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.

Ce travail de thèse porte sur l’application de la pharmacocinétique de population dans le but d’optimiser l’utilisation de certains médicaments chez les enfants immunosupprimés et subissant une greffe. Parmi les différents médicaments utilisés chez les enfants immunosupprimés, l’utilisation du busulfan, du tacrolimus et du voriconazole reste problématique, notamment à cause d’une très grande variabilité interindividuelle de leur pharmacocinétique rendant nécessaire l’individualisation des doses par le suivi thérapeutique pharmacologique. De plus, ces médicaments n’ont pas fait l’objet d’études chez les enfants et les doses sont adaptées à partir des adultes. Cette dernière pratique ne prend pas en compte les particularités pharmacologiques qui caractérisent l’enfant tout au long de son développement et rend illusoire l’extrapolation aux enfants des données acquises chez les adultes. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ont étudié successivement la pharmacocinétique du busulfan, du voriconazole et du tacrolimus par une approche de population en une étape (modèles non-linéaires à effets mixtes). Ces modèles ont permis d’identifier les principales sources de variabilités interindividuelles sur les paramètres pharmacocinétiques. Les covariables identifiées sont la surface corporelle et le poids. Ces résultats confirment l’importance de tenir en compte l’effet de la croissance en pédiatrie. Ces paramètres ont été inclus de façon allométrique dans les modèles. Cette approche permet de séparer l’effet de la mesure anthropométrique d’autres covariables et permet la comparaison des paramètres pharmacocinétiques en pédiatrie avec ceux des adultes. La prise en compte de ces covariables explicatives devrait permettre d’améliorer la prise en charge a priori des patients. Ces modèles développés ont été évalués pour confirmer leur stabilité, leur performance de simulation et leur capacité à répondre aux objectifs initiaux de la modélisation. Dans le cas du busulfan, le modèle validé a été utilisé pour proposer par simulation une posologie qui améliorerait l’atteinte de l’exposition cible, diminuerait l’échec thérapeutique et les risques de toxicité. Le modèle développé pour le voriconazole, a permis de confirmer la grande variabilité interindividuelle dans sa pharmacocinétique chez les enfants immunosupprimés. Le nombre limité de patients n’a pas permis d’identifier des covariables expliquant cette variabilité. Sur la base du modèle de pharmacocinétique de population du tacrolimus, un estimateur Bayesien a été mis au point, qui est le premier dans cette population de transplantés hépatiques pédiatriques. Cet estimateur permet de prédire les paramètres pharmacocinétiques et l’exposition individuelle au tacrolimus sur la base d’un nombre limité de prélèvements. En conclusion, les travaux de cette thèse ont permis d’appliquer la pharmacocinétique de population en pédiatrie pour explorer les caractéristiques propres à cette population, de décrire la variabilité pharmacocinétique des médicaments utilisés chez les enfants immunosupprimés, en vue de l’individualisation du traitement. Les outils pharmacocinétiques développés s’inscrivent dans une démarche visant à diminuer le taux d'échec thérapeutique et l’incidence des effets indésirables ou toxiques chez les enfants immunosupprimés suite à une transplantation. / This thesis deals with the application of population pharmacokinetics in order to optimize the use of certain medications in immunocompromised children undergoing transplantation. Among the various drugs used in immunocompromised children, the use of busulfan, tacrolimus and voriconazole remains problematic, particularly because of high interindividual variability in their pharmacokinetics necessitating individualized doses based on therapeutic drug monitoring. In addition, these drugs have not been studied in children and the doses are adapted from adults. This practice does not take into account the pharmacological characteristics of pediatrics throughout their development and makes illusory the extrapolation of data acquired in adults to children. The work done in this thesis studied sequentially the pharmacokinetics of busulfan, voriconazole and tacrolimus by a population approach (non-linear mixed effects models). The developed models have identified the main sources of interindividual variability in the pharmacokinetic parameters of these drugs. The identified covariates are body surface area and weight. These results confirm the importance of taking into account the effect of growth in children. These parameters were allometrically included in the models. This approach allows separating the effect of size from other covariates and enables the comparison of pediatric pharmacokinetic parameters with those of adults. The inclusion of these explanatory covariates should improve the management a priori of patients. The developed models were evaluated to confirm their stability, performance, and their ability to answer the original objectives of modeling. In the case of busulfan, the validated model was used to simulate dosing regimens that improve reaching the target exposure, reduce treatment failure and toxicity episodes. The developed population pharmacokinetic model for voriconazole confirmed the large variability in its pharmacokinetics in immunocompromised children. The limited data did not allow identification of covariates explaining this variability. Based on the population pharmacokinetic model of tacrolimus, a Bayesian estimator was developed, which is the first in this population of pediatric liver transplant recipients. This estimator can predict pharmacokinetic parameters and individual exposure to tacrolimus based on a limited number of samples. In conclusion, this thesis allowed applying the population pharmacokinetics approach in pediatrics to explore the characteristics of this population and describe the pharmacokinetic variability of drugs used in immunocompromised children, for the individualization of treatment. Pharmacokinetic tools developed are part of efforts to decrease the rate of treatment failure and the incidence of adverse and toxic events in immunocompromised and transplanted pediatrics.

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.