting of docetaxel was conducted. A perspective in using such an approach to enhance the effectiveness of existing drugs in oncology is discussed, notably for differentiated hepatocellular carcinoma.

Contexte: La chirurgie de cytoréduction combinée à la chimiothérapie hyperthermique intrapéritonéale (CHIP) à l'oxaliplatine (OX) est un standard de traitement pour certains patients sélectionnés atteints de carcinose péritonéale d'origine colorectale. Puisque le 5-FU potentialise l'action de l'OX lorsqu'administrés en intraveineux (IV), plusieurs groupes combinent empiriquement le 5-FU IV avec la CHIP à l'OX, mais cette pratique n'est pas soutenue par des données précliniques. Chez le rat, nous avons étudié l'impact du 5-FU IV sur la concentration péritonéale de l'OX dans le contexte d'une CHIP. Méthodes: Sous anesthésie générale, 24 rats Sprague-Dawley furent soumis à 4 différentes doses de 5-FU IV (0, 100, 400 et 800 mg/m²) et une dose fixe de CHIP à l'OX (460 mg/m²) perfusée à 40°C pendant 25 minutes. À 25 minutes, des échantillons de différents compartiments furent prélevés (péritoine, veine porte et veine cave) et les concentrations de 5-FU et OX furent mesurées par Chromatographie Liquide à Haute Performance. Résultats: La concentration péritonéale d'OX a augmenté significativement (17.0, 20.1, 34.9 et 38.1 nmol/g, p < 0.0001) avec chaque dose croissante de 5-FU (0, 100, 400 et 800 mg/m², respectivement). La concentration péritonéale d'OX a atteint un plateau entre les doses de 400 et 800 mg/m² de 5-FU IV. Conclusion: Le 5-FU IV potentialise la concentration péritonéale de la CHIP à l'OX. La dose optimale de 5-FU IV à administrer en combinaison avec la CHIP à l'OX semble être 400 mg/m². / Background: Cytoreductive surgery and hyperthermic intraperitoneal chemotherapy (HIPEC) with oxaliplatin (OX) is a standard of care for selected patients with peritoneal carcinomatosis of colorectal origin. Because 5-FU is mandatory to improve efficacy of OX when used by systemic route, several teams now empirically combine intravenous (IV) 5-FU with HIPEC OX, but this practice has yet to be supported by preclinical data. Using a murine model, we studied the impact of IV 5-FU on peritoneal concentration of HIPEC OX. Methods: Under general anesthesia, 24 Sprague-Dawley rats were submitted to 4 different doses of IV 5-FU (0, 100, 400 and 800 mg/m²) and a fixed dose of HIPEC OX (460 mg/m²) perfused at 40°C during 25 minutes. At 25 minutes, samples in different compartments were harvested (peritoneum, portal vein and systemic blood) and the concentrations of 5-FU and OX were measured by high performance liquid chromatography. Results: Peritoneal concentration of OX was significantly higher (17.0, 20.1, 34.9 and 38.1 nmol/g, p < 0.0001) with increasing doses of 5-FU (0, 100, 400 and 800 mg/m², respectively). Peritoneal concentration of OX reached a plateau between 400 and 800 mg/m² of IV 5-FU. Conclusion: IV 5-FU enhances peritoneal concentration of HIPEC OX. The most efficient dose of IV 5-FU to be used in combination with HIPEC OX seems to be 400 mg/m².

When considering oral administration, drug release from its pharmaceutical form and its dissolution into gastrointestinal fluids generally precedes absorption and systemic availability. The solubility-dissolution behaviour of a drug is frequently the rate-limiting step to absorption of drugs from the gastrointestinal tract (BCS class II drugs). Poor aqueous solubility has always been a very challenging obstacle as it is, together with membrane permeability, an essential factor in the limitation of a drug’s bioavailability following oral administration. Since an increasing number of newly developed drug candidates in pre-clinical development phases present poor water-solubility characteristics, there is a great need for formulation approaches to overcome this factor.<p><p>Out of the many ways to increase a product’s solubility/dissolution rate characteristics with the aim of enhancing its oral bioavailability, drug formulation as nanoparticles has received much-increased interest over the last decade. The hypothesis behind dissolution rate enhancement, considering drug particle size reduction to nanometer range, lies primarily in a much-increased effective surface area (Noyes-Whitney) presented by the resulting drug nanoparticles. Out of the various technologies available for drug particle size reduction to nanometer range, milling using high pressure homogenization is regarded as one of the simplest and most effective techniques. High pressure homogenization is a solvent-free process and is relatively rapid (time-saving). Furthermore, and most importantly, the scaling up of this technique is already established; processing capacities ranging from 3 l/h (e.g. EmulsiFlex C3®: minimum sample volume - 10 ml) to 1000 l/h (e.g. EmulsiFlex C1000®: minimum sample volume - 2 l).<p><p>Four model drugs were studied in this work. Nifedipine (NIF), an extensively studied poorly water-soluble drug in the literature, was used as the main model on which most of the development was done. In parallel to the work carried out on NIF, three UCB S.A. molecules currently under development were also studied as poorly water-soluble drugs: these being ucb-35440-3, UCB-A and UCB-B (salt of UCB-A). These three UCB S.A. model drugs are, contrarily to NIF, predicted highly dosed drugs and are weak bases, and thus present pH-dependent solubility profiles, which allowed us to investigate model drugs with different profiles.<p><p>Firstly, investigations regarding appropriate formulation development (stabilizer (surfactant) selection) and appropriate high pressure homogenization operating conditions (pre-milling cycles, influence of the number of high pressure homogenizing cycles, influence of homogenizing pressure, influence of sample temperature) were made. It has been shown, through this development, for the four studied model drugs, that high pressure homogenization is an appropriate technique for reducing drug particle size to nanometer range (NIF &61566; 290 nm, ucb-35440-3 &61566; 180 nm, UCB-A &61566; 350 nm and UCB-B &61566; 250 nm). Investigations regarding water-removal from the nanosuspensions obtained and most importantly regarding the redispersion characteristics of the retrieved powders (i.e. nanoparticles) were then carried out. In that regard, it has been shown that the presence of carriers in the formulation is essential for limiting nanoparticles agglomeration during the water-removal operation.<p><p>Drug crystalline state characterizations before and following particle size reduction were then carried out on the three studied model drugs, mainly through DSC and PXRD studies. In fact, one of the advantages of this particle size reduction approach (using high pressure homogenization), versus other frequently studied solubility/dissolution rate enhancement technologies (e.g. such as solid dispersions), is that original crystalline state shall not be altered in such a way that the achieved increased solubility and dissolution rate characteristics do not rely on the presence of the amorphous form of the drug; this furthermore implying a greater time-stability of the developed formulations. Through the data obtained, it has been shown that original drug crystalline state seems to be unaltered following particle size reduction.<p><p>In vitro solubility and dissolution characteristics were then evaluated on the formulations developed in order to verify the posed hypothesis regarding effective surface area increase. It has been shown through these studies that drug solubility and most importantly drug dissolution rate can be significantly enhanced for nanoparticulate systems (verified for NIF, ucb-35440-3, UCB-A and UCB-B). For example, solubility was enhanced from 26 µg/ml vs. 19.5 µg/ml for NIF nanoparticles and the dissolution characteristics showed that 100% of the tested dose (equivalent to 10 mg NIF) was already dissolved following 10 min vs. less than 5% for un-milled NIF. Following these very interesting and promising results, and preliminary to the in vivo pharmacokinetic studies carried out, in vitro permeation studies (apical to basolateral transfer studies) across intestinal cell models (Caco-2 and HT29-5M21 cultures and co-cultures) were carried out. This evaluation was only carried out using NIF as a model drug and showed a 6-fold increase in the permeation rate for NIF nanoparticles. The influence of chitosan (permeability enhancer/bioadhesive polymer) in the NIF nanoparticle formulation with regard to in vitro NIF permeation rate was also evaluated.<p><p>In vivo pharmacokinetic studies in rats were conducted using NIF and ucb-35440-3 as model drugs. The very different profiles of these two model drugs allowed us to retrieve interesting information regarding the in vivo behaviour of the developed formulations. As expected from the in vitro (i.e. solubility/dissolution/permeation) studies and results obtained for NIF, an increased extent of exposure could be observed for NIF nanoparticles versus un-milled NIF; the difference being more pronounced when the formulations were orally administered into capsules (2.5-fold increase in extent of exposure and 6-fold increase in Cmax). For ucb-35440-3, a poorly water-soluble weak base with a reported significant food effect considering oral bioavailability, an increased extent of exposure for nanoparticles, versus the un-milled drug, could only be observed in fasted state (4-fold increase in extent of exposure and 2.7-fold increase in Cmax). These different, diet-relative observations allowed us to put forward some limitations and precautions (considering poorly water-soluble weak bases) relative to the possibility of drug reprecipitation following stomach’s exiting, particularly if dissolution in the stomach is quite fast (e.g. nanoparticulate systems).<p><p>In parallel to the in vivo pharmacokinetic evaluation of NIF nanoparticles, evaluation of the antihypertensive effect of the systems developed following oral administration, using spontaneously hypertensive rats, was also carried out and compared to un-millled NIF. The results obtained showed a significant drop in systolic blood pressure for NIF nanoparticles (32% reduction of initial SBP following 30 min vs. 1% for un-milled NIF) and nicely complemented the in vitro and in vivo results obtained for NIF nanoparticles.<p><p>Finally, a stability study of the optimized NIF nanoparticle formulation was carried out with respect to reported ICH conditions (25°C/60% RH; 30°C/65% RH; 40°C/75% RH). The results showed that the studied NIF nanoparticle formulation retains all its original characteristics (dissolution, crystalline state, redispersion characteristics); this being verified over time (12 months) and for each of the three storage conditions studied.<p> / Doctorat en sciences pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le monde entier l’antibiorésistance des entérobactérales communautaires, notamment par production de ß-lactamase à spectre étendu (E-BLSE), conduit à une consommation préoccupante d’antibiotique de dernier recours tels les carbapénèmes. Dérivé de la ticarcilline la témocilline pourrait représentée une alternative y compris sur certaines entérobactérales productrices de carbapénèmase (EPC). Néanmoins, il existe une incertitude concernant les concentrations critiques distinguant les entérobactérales sensibles des résistantes avec trois valeurs selon les pays utilisateurs de témocilline (8 mg/L, 16 mg/L ou 32 mg/L) tandis qu’une harmonisation internationale reste en attente. En ce contexte trois travaux originaux ont été poursuivi ainsi qu’une revue de la littérature. Il fut d’abord étudié in vitro la sensibilité à la témocilline de 762 entérobactérales responsables d’infection urinaire communautaire. Dans un contexte de prévalence faible des E-BLSE (5%) et nulle des EPC, les trois méthodes de routine (disque, automate, Etest) se sont révélées très fiables, la borne épidémiologique pour la témocilline s’établissant à 8 mg/L. Ensuite, l’efficacité de la témocilline vis-à-vis d’entérobactérales productrices ou non de ßlactamases (E-BLSE ou EPC) a été évaluée dans deux modèles murins complémentaires. Il a été montré l’efficacité de la témocilline à un schéma reproduisant la posologie humaine de 2 g toutes 12 h vis-à-vis d’entérobactérales pour lesquels la CMI de la témocilline était de 8 mg/L. L’efficacité de ce schéma posologique, bien que significative, était moindre vis-à-vis des isolats pour lesquels la CMI de la témocilline était de 16 mg/L. Par contre, il ne fut pas observé d’efficacité significative de la témocilline vis-à-vis des isolats avec une CMI à 32 mg/L quelques soit le schéma posologique (2 g toutes les 8 ou 12 h). L’ensemble de ces résultats, ainsi qu’une revue exhaustive des données de la littérature, conduisent à proposer une concentration critique de 8 mg/L pour le schéma posologique de 2 g toutes les 12 h, et de 16 mg/L pour celui de 2 g toutes les 8h. Cette dernière proposition correspondrait au « sensible à forte exposition », nouvelle définition de la catégorisation « intermédiaire » selon les dernières recommandations de l’EUCAST. / Worldwide spread of antimicrobial resistance among community-acquired enterobacterales, especially ESBL, leads to a worrying consumption of last resort antibiotics like carbapenem. Derivative of ticarcillin, temocillin may be an attractive carbapenem-sparing agent including against some carbapenemase-producing enterobacterales (CPE). Nevertheless, there is still uncertainty regarding clinical breakpoints with 3 different values depending on countries (8 mg/L, 16 mg/L, 32 mg/L), moreover international consensus about this issue is awaited. In this context, three original studies were conducted along with a literature review. First, in vitro susceptibility to temocillin of 762 enterobacterales from community-acquired urinary tract infection was studied. In this area of low prevalence of ESBL and no CPE, the three routine susceptibility methods (disk diffusion, automate, Etest) were very accurate, epidemiological cut-off was set to 8 mg/L. Then, temocillin efficacy against enterobacterales producing or not producing ß-lactamase (ESBL or CPE) was assessed by two complementary murine models. We demonstrated that temocillin exposure reproducing 2 g q12h regimen showed efficacy against strains with temocillin MIC of 8 mg/L. This regimen exhibited a lower, even though significant, efficacy against strain with temocillin MIC of 16 mg/L. On the over hand, it was not observed significant efficacy against strain with temocillin MIC of 32 mg/L whatever the regimen used (2 g q12h or q8h). All together this results and the literature review support a clinical breakpoints of 8 mg/L for2 g q12h regimen, and 16 mg/L for 2 g q8h regimen. This last proposition correspond to the new susceptibility category : “Intermediate – Susceptible, increase exposure” from the last EUCAST recommendations.

Le sepsis sévère est l’une des causes de mortalité les plus fréquentes à travers le monde. L’étiologie la plus fréquente étant des infections causées par des bactéries, le traitement repose sur l’administration rapide d’un traitement antibiotique adapté. Toutefois, la diminution de la sensibilité des bactéries observée au cours des dernières années nous pousse à repenser notre utilisation des antibiotiques. Parmi les options envisageables, on retrouve l’utilisation de nouveaux antibiotiques et l’optimisation des posologies d’antibiotiques couramment utilisés. Dans les deux cas, la modélisation pharmacocinétique est un outil indispensable pour caractériser la pharmacocinétique des agents antimicrobiens et ainsi guider les posologies. Les études pharmacocinétiques comportent toutefois de nombreux défis en pédiatrie. Afin de les contourner, nous avons utilisé des méthodes à risques minimaux pour étudier deux molécules chez les enfants : le linézolide, un nouvel antibiotique de la classe des oxazolidinones, qui a été administré chez des nouveau-nés prématurés, et la pipéracilline-tazobactam, une bêta-lactamine fréquemment utilisée en pédiatrie, qui a été administrée en utilisant une nouvelle posologie sous forme d’infusions prolongées. Premièrement, nous avons effectué une étude pharmacocinétique rétrospective du linézolide aux soins intensifs néonataux du CHU Sainte-Justine. Le linézolide est un antibiotique qui peut être utilisé pour traiter les infections causées par le staphylocoque à coagulase négative chez les nouveau-nés prématurés. Il s’agit d’une pratique relativement nouvelle et un programme de surveillance des concentrations plasmatiques avait été instauré il y a quelques années pour encadrer l’utilisation du linézolide dans cette population. Nous avons utilisé les données de ce programme et construit un modèle pharmacocinétique de population en utilisant des méthodes de modélisation non-linéaire à effets mixtes. Nous avons ainsi pu démontrer que les posologies utilisées chez les 26 nouveau-nés inclus dans notre étude atteignaient la cible préalablement déterminée (aire sous la courbe/concentration minimale inhibitrice [ASC/CMI 0-24] > 80), et qu’elles étaient donc probablement efficaces. De plus, nous avons observé que le linézolide semblait sécuritaire dans cette population. Nous nous sommes ensuite intéressés aux infusions prolongées de pipéracilline-tazobactam en pédiatrie. Déjà bien décrite dans la population adulte, l’utilisation d’infusions prolongées permet d’optimiser l’efficacité des bêta-lactamines puisque cette dernière dépend du temps où les concentrations plasmatiques sont supérieures à la concentration minimale inhibitrice (ƒt > CMI). Comme aucune posologie n’était établie en pédiatrie, nous avons d’abord effectué une étude de simulation où nous avons déterminé les posologies dites « optimales » en utilisant les paramètres pharmacocinétiques décrits en pédiatrie. Nous avons par la suite effectué une étude pharmacocinétique prospective où les posologies préalablement établies ont été administrées à 89 enfants de deux mois à six ans, duquel 79 ont eu des prélèvements sanguins pour déterminer les concentrations plasmatiques. Deux modèles pharmacocinétiques de population distincts (pipéracilline et tazobactam) ont été développés en utilisant la modélisation non-linéaire à effets mixtes. Des simulations ont par la suite été effectuées en utilisant le modèle final de la pipéracilline pour déterminer les posologies optimales selon l’âge. Pour des bactéries avec une CMI à 16 mg/L, nous avons observé que des infusions prolongées étaient nécessaires pour atteindre notre cible préalablement déterminée (ƒt > CMI > 50%) chez les enfants de six mois à six ans (130 mg/kg/dose toutes les 8 heures administré sur 4 heures), alors que des durées d’infusion standard de trente minutes étaient suffisantes chez les nourrissons de deux à six mois (75 mg/kg/dose toutes les 4 heures administré sur 30 minutes). Notre étude supporte également la faisabilité et l’innocuité des infusions prolongées en pédiatrie. / Severe sepsis remains one of the most important causes of pediatric mortality around the world. Bacterial infections represent the most common cause, and effective treatment depends on the prompt administration of antibiotics. However, we observe a concerning decrease in susceptibility to antibiotics over the last decades, prompting us to reevaluate our antibiotics use. New antibiotics or novel ways of administering currently available antibiotics more efficiently are the two main alternatives when facing increased antibiotic resistance. In both cases, pharmacokinetic (PK) modeling represents an invaluable tool to guide dosing. However, PK studies in children are challenging. We used minimal risk methods to study two different antibiotics in children: Linezolid, a new oxazolidinone antibiotic that was administered to premature neonates, and piperacillin-tazobactam, a frequently used beta-lactam that we administered in a novel way using extended infusions. First, we conducted a single-center retrospective PK study of linezolid in premature neonates in the neonatal intensive care unit of the CHU Sainte-Justine. We built a population PK model using nonlinear mixed-effects modeling with plasmatic concentrations collected for therapeutic drug monitoring per standard of care. We were able to demonstrate that the dosing regimens used in the 26 neonates included in our study reached our established target (area under the curve over the minimal inhibitory concentration [AUC/MIC 0-24] > 80), and, therefore, were deemed efficient. Moreover, we collected adverse events and found that linezolid administration appeared safe in this population. We then focused on piperacillin-tazobactam extended infusions in children. Beta-lactams efficacy depends on the fraction of time that concentrations are above the MIC (ƒt > MIC). Extended infusions are a simple way to achieve higher ƒt > MIC and are well studied in adults. Based on published piperacillin-tazobactam PK parameters in children, we first conducted a simulation PK study to establish optimal extended infusions dosing in children. We then conducted a single-center prospective PK study where the established dosing regimens were administered to 89 children from two months to six years old. Of those, 79 children contributed plasma PK samples. Two PK models (piperacillin and tazobactam) were developed using nonlinear mixed-effects modeling. Simulations were conducted using our final piperacillin model, allowing us to determine optimal dosing regimens according to age. For bacteria with MICs up to 16 mg/L, extended infusions (130 mg/kg/dose every 8 hours infused over 4 hours) were needed in children six months to six years old to reach our established target (ƒt > MIC > 50%), whereas standard 30 minutes infusion (75 mg/kg/dose every 4 hours infused over 30 minutes) were adequate in infants two months to six months old. Our study also supported the feasibility and safety of extended infusions in young children.

La fibrose kystique (FK) est une maladie qui affecte principalement les systèmes respiratoires, digestifs et reproducteurs et rend les personnes atteintes plus susceptibles aux surinfections bronchiques et aux exacerbations pulmonaires. Le dosage initial et les ajustements de dose des antibiotiques sont difficiles en raison des altérations pharmacocinétique (PK), la grande variabilité PK et l'émergence de résistance aux antibiotiques dans cette population. En guise d’introduction, le premier chapitre de ce mémoire présente la pathologie de la fibrose kystique, des principes de base en pharmacologie et en modélisation compartimentale. Le deuxième chapitre présente une revue systématique de la littérature sur les modèles PK de population des antibiotiques développés dans la population FK adulte. Cette étude a mis en évidence les facteurs démographiques et cliniques ayant le plus d'impact sur la PK des antibiotiques en FK. Par exemple, le poids corporel maigre était la covariable la plus fréquemment utilisée pour estimer les paramètres PK des β-lactamines. Le troisième chapitre montre comment les modèles PK de population peuvent être utilisés pour proposer des stratégies de dosage alternatives aux cliniciens. Les résultats ont montré que la normalisation des doses de tobramycine par la taille (à une dose de 3,4 mg/cm) permet d'obtenir des concentrations maximales et minimales de tobramycine adéquates pour un patient médian. Le quatrième chapitre présente une évaluation méthodologique de l’impact du temps de prélèvement à 8h post-dose sur la performance prédictive de modèles PK de population pour la tobramycine. Il a été démontré que les paramètres PK du deuxième compartiment sont biaisés lorsqu’estimés en utilisant des concentrations simulées issues de temps de prélèvement divergents du modèle analysé. Le cinquième chapitre illustre le développement et l’évaluation d'un nomogramme de doses initiales pour la tobramycine basé sur la taille. Les doses dérivées du nomogramme entraînent une réduction significative de la variabilité des concentrations maximales prédites par rapport à ce qui est observé en clinique, ce qui pourrait potentiellement améliorer les issues cliniques en FK. Ce mémoire a donc démontré l'importance et la pertinence de la modélisation et des simulations dans un contexte clinique afin d’améliorer la prise en charge des patients atteints de FK. / Cystic fibrosis (CF) is a progressive, hereditary disease that primarily affects the respiratory, digestive, and reproductive systems and makes patients more likely to develop bronchial bacterial infections, and subsequently experience acute pulmonary exacerbations. Effective antibiotic use is in part responsible for the decreased respiratory burden observed over the past decades. However, initial dosing and dose adjustments of antibiotics, particularly of tobramycin, is challenging due to altered pharmacokinetics (PK), high PK variability, and emergence of antibiotic resistance. The first chapter of this dissertation presents the pathology of cystic fibrosis, basic principles in pharmacology and compartmental modeling. The second chapter presents a systematic literature review of population PK models of antibiotics developed for adult patients with CF. This study highlighted the demographic and clinical factors most impacting the PK of prescribed antibiotics in this population. For example, lean body weight was the most frequently used covariate for estimating PK parameters of β-lactams. The third chapter of this memoire shows how previously developed population PK models can be leveraged to propose alternative dosing strategies to clinicians. It was found that dose normalization of tobramycin using height rather than body weight at a 3.4 mg/cm dose resulted in tobramycin maximum and residual concentrations within the target range found in published guidelines for a median patient. The fourth chapter presents a methodological evaluation of the impact of 8h post-dose sampling times on the predictive performance of tobramycin population PK models. It was shown that the PK parameters of the second compartment are biased when estimated using simulated concentrations from divergent sampling times of the analyzed model. The fifth chapter shows the development and evaluation of an initial tobramycin dosing nomogram based on height rather than body weight to further individualize antibiotic therapy for CF patients. It was found that doses derived from the proposed nomogram resulted in significantly reduced variability in predicted peak concentrations values in comparison to what is observed in clinical practice, which could potentially improve clinical outcomes for CF patients. This memoire has therefore demonstrated the importance of modeling and simulations in a clinical setting to improve the management of CF in adult patients.

Dans des travaux précédents, les liens amides de la Leu-enképhaline, un pentapeptide endogène agoniste des récepteurs opioïdergiques, ont été substitués séquentiellement et systématiquement par des alcènes trans, des esters, des N-méthylamides et des thioamides. Des essais pharmacologiques sur l’affinité et sur l’activité (inhibition de la contraction du mouse vas deferens et phosphorylation de ERK 1 et ERK 2) des composés peptidomimétiques résultants envers le récepteur opioïdergique δ ont démontré que la substitution de l’amide 1 par un alcène, la substitution de l’amide 2 par un thioamide et la substitution de l’amide 4 par un ester, un N-méthylamide ou un thioamide sont des modifications tolérées pour l’obtention de composés ayant une activité agoniste. Cet ouvrage traite de la conception, de la synthèse et de la caractérisation chimique, pharmacologique et physico-chimique de molécules peptidomimétiques dotées de plusieurs de ces isostères (à la même position que celle menant à des composés actifs). Un composé peptidomimétique de la Leu-enképhaline a aussi été synthétisé en substituant l’amide 3 par un fluoroalcène, un isostère jusqu’ici inexploré par notre laboratoire. Les résultats démontrent que les molécules peptidomimétiques dotées de plus d’un isostère gardent, dans certains cas, une bonne affinité pour le récepteur δ. Cependant, des pertes au niveau de l’activité sont observées dans la majorité des cas. D’un point de vue pharmacocinétique, l’approche a permis la synthèse de composés peptidomimétiques ayant un profil plus favorable que celui de la Leu-enképhaline. En effet, tous les composés synthétisés ont démontré une lipophilicité et une résistance enzymatique (sauf dans un cas) accrue par rapport à la Leu-enképhaline.

Il existe peu d’études sur les effets physiologiques et pharmacologiques du médicament anesthésiant le plus utilisé chez les anoures, la tricaïne méthanesulfonate, et son utilisation chez la grenouille Xenopus laevis. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet de bains d’immersion de 20 minutes de 1 et 2 g/L de tricaïne méthanesulfonate sur la fonction cardiorespiratoire, l’analgésie et les réflexes ainsi que d’étudier la pharmacocinétique. Nos résultats démontrent que des bains de 1 et 2 g/L produisent une anesthésie chirurgicale de 30 et 60 minutes respectivement, sans effet significatif sur le système cardiorespiratoire. À la suite d’une immersion à 2 g/L, on note une demi-vie terminale de 3,9 heures. Cette dose ne produit aucun effet sur l’histologie des tissus 24 heures après l’immersion. Dans une deuxième expérience, nous avons évalué les effets d’une surdose de tricaïne méthanesulfonate en bain d’immersion sur les systèmes cardiorespiratoire et nerveux central grâce à l’électroencéphalographie ainsi que l’effet d’une injection de pentobarbital sodique après 2 heures d’immersion. L’EEG montre un effet dépresseur sur le SNC avec l’utilisation de la tricaïne méthanesulfonate sans voir un arrêt de signal d’EEG sur la période de 2 heures d’enregistrement. Les surdoses à 1 g/L et 3 g/L n’ont pas d’effet significatif sur le rythme cardiaque, et l’injection de pentobarbital suite au bain d’immersion de tricaïne méthanesulfonate est nécessaire pour induire l’euthanasie. Nous avons démontré que le bain de tricaïne méthanesulfonate peut produire une anesthésie de 30 à 60 minutes avec dépression du SNC sans effet cardiovasculaire chez les Xenopus laevis. / Very few studies exist on the physiological and pharmacological effects of the most commonly used anesthetic agent used in amphibians, tricaine methanesulfonate, in Xenopus laevis frogs. Our first goal was to measure the effects of 20 minutes bath immersions of 1 and 2 g/L tricaine methanesulfonate on cardiorespiratory system, analgesia and reflexes. We also studied the pharmacokinetic of tricaine methanesulfonate following an immersion in a 2 g/L bath. Our results show that both 1 and 2 g/L baths produce surgical anesthesia during 30 and 60 minutes respectively, without significant effect on the cardiorespiratory system. Following the immersion in a 2 g/L bath, the tricaine methanesulfonate has a terminal half-life of 3,9 hours and no effect on tissue histology is observed 24 hours after anesthesia. In a second experiment, we evaluated the effects of tricaine methanesulfonate overdose on cardiorespiratory system and on central nervous system using electroencephalography. Moreover, we evaluated the effect of sodium pentobarbital injection after 2 hours of immersion. A significant EEG depression of central nervous system activity occurred with the use of tricaine methanesulfonate following 2 hours of recording and the pentobarbital injection was necessary to induce euthanasia. We showed that tricaine methanesulfonate can produce safe anesthesia of 30 to 60 minutes with reduction of CNS activity and without cardiorespiratory effect in Xenopus laevis.

Le [6]-gingérol est un analogue structurel de la capsaïcine, une molécule agoniste au récepteurs TRPV1 et ayant des propriétés thérapeutiques connues dans le traitement de la douleur. Deux objectifs principaux ont été poursuivis lors de la réalisation de ce projet de recherche. D’abord, établir une meilleure caractérisation du métabolisme du [6]-gingérol chez le rat. Pour ce faire, une méthode sensible et spécifique pour la quantification du [6]-gingérol et ses métabolites par HPLC-ESI/MS/MS a été développée. Une étude de stabilité métabolique in vitro utilisant des microsomes hépatiques de rats a ensuite été réalisée. Les résultats démontrent une dégradation lente avec un temps de demi-vie de 163 minutes et une clairance intrinsèque relativement basse de 0.0043 mL/min. D’autres analyses ont ensuite été performées pour caractériser les métabolites in vitro et in vivo. Trois principaux métabolites de phase I et quatre métabolites de phase II ont été identifiés par HPLC-MS/MS et HPLC-MSD TOF. Les résultats suggèrent que le principal métabolite excrété dans l’urine est un glucuronide du [6]-gingérol hydroxylé. Le second objectif de ce projet était de déterminer l’effet central du [6]-gingérol sur la douleur neuropathique lorsqu’injecté par voie intrathécale. La distribution de la molécule a d’abord été évaluée suite à une administration intra-péritonéale de 40 mg/kg de [6]-gingérol et les ratios des concentrations cerveau-plasma et moelle épinière-plasma (0.73 et 1.7, respectivement) suggèrent que le [6]-gingérol se distribue efficacement au niveau du système nerveux central. Une injection intrathécale de 10 μg de [6]-gingérol à été performée chez les rats suite à l’induction de douleur par la pose de ligatures au niveau du nerf sciatique. Les résultats suggèrent une réduction significative de l’allodynie mécanique et de l’hyperalgésie thermique à 30 min, 2 h et 4 h suivant l’injection (p < 0.05, p < 0.01 et p < 0.001). Le [6]-gingérol se distribue donc adéquatement au niveau du système nerveux central des rats, permettant une action au niveau des récepteurs TRPV1. Ainsi, le [6]-gingérol pourrait soulager la douleur neuropathique en agissant centralement au niveau de la moelle épinière. / [6]-Gingerol is a structural analog of capsaicin, an agonist of the transient receptor potential channel vanilloid 1, which is known to have therapeutic properties for the treatment of pain. Based on this premise, this research project had two main objectives. The first objective was to establish a better characterization of [6]-gingerol metabolism in rat. A selective and sensitive method for the quantification of [6]-gingerol and its metabolites by HPLC-ESI/MS/MS was first developed. An in vitro metabolic stability study using rat liver microsomes was then performed. The results show slow degradation with a T1/2 of 163 min and a relatively low intrinsic clearance of 0.0043 mL/min. Further analyses were performed to characterize in vitro and in vivo metabolites. Three main phase I metabolites and four phase II metabolites were identified by HPLC-MS/MS and HPLC-MSD TOF. The results suggest that glucuronidation of hydroxylated [6]-gingerol is the primary metabolite excreted in urine. The second objective of this study was to determine the central effect of [6]-gingerol on neuropathic pain when injected intrathecally at the level of the lumbar spinal cord. [6]-Gingerol distribution was evaluated following a 40 mg/kg intraperitoneal injection, and the brain-to-plasma and spinal cord-to-plasma ratios (0.73 and 1.7, respectively) suggest that [6]-gingerol has a good distribution in the central nervous system of rats. Induction of pain was performed using the sciatic nerve ligation model on rats. Following the surgery, a 10-µg intrathecal injection of [6]-gingerol was performed to evaluate its central effect. The results suggest a significant decrease of secondary mechanical allodynia assessed with the Von Frey filaments after 30 min, 2 h and 4 h (p < 0.05, p < 0.01 and p < 0.001) and thermal hyperalgesia assessed with the Hargreave’s test after 30 min, 2 h and 4 h (p < 0.05, p < 0.01 and p < 0.01). In conclusion, [6]-gingerol has a good distribution in the central nervous system of rats, suggesting a possible interaction with the TRPV1 receptors. [6]-Gingerol could therefore alleviate neuropathic pain by acting centrally at the level of the spinal cord and be an interesting alternative to the traditional molecules currently used in pain management.

Le diabète de type 2 (DT2) atteint environ 387 millions de personnes à l’échelle mondiale. Ces individus ont souvent recours à une polymédication pour contrôler leur glycémie, mais également pour prévenir et contrôler les comorbidités micro- et macrovasculaires associées au diabète. Or, aux doses usuelles, certains patients atteints de DT2 ont une réponse aux médicaments différente de celle des patients non-diabétiques. Des variabilités dans les dosages et les effets de certains médicaments, tels le clopidogrel, la warfarine, la cyclosporine et la tacrolimus, sont observées chez les patients diabétiques. Cette variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments chez les patients avec DT2 constitue une problématique importante, car elle peut causer des échecs thérapeutiques, des effets indésirables et des toxicités médicamenteuses. Un des mécanismes sous-jacent proposé afin d’expliquer cette variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments chez les patients diabétiques est que leur capacité à éliminer les médicaments par métabolisme soit affectée. De fait, des évidences supportent un lien entre les maladies avec composantes inflammatoires et une modulation de l’activité des enzymes du métabolisme. Certains médiateurs inflammatoires peuvent moduler l’expression et l’activité des protéines enzymatiques telles les cytochromes P450 (CYP450s), un système enzymatique majeur dans le métabolisme des médicaments. Plusieurs organes expriment différentes isoenzymes des CYP450s lesquelles peuvent contribuer au métabolisme local des médicaments et ainsi influencer leurs concentrations atteintes dans les organes cibles. L’objectif de cette étude est d’évaluer les effets du DT2 sur l’expression et l’activité des CYP450s afin d’identifier leur contribution à la variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments en utilisant la souris diabétique sous diète riche en gras (DIO) comme modèle. Les travaux effectués dans le cadre de ce mémoire démontrent que les souris DIO présentent une modulation de l’expression et de l’activité des CYP450s. Nos résultats montrent que cette modulation est spécifique à certaines isoenzymes et variable selon les tissus. Ces travaux supportent que la présence du diabète avec obésité affecte les CYP450s hépatiques et extra-hépatiques, lesquels peuvent ainsi influencer les concentrations systémiques et les concentrations tissulaires, respectivement. D’une perspective future et translationnelle, notre étude mènera à une meilleure compréhension de la capacité d’élimination des médicaments chez les patients diabétiques et par conséquent, à proposer des dosages appropriés pour des médicaments métabolisés par les CYP450s chez les patients diabétiques : une avancée dans l’approche de la médecine personnalisée. / Around 387 million people worldwide suffer from type 2 diabetes (T2D). Patients with T2D often require polypharmacy, not only to ensure glycaemic control, but also to prevent and control micro- and macrovascular comorbidities associated with T2D. However, clinical practice reveals that some diabetic patients show highly variable responses to different drugs in comparison with non-diabetic patients. Variable drug dosages and effects are observed for drugs such as clopidogrel, warfarin, cyclosporine and tacromilus. This intersubject variability in drug response in diabetic patients is an important issue as it may results in treatment failure, adverse effects or even drug toxicity. One of the underlying mechanisms suggested to explain the intersubject variability in drugs responses in diabetic patients is their modified ability to eliminate drugs through metabolism. Evidence support the association between inflammatory diseases, such as T2D, and an activity modulation of metabolism enzymes. It is known that these inflammatory processes can modulate the expression and activity of enzyme proteins, such as the cytochromes P450 (CYP450s), a major enzyme system in drug metabolism. Moreover, several organs express various CYP450s isoenzymes that may contribute to the local drug metabolism, thus influence the drugs concentration within the target organs. Therefore, the aim of this study is to assess the effects of T2D on the expression and activity of CYP450s in order to identify their responsibility in the intersubject response variability to drugs using diet-induced obesity (DIO) mice as a model. The work carried out as part of this thesis shows that there is a modulation of the expression and activity of CYP450s isoenzymes in the DIO mouse model. Our results indicate that this modulation occurs in an isoenzyme-specific and tissue-dependent fashion. This work supports that the presence of diabetes with obesity affects hepatic and extrahepatic CYP450s, which may influence the systemic and local drug concentrations, respectively. In a future and translational perspective, our study will lead to a better understanding of the drug elimination capacity in diabetic patients, and thus will prompt an appropriate dosage adjustment for drugs metabolized by CYP450s in diabetic patients: a step forward towards a more personalized medicine approach.