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.

La diarrhée colibacillaire post-sevrage (DCPS) est une infection intestinale endémique dans les fermes porcines à l’échelle mondiale. Cette maladie est causée principalement par la présence et la multiplication au niveau de l’intestin des porcelets d’un pathotype d’Escherchia coli, nommé E. coli entérotoxinogène (ETEC) et en particulier celui qui exprime l’adhésine F4 (K88) (ETEC: F4). Le sérogroupe ETEC: O149 a été le plus isolé à partir des cas de DCPS à travers le monde. Plusieurs études ont rapporté un taux de résistance important des souches O149: F4 contre les antibiotiques qui sont classiquement utilisés pour traiter cette infection et en particulier les aminoglycosides. Ainsi, pour remédier aux échecs thérapeutiques observés dans les fermes porcines au Canada, les vétérinaires ont commencé à utiliser, sous leurs responsabilités, un antibiotique, la colistine sulfate (CS), qui n’est pas homologué en production animale au Canada. Cette étude avait pour buts d’étudier la pharmacocinétique de la CS in vitro et in vivo, de développer une technique sensible pour une quantification plasmatique de la CS, de déterminer son efficacité thérapeutique in vivo dans un modèle d’infection expérimentale de DCPS et de caractériser la résistance d’E. coli consécutive à l’utilisation thérapeutique de la CS chez le porc. Une simulation du liquide gastrique (SLG) a été préparée, et après l’ajout de la CS et de la pepsine à cette solution, les concentrations de la CS ont été mesurées par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (HPLC-MS/MS). Une dégradation rapide de CS a été constatée dans la SLG et a été accompagnée par la formation de produits de dégradation qui ont démontré une activité microbienne plus importante par comparaison avec la molécule mère (CS). Dans un volet in vivo, l’infection expérimentale des porcelets sevrés par une souche ETEC: F4 n’a pas augmenté l’absorption digestive de la CS dans un modèle subclinique de DCPS chez le porc. L’administration orale de la CS à la dose thérapeutique de 50,000 UI/kg à raison de 2 fois par jour pendant 5 jours pour traiter la DCPS dans des conditions expérimentales a entraîné une réduction significative de l’excrétion fécale de la souche infectieuse (ETEC : F4), de la population totale d’E. coli et des scores de diarrhée, uniquement pendant la période du traitement. Cependant, ces résultats ont été accompagnés par une légère augmentation dans l’excrétion fécale des E. coli résistants à la colistine, et le traitement n'a pas empêché la perte de poids des porcs infectés. En revanche, l’infection expérimentale des porcelets par ETEC: F4 a augmenté l’absorption digestive de la CS dans un modèle clinique de diarrhée colibacillaire chez le porc. Cette étude a permis de générer pour la première fois des données scientifiques concernant l’efficacité thérapeutique, la pharmacocinétique et la résistance à la colistine dans un modèle de DCPS chez le porc. Elle a également remis en doute la pertinence économique d’augmenter la dose de CS pour accélérer le rétablissement clinique des porcs. Finalement, elle a indiqué que des conditions d’élevage optimales, sans autres facteurs prédisposants, étaient aussi efficaces que la CS dans l’amélioration des symptômes cliniques de la DCPS. / Post-weaning diarrhea (PWD) caused by Escherichia coli is an endemic intestinal infection in pig farms worldwide. This disease is mostly the consequence of the presence and the multiplication in piglet’s gut of an Escherchia pathotype, named enterotoxigenic E. coli (ETEC) and in particular those that express the F4 (K88) fimbrial adhesin (ETEC: F4). The predominant serogroup of E. coli isolated from piglets with PWD worldwide is O149. Several studies have reported a significant resistance rate of O149 ETEC strains against commonly used antibiotics for the treatment of PWD, particularly, aminoglycosides. Thereby, to address therapeutic failures observed in pig farms during PWD treatment, veterinarians in Canada started using, under their responsibilities, the colistin sulfate (CS), an antibiotic not approved for farm animals in Canada. The objectives of this thesis were: to study the pharmacokinetics of CS in vitro and in vivo, to develop a sensitive method for the quantification of CS plasma concentrations in pigs, to determine the therapeutic efficacy of CS in an experimental model of PWD, and to characterize the resistance of E. coli to colistin consecutive to its therapeutic use in pigs. Simulated gastric fluid (SGF) was prepared, and after the addition of CS and pepsin to this solution, the concentrations of CS were followed by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). A rapid degradation of CS in the SGF was observed, and the degradation products showed a greater antimicrobial activity compared to the native CS. On the other hand, the experimental challenge of piglets with an ETEC: F4 strain has not increased the CS intestinal absorption in a subclinical model of PWD in pigs. The oral administration of a therapeutic dose of CS at 50,000 IU/kg twice a day for 5 successive days to treat an experimental PWD in pigs, resulted in a significant reduction of fecal ETEC: F4 and total E. coli shedding, and in diarrhea scores but only during the treatment period. However, CS treatment resulted in a slight increase in fecal shedding of CS resistant E. coli and did not prevent weight loss in challenged pigs. In addition, challenge with ETEC: F4 resulted in an increase of CS intestinal absorption in a clinical model of PWD. This study has generated, for the first time, scientific data regarding CS therapeutic efficacy, its pharmacokinetic and the selection of E. coli colistin resistant in an experimental model of PWD in pigs. It also challenged the economic relevance of increasing CS oral doses to accelerate the clinical recovery of pigs. Finally, it indicated that optimal housing conditions were without other predisposing factors, effective as CS in improving clinical symptoms of experimental PWD in pigs.

Le système nerveux central est un organe privilégié et protégé, notamment grâce à l’existence des barrières histologiques entre le sang et les tissus nerveux. La barrière-hémato encéphalique (BHE) et la barrière hémato-rétinienne (BHR) séparent respectivement le parenchyme cérébral et la rétine des composés contenus dans l’espace vasculaire, grâce à l’expression de jonctions serrées et de transporteurs membranaires permettant une régulation spécifique des échanges entre le sang et le parenchyme nerveux. Ce travail a porté sur l’étude d’un nouveau transporteur de cations organiques mis en évidence fonctionnellement à la BHE de la souris. Ce transporteur appartenant très probablement à la superfamille des solute carrier (SLC), fonctionne comme un antiport proton. Actuellement, sa présence ne peut être démontrée que de façon fonctionnelle car son identité moléculaire est encore inconnue. Cet antiport proton constitue un nouvel acteur de la perméabilité cérébrale et ouvre une nouvelle voie d’accès au cerveau. Nous nous sommes tout d’abord attachés à approfondir les connaissances fonctionnelles de ce transporteur en étudiant de nouveaux substrats et tissus d’expression. Le transport cérébral de psychotropes a été étudié in vivo par la technique de perfusion carotidienne in situ chez la souris et in vitro grâce à une lignée de cellules endothéliales cérébrales humaines immortalisées (hCMEC/D3). Nous avons démontré que la haute perméabilité cérébrale de la cocaïne fait intervenir à la fois une diffusion passive et surtout une diffusion médiée par un antiport proton. La vitesse d’entrée des substances d’abus dans le cerveau est associée à un plus fort risque d’addiction et fait de ce transporteur un nouvel acteur critique de la régulation du passage cérébral. En effet, d’autres substances comme la nicotine et certaines amphétamines comme le MDPV et l'ecstasy sont également des substrats de cet antiport. Ce transporteur apparaît comme une cible pharmacologique potentielle dans la prise en charge de toxicomanies. Malgré la diversité chimique et pharmacologique d’interactions des composés avec cet antiport, les concentrations nécessaires pour l’inhiber dépassent celles retrouvées dans le sang. Pour aider l’identification d’inhibiteurs sélectifs et efficaces nous avons développé un modèle pharmacophorique d’inhibiteurs du transporteur à partir de données générées in vitro et de l’approche FLAPpharm. Ce modèle semble prédictif de nouveaux composés pouvant constituer de meilleurs inhibiteurs de ce transporteur. L’étude des échanges in vivo au niveau du tissu nerveux nous a menés à étudier l’impact de transporteurs ABC et de l’antiport-proton au niveau cérébral et rétinien à l’aide de substances spécifiques ou de substrats mixtes comme le vérapamil. L’antiport proton est fonctionnel au niveau de la BHR et transporte notamment la clonidine, le DPH et le vérapamil. Cependant, dans le cas d’un substrat mixte P-gp et SLC (ex : vérapamil), ce transport d’influx n’est visible à la BHE que lorsque la P-gp est neutralisée. Au contraire, à la BHR l’influx lié à cet SLC est visible naturellement. L’impact de la P-gp à la BHR étant 6.3-fois plus faible ce processus est probablement moins masqué. Cette étude illustre la difficulté actuelle de prédire l’impact fonctionnel d’un transporteur pour des substrats multi-spécifiques et l’existence d’une priorisation du transport. Enfin, nous avons essayé d’identifier l’antiport proton au niveau moléculaire par une méthode de photo-activation à l’aide d’un composé adapté. Cette méthode s’est avérée efficace pour fixer une molécule sur le transporteur, permettant par la suite de l’isoler plus facilement. En conclusion, ce travail a permis de mettre en évidence l’importance de l’antiport proton dans la distribution cérébrale de psychotropes et d’ouvrir de nouvelles perspectives dans l’addiction et la compréhension du transport de substrats multi-spécifiques. / The central nervous system is a privilege organ protected by histological barriers between the blood and the nervous tissue. The blood-brain barrier (BBB) and the blood-retinal barrier (BRB) separate cerebral parenchyma and retina from the circulating blood and both express tight junctions and membrane transporters, allowing a precise regulation of the exchanges between the blood and nervous tissues. We studied a new cationic transporter functionally evidenced at the mouse BBB. This molecularly unknown transporter belong to the solute carrier super family (SLC) and is a proton antiporter. It could constitute a new actor in the cerebral permeability and may be a new brain access pathway. First, we worked on the functional identification studying new substrates and new localization. Psychotropic brain transport was studied in vivo by brain in situ perfusion on mouse and in vitro with human immortalized endothelial cells (hCMEC/D3). We showed that cocaine brain entry depends on passive diffusion but also mainly on a proton antiporter. Brain entry rate of drugs of abuse is associated with modulation of addiction liability, making this transporter a new component of brain entry of cocaine, and also nicotine and some amphetamines such as ecstasy and MDPV. This proton antiporter appears to be a new potential target in addiction. Various chemical entities interact with this transporter; however concentrations used to inhibit the transporter are much higher than the one possibly found in the blood. In order to help find or design new selective and potent inhibitors, we developed a pharmacophore model of the proton antiporter inhibitors using in vitro data and the FLAPpharm approach. The model predicts well new possible inhibitors of this transporter. We also studied the impact of the ABC transporters and the proton antiporter at the BBB and the BRB using specific or multi-specific substrates such as verapamil. The proton antiporter is functionally expressed at the BRB and transports clonidine, DPH and verapamil. However, for the multi-specific (P-gp and SLC) compound verapamil, influx transport by the proton antiporter is visible at the BBB only when P-gp efflux is neutralized. On the contrary, at the BRB, the proton antiporter influx is always visible. This is certainly due to the lower impact (by 6.3 fold) of P-gp at the BRB compared to the BBB. These results show the difficulty to predict the functional impact of a transporter for multi-specific compounds and a probable transport prioritization. Finally we worked on the molecular identification of the proton antiporter using a photolabeling method. This work evidenced the importance of the proton antiporter in the brain distribution of psychotropic and drugs of abuse and opened toward new perspectives in addiction and transport comprehension.

Le système nerveux central est un organe privilégié et protégé, notamment grâce à l’existence des barrières histologiques entre le sang et les tissus nerveux. La barrière-hémato encéphalique (BHE) et la barrière hémato-rétinienne (BHR) séparent respectivement le parenchyme cérébral et la rétine des composés contenus dans l’espace vasculaire, grâce à l’expression de jonctions serrées et de transporteurs membranaires permettant une régulation spécifique des échanges entre le sang et le parenchyme nerveux. Ce travail a porté sur l’étude d’un nouveau transporteur de cations organiques mis en évidence fonctionnellement à la BHE de la souris. Ce transporteur appartenant très probablement à la superfamille des solute carrier (SLC), fonctionne comme un antiport proton. Actuellement, sa présence ne peut être démontrée que de façon fonctionnelle car son identité moléculaire est encore inconnue. Cet antiport proton constitue un nouvel acteur de la perméabilité cérébrale et ouvre une nouvelle voie d’accès au cerveau. Nous nous sommes tout d’abord attachés à approfondir les connaissances fonctionnelles de ce transporteur en étudiant de nouveaux substrats et tissus d’expression. Le transport cérébral de psychotropes a été étudié in vivo par la technique de perfusion carotidienne in situ chez la souris et in vitro grâce à une lignée de cellules endothéliales cérébrales humaines immortalisées (hCMEC/D3). Nous avons démontré que la haute perméabilité cérébrale de la cocaïne fait intervenir à la fois une diffusion passive et surtout une diffusion médiée par un antiport proton. La vitesse d’entrée des substances d’abus dans le cerveau est associée à un plus fort risque d’addiction et fait de ce transporteur un nouvel acteur critique de la régulation du passage cérébral. En effet, d’autres substances comme la nicotine et certaines amphétamines comme le MDPV et l'ecstasy sont également des substrats de cet antiport. Ce transporteur apparaît comme une cible pharmacologique potentielle dans la prise en charge de toxicomanies. Malgré la diversité chimique et pharmacologique d’interactions des composés avec cet antiport, les concentrations nécessaires pour l’inhiber dépassent celles retrouvées dans le sang. Pour aider l’identification d’inhibiteurs sélectifs et efficaces nous avons développé un modèle pharmacophorique d’inhibiteurs du transporteur à partir de données générées in vitro et de l’approche FLAPpharm. Ce modèle semble prédictif de nouveaux composés pouvant constituer de meilleurs inhibiteurs de ce transporteur. L’étude des échanges in vivo au niveau du tissu nerveux nous a menés à étudier l’impact de transporteurs ABC et de l’antiport-proton au niveau cérébral et rétinien à l’aide de substances spécifiques ou de substrats mixtes comme le vérapamil. L’antiport proton est fonctionnel au niveau de la BHR et transporte notamment la clonidine, le DPH et le vérapamil. Cependant, dans le cas d’un substrat mixte P-gp et SLC (ex : vérapamil), ce transport d’influx n’est visible à la BHE que lorsque la P-gp est neutralisée. Au contraire, à la BHR l’influx lié à cet SLC est visible naturellement. L’impact de la P-gp à la BHR étant 6.3-fois plus faible ce processus est probablement moins masqué. Cette étude illustre la difficulté actuelle de prédire l’impact fonctionnel d’un transporteur pour des substrats multi-spécifiques et l’existence d’une priorisation du transport. Enfin, nous avons essayé d’identifier l’antiport proton au niveau moléculaire par une méthode de photo-activation à l’aide d’un composé adapté. Cette méthode s’est avérée efficace pour fixer une molécule sur le transporteur, permettant par la suite de l’isoler plus facilement. En conclusion, ce travail a permis de mettre en évidence l’importance de l’antiport proton dans la distribution cérébrale de psychotropes et d’ouvrir de nouvelles perspectives dans l’addiction et la compréhension du transport de substrats multi-spécifiques. / The central nervous system is a privilege organ protected by histological barriers between the blood and the nervous tissue. The blood-brain barrier (BBB) and the blood-retinal barrier (BRB) separate cerebral parenchyma and retina from the circulating blood and both express tight junctions and membrane transporters, allowing a precise regulation of the exchanges between the blood and nervous tissues. We studied a new cationic transporter functionally evidenced at the mouse BBB. This molecularly unknown transporter belong to the solute carrier super family (SLC) and is a proton antiporter. It could constitute a new actor in the cerebral permeability and may be a new brain access pathway. First, we worked on the functional identification studying new substrates and new localization. Psychotropic brain transport was studied in vivo by brain in situ perfusion on mouse and in vitro with human immortalized endothelial cells (hCMEC/D3). We showed that cocaine brain entry depends on passive diffusion but also mainly on a proton antiporter. Brain entry rate of drugs of abuse is associated with modulation of addiction liability, making this transporter a new component of brain entry of cocaine, and also nicotine and some amphetamines such as ecstasy and MDPV. This proton antiporter appears to be a new potential target in addiction. Various chemical entities interact with this transporter; however concentrations used to inhibit the transporter are much higher than the one possibly found in the blood. In order to help find or design new selective and potent inhibitors, we developed a pharmacophore model of the proton antiporter inhibitors using in vitro data and the FLAPpharm approach. The model predicts well new possible inhibitors of this transporter. We also studied the impact of the ABC transporters and the proton antiporter at the BBB and the BRB using specific or multi-specific substrates such as verapamil. The proton antiporter is functionally expressed at the BRB and transports clonidine, DPH and verapamil. However, for the multi-specific (P-gp and SLC) compound verapamil, influx transport by the proton antiporter is visible at the BBB only when P-gp efflux is neutralized. On the contrary, at the BRB, the proton antiporter influx is always visible. This is certainly due to the lower impact (by 6.3 fold) of P-gp at the BRB compared to the BBB. These results show the difficulty to predict the functional impact of a transporter for multi-specific compounds and a probable transport prioritization. Finally we worked on the molecular identification of the proton antiporter using a photolabeling method. This work evidenced the importance of the proton antiporter in the brain distribution of psychotropic and drugs of abuse and opened toward new perspectives in addiction and transport comprehension.

Il est rapporté que la biodisponibilité orale de l’amoxicilline chez le porc est environ trois fois moindre que chez l’homme. Pour élucider les raisons de cette différence, la pharmacocinétique artérielle, veineuse porte et urinaire de cet antibiotique a été caractérisée à des doses intragastriques de 4 à 30 mg/kg et différents modèles compartimentaux physiologiques ont été conçus pour l’analyse des données. La biodisponibilité orale de l’amoxicilline est maximale à 4 mg/kg, avec une valeur moyenne de 52%. Les différences porto-systémiques de concentrations plasmatiques d’amoxicilline et la clairance urinaire ont permis de démontrer une augmentation de la clairance hépatique jusqu’à la dose de 30 mg/kg. Un modèle compartimental comprenant deux voies parallèles d’absorption (de type Michaelis- Menten d’accessibilité limitée dans le temps et d’ordre 1), deux compartiments de distribution (central et périphérique) deux voies d’élimination (excrétions urinaire et biliaire) est celui qui prédit le mieux les données observées. Ces résultats mettent en évidence le rôle prépondérant du transporteur saturable PepT1 dans l’absorption orale de l’amoxicilline administrée à faible dose, ainsi que l’importance croissante de l’absorption passive lors d’administration à forte dose. / It was reported that the oral bioavailability of amoxicillin in swine is about three times lower than in human beings. To elucidate the reasons for this difference, arterial, portal venous and urinary pharmacokinetics was documented at intragastric dose amounts ranging between 4 and 30 mg/kg, and several physiologic compartmental models were developed for data analysis. The maximum oral bioavailability of amoxicillin was recorded at 4mg/kg with a mean value of 52%. The portal-systemic plasma concentration differences of amoxicillin and its urinary clearance revealed an increase in hepatic clearance up to the 30 mg/kg dose. A compartmental model with two parallel absorption route (time-constrained Michaelis- Menten and first-order processes), two distribution compartments (central and peripheral) two elimination pathways (urinary and biliary excretions) best fitted the experimental data. These results highlight the paramount role of the PepT1 carriermediated, saturable absorption at low oral amoxicillin doses, as well as the increasing role of passive absorption at high doses.

La douleur post-opératoire chez les patients constitue un défi thérapeutique important pour les cliniciens. Le traitement de la douleur post-opératoire n’est pas accessoire ni optionnel, puisqu’il permet de donner un congé de l’hôpital plus rapide aux patients et ainsi, il contribue à des économies importantes pour notre système de santé. Parmi les approches thérapeutiques utilisées pour la prise en charge de la douleur post-opératoire, cette thèse s’intéresse particulièrement aux blocs de nerfs périphériques par les anesthésiques locaux et à l’administration de la néostigmine par voie épidurale. Ces médicaments sont utilisés en clinique sans avoir préalablement établi, en se basant sur leur propriétés pharmacocinétiques et pharmacodynamiques spécifiques, leurs doses optimales. Ces doses devraient également tenir en considération les particularités anatomiques du site d’injection par rapport au site d’action. Cette thèse inclut des études exploratoires qui ont contribué à caractériser la pharmacocinétique de la ropivacaïne et de la bupivacaïne ainsi que la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la néostigmine. La première étude portait sur seize patients subissant une chirurgie orthopédique avec un bloc combiné des nerfs fémoral et sciatique par la ropivacaïne (n=8) ou la bupivacaïne (n=8). C’était la première étude qui a inclu des temps d’échantillons pharmacocinétiques allant jusqu’à 32 h après le bloc et ces résultats ont démontré une variabilité interindividuelle considérable. La modélisation par approche de population a aidé à expliquer les sources de la variabilité et démontré que l’absorption systémique des anesthésiques locaux était très lente. De plus, les concentrations plasmatiques demeuraient mesurables, et dans certains cas présentaient un plateau, 32 h après le bloc. Dans les prochaines études, un échantillonnage allant jusqu’à 4 ou 5 jours sera nécessaire afin d’atteindre la fin de l’absorption. La deuxième étude a établi le développement d’un modèle animal en étudiant la pharmacocinétique de la ropivacaïne après administration intraveineuse ainsi que son degré de liaison aux protéines plasmatiques chez le lapin (n=6). Les résultats ont démontré que, chez le lapin la ropivacaïne est beaucoup moins liée aux protéines plasmatiques comparativement à l’humain. Ce résultat important sera utile pour planifier les prochaines études précliniques. La troisième étude a exploré, pour la première fois, la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la néostigmine administrée par voie épidurale et a essayé de caractériser la courbe dose-réponse en utilisant trois doses différentes : 0.5, 1 et 1.5 mg. Bien que les concentrations de la néostigmine dans le liquide céphalo-rachidien fussent très variables une relation inverse entre la consommation de mépéridine et la dose de néostigmine a été démontrée. La dose de 1.5 mg a donné une meilleure réponse pharmacodynamique sur la douleur, mais elle a été considérée comme dangereuse puisqu’elle a résulté en deux cas d’hypertension. Nous avons conclu que des doses plus faibles que 1.5 mg devront être utilisées lors de l’utilisation de la néostigmine par voie épidurale. En conclusion, les études rapportées dans cette thèse ont exploré les propriétés pharmacocinétiques et/ou pharmacodynamiques de certains médicaments utilisés pour le traitement de la douleur post-opératoire. Ceci mènera au but ultime qui est la meilleure prise en charge de la douleur post-opératoire chez les patients. / Post-operative pain in surgical patients remains a challenging problem for the clinicians. The treatment of post-operative pain is no longer an accessory or nice to have, since it can significantly shorten hospital stays and lead to important savings for our health system. Amongst the therapeutic approaches used in the management of post-operative pain, we will focus on peripheral nerve blocks with local anesthetics and epidural neostigmine. These drugs are currently used in the clinic, without the prior characterization of an optimal dose that took into consideration their specific pharmacokinetic and pharmacodynamic properties. Optimal doses will need to consider the specific regional anatomy of the site of drug administration with respect to the site of action. This thesis included exploratory studies that helped to characterize the pharmacokinetics of ropivacaine and bupivacaine as well as the pharmacokinetics and pharmacodynamics of neostigmine. The first study included sixteen patients undergoing orthopedic surgeries with a combined femoral and sciatic nerve blocks technique using ropivacaine (n=8) or bupivacaine (n=8). The study was the first to include pharmacokinetic sampling up to 32 h after the block and results have shown that large between subject variability was present. Population modeling helped to explain and separate the various sources of variability and showed that systemic absorption was very slow. In addition, plasma concentrations were still measurable, and in some cases, plateaued at 32 h after the block. Future studies should extend sampling times to 4 or 5 days after the block in order to wait for the completion of the absorption. The second study attempted to establish an animal model by studying the intravenous pharmacokinetics and protein binding of ropivacaine in the rabbit (n=6). Results have shown that ropivacaine is much less bound to plasma protein in rabbits as compared to humans. This important information will be useful in future preclinical and clinical research. The third study explored, for the first time, the pharmacokinetics and the pharmacodynamics of epidural neostigmine (n=15) and attempted to characterize the dose effect relationship by testing the following doses: 0.5, 1 and 1.5 mg. Although the CSF pharmacokinetics of neostigmine were variable, a relationship between dose and meperidine consumption could be shown. The dose of 1.5 mg resulted in a better pharmacodynamic response on pain but it was deemed unsafe since it led to hypertension in two patients. We conclude that doses below 1.5 mg should be used for an epidural block with neostigmine. In conclusion, this research work investigated the pharmacokinetic and/or the pharmacodynamic characteristics of some drugs used for the treatment of post-operative pain. The gathered information will be essential to be able to reliably characterize the pharmacokinetic-pharmacodynamic relationships. This will help in achieving the ultimate goal which is a better management of post operative pain in surgical patients.

Lorsque l’anesthésie par inhalation ne peut être utilisée chez le rat, la combinaison de kétamine et de xylazine est l’alternative la plus fréquemment utilisée. Les doses administrées peuvent varier selon le protocole expérimental. En présence de fièvre, d’infections ou de processus tumoral accompagné de fièvre, la pharmacocinétique de ces drogues peut être modifiée. Ce projet porte sur l’évaluation des changements physiologiques, hématologiques, biochimiques et pharmacocinétiques chez le rat Sprague Dawley lors d’anesthésie avec le mélange kétamine-xylazine suite à l’administration de trois doses différentes de lipopolysaccharide (LPS). Après l’administration de LPS, une anesthésie à la kétamine-xylazine fut induite chez des rats Sprague Dawley. Des prélèvements sanguins périodiques ainsi que des mesures des paramètres physiologiques furent effectués afin d’évaluer l’effet du LPS sur la pharmacocinétique des deux drogues ainsi que sur les paramètres biochimiques et hématologiques. Les différentes doses de LPS ont causé certaines modifications notamment en produisant une baisse marquée de la saturation en oxygène et de l’albumine sérique, une augmentation de la durée d’anesthésie ainsi que des lésions hépatiques mineures. Les paramètres pharmacocinétiques de la kétamine furent peu altérés par l’administration de LPS tandis qu’une diminution de la clairance et une augmentation de l’aire sous la courbe (AUC) furent observées pour la xylazine dans les groupes ayant reçu les doses moyenne et élevée de LPS. Ces résultats montrent que les doses de xylazine doivent être adaptées en présence de LPS pour permettre une anesthésie de courte durée et des changements physiologiques et biochimiques moindres lorsqu’elle est administrée avec de la kétamine. / When inhalation anesthesia cannot be used in laboratory rats, ketamine-xylazine combination is the most frequent alternate regimen. The administrated doses can vary according to the experimental protocol. During fever episodes, infections or tumoral process, the pharmacokinetics of these drugs can be modified. This project focuses on the evaluation of the physiological, hematological, biochemical and pharmacokinetics changes in Sprague Dawley rats during ketamine-xylazine anesthesia, after administration of three different doses of lipopolysaccharide (LPS). After administration of LPS to Sprague Dawley rats, ketamine-xylazine anesthesia was induced. Periodic blood samplings and monitoring of physiologic parameters were made in order to evaluate the effect of LPS on ketamine-xylazine pharmacokinetics and hematological and biochemical parameters. The different LPS doses caused specific parameter modifications including a marked decrease of oxygen blood saturation and serum albumin, a longer anesthesia duration and minor hepatic lesions. No significant modifications of pharmacokinetics parameters of ketamine were observed. An increase of area under curve (AUC) and a decrease of xylazine clearance were noted in groups who received medium and large doses of LPS. These results show that that xylazine doses need to be adapted in the presence of LPS, to allow a shorter duration anaesthesia and lesser physiological and biochemical changes when administered with ketamine.

L’immunosuppression optimale après greffe d’organe solide est une balance délicate et propre à chaque individu entre le risque de rejet et les risques liés à une surexposition au traitement immunosuppresseur. L’évaluation de la fonction résiduelle des lymphocytes T après stimulation par un mitogène (pharmacodynamie effective) devrait permettre de mesurer l’effet direct des médicaments immunosuppresseurs sur leur cible. Nous avons étudié différents paramètres de pharmacodynamie effective chez 34 receveurs pédiatriques de greffe d’organes solides traités par tacrolimus et mycophénolate. Les tests proposés dans ce travail sont adaptés au milieu pédiatrique et à une réalisation en temps réel. La quantification du CD25 parmi les CD4 activés par l’OKT3 permet de distinguer deux groupes de patients selon leur degré d’immunosuppression. L’âge médian est plus bas et la concentration plasmatique médiane en MPA plus élevée dans le groupe de patients plus fortement immunosupprimés. L’étude des paramètres immunologiques pouvant influencer la réponse (sécrétion des interleukines, proportion des sous-populations lymphocytaires CD4, CD8, T naïfs et Trég) ainsi que l’étude du pouvoir de restauration de la fonction lymphocytaire par l’Il-2, la guanosine ou la xanthosine, ne permettent pas de mieux comprendre les variabilités interindividuelles observées. Ces résultats devront être confirmés sur une cohorte plus grande de patients afin de juger de leur intérêt en pratique clinique. / Optimal immunosuppression following solid organ transplantation is unique to each individual and requires a balance between risks of rejection and overexposure to immunosuppressive therapy. The evaluation of residual function of T lymphocytes after mitogen stimulation (effective pharmacodynamic monitoring) should allow measurement of the direct effect of immunosuppressive drugs on their target. We studied various parameters of effective pharmacodynamic monitoring in 34 paediatric patients receiving solid organ transplants and treated with tacrolimus and mycophenolate (MPA). The tests proposed in this work are adapted to the paediatric setting in real time. Quantification of CD25 among CD4 cells activated by OKT3 can differentiate two groups of patients according to their degree of immunosuppression. Median values for age and MPA plasma concentration are lower and higher, respectively, in the patient group most heavily immunosuppressed. Neither study of the parameters that may influence the response (secretion of interleukins, proportion of lymphocyte subpopulations CD4, CD8, naive and regulatory T cells) nor study of the restoration of basal cell function brought about by Il2, guanosine or xanthosine, helped to explain the observed inter-individual variability. These results should be confirmed in a larger cohort of patients in order to test their relevance in clinical practice.

Le busulfan (Bu) est un composé clé de la phase de conditionnement chez les enfants subissant une transplantation des cellules souches hématopoïétiques (TCSH). Les différences inter-individuelles de la pharmacocinétique (PK) du Bu pourraient affecter son efficacité et sa toxicité. Le Bu est principalement métabolisé par la glutathion-S-transférase (GST). Nous avons étudié la relation des génotypes GSTA1, GSTM1 et GSTP1 avec la PK de la première dose de Bu et la relation avec les résultats de la TCSH chez 69 enfants recevant un régime de conditionnement myéloablatif. Le génotype GSTM1 nul a corrélé avec une exposition élevée du Bu et une faible clairance (CL) chez les patients âgés de 4 ans (p ≤ 0,04). Dans le respect du rôle fonctionnel suggéré d’haplotype GSTA1 *A2, il a été associé à des niveaux plus faibles de médicaments et des niveaux élevés de CL (p ≤ 0,03). L’effet Gène-dose a également été observé (p = ≤ 0,007). L’haplotype de GSTA1 était associé avec les résultats de la TCSH. Les porteurs de deux copies d’haplotype *A2 avaient une meilleure survie sans événement (p = 0,03). En revanche, les individus homozygotes pour haplotypes * B et *B1 ont un risque plus élevé d’atteindre la maladie veino-occlusive (MVO) (p = 0,009). Les individus porteurs de GSTM1 nul âgés de 4 ans possèdent un risque plus fréquent d’avoir la maladie du greffon contre l'hôte (GvHD) (p = 0,03). En conclusion, nous avons montré que les variantes génétiques de GST influencent la PK du BU et les résultats de la TCSH chez les enfants. Pour l'ajustement de la posologie, un modèle avec l'inclusion des facteurs génétiques et non génétiques devrait être évalué et validé dans une étude prospective. / Busulfan (Bu) is a key compound of conditioning regimen in children undergoing hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). Inter-individual differences in Bu pharmacokinetics might affect Bu efficacy and toxicity. Since Bu is mainly metabolized by glutathione S-transferase (GST), we investigated the relationship between GSTA1, GSTM1 and GSTP1 genotypes with first-dose Bu pharmacokinetics (PK), and relationship with HSCT outcomes in 69 children receiving myeloablative conditioning regimen. GSTM1 null genotype correlated with higher Bu exposure and lower clearance in patients older than 4 years (p≤0.04). In accordance with the suggested functional role GSTA1*A2 haplotype was associated with lower drug levels and higher drug clearance (p≤0.03). Gene-dosage effect was also observed (p=≤0.007). GSTA1 haplotypes were associated with HSCT outcomes Patients with two copies of haplotype *A2 had better event free survival (p=0.03). In contrast, homozygous individuals for haplotypes *B and *B1 had higher occurrence of veno-occlusive disease (p=0.009). GSTM1 null individuals older than 4 years had more frequently graft versus host disease (p=0.03). In conclusion, we showed that GST gene variants influence Bu PK and outcomes of HSCT in children. A model for the dosage adjustment with the inclusion of genetic and non-genetic factors should be evaluated in a future prospective validation cohort.