京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(薬科学) / 乙第13334号 / 論薬科博第3号 / 新制||薬科||13(附属図書館) / (主査)教授 松原 和夫, 教授 山下 富義, 教授 髙倉 喜信 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Pharmaceutical Sciences / Kyoto University / DFAM

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

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Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a metabolic disorder characterized by consistently high blood glucose, resulting from a combination of insulin resistance and reduced capacity of β-cells to secret insulin. While the exact causes of T2DM is yet unknown, obesity is known to be a major risk factor as well as co-morbidity for T2DM. As the global prevalence of obesity continues to increase, the association between obesity and T2DM warrants further study. Traditionally, mathematical models to study T2DM were mostly empirical and thus fail to capture the dynamic relationship between glucose and insulin. More recently, mechanism-based population models to describe glucose-insulin homeostasis with a physiological basis were proposed and offered a substantial improvement over existing empirical models in terms of predictive ability. The primary objectives of this thesis are (i) examining the predictive usefulness of semi-mechanistic models in T2DM by applying an existing population model to clinical data, and (ii) exploring the relationship between obesity and T2DM and describe it mathematically in a novel semi-mechanistic model to explain changes to the glucose-insulin homeostasis and disease progression of T2DM. Through the use of non-linear mixed effects modelling, the primary mechanism of action of an antidiabetic drug has been correctly identified using the integrated glucose-insulin model, reinforcing the predictive potential of semi-mechanistic models in T2DM. A novel semi-mechanistic model has been developed that incorporated a relationship between weight change and insulin sensitivity to describe glucose, insulin and glycated hemoglobin simultaneously in a clinical setting. This model was also successfully adapted in a pre-clinical setting and was able to describe the pathogenesis of T2DM in rats, transitioning from healthy to severely diabetic. This work has shown that a previously unutilized biomarker was found to be significant in affecting glucose homeostasis and disease progression in T2DM, and that pharmacometric models accounting for the effects of obesity in T2DM would offer a more complete physiological understanding of the disease.

Tuberculosis is an ancient infectious disease and a leading cause of death globally. Preclinical research is important for defining drugs and regimens which should be carried forward to human studies. This thesis aims to characterize the population pharmacokinetics and exposure-response relationships of anti-tubercular drugs alone and in combinations, and to suggest experimental designs for preclinical settings. The population pharmacokinetics of rifampicin, isoniazid, ethambutol and pyrazinamide were described for the first time in two mouse models. This allowed for linking the population pharmacokinetic model to the Multistate Tuberculosis Pharmacometric (MTP) model for biomarker response, which was used to characterize exposure-response relationships in monotherapy. Pharmacodynamic interactions in combination therapies were quantitatively described by linking the MTP model to the General Pharmacodynamic Interaction (GPDI) model, which provided estimates of single drug effects together with a quantitative model-based evaluation framework for evaluation of pharmacodynamic interactions among drugs in combinations. Synergism (more than expected additivity) was characterized between rifampicin and ethambutol, while antagonism (less than expected additivity) was characterized between rifampicin and isoniazid in combination therapies. The new single-dose pharmacokinetic design with enrichened individual sampling was more informative than the original design, in which only one sample was taken from each mouse in the pharmacokinetic studies. The new oral zipper design allows for informative pharmacokinetic sampling in a multiple-dose administration scenario for characterizing pharmacokinetic-pharmacodynamic relationships, with similar or lower bias and imprecision in parameter estimates and with a decreased total number of animals required by up to 7-fold compared to the original design. The optimized design for assessing pharmacodynamic interactions in the combination therapies, which was based on EC20, EC50 and EC80 of the single drug, provided lower bias and imprecision than a conventional reduced four-by-four microdilution checkerboard design at the same total number of samples required, which followed the 3Rs of animal welfare. In summary, in this thesis the population pharmacokinetic-pharmacodynamic models of first-line drugs in mice were characterized through linking each population pharmacokinetic model to the MTP model. Pharmacodynamic interactions were quantitatively illustrated by the MTP-GPDI model. Lastly, experimental designs were optimized and recommended to both pharmacokinetic and pharmacodynamic studies for preclinical settings.

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point. / Dose-limitation or interruption of chemotherapeutic treatment is most often prompted by a decrease in circulating neutrophils, the most abundant white blood cell in the human body. Myelosuppression, or a reduction in absolute neutrophil counts (ANCs) by anti-cancer treatments, is precipitated by the nonspecific killing effect of chemotherapeutic drugs which have toxic effects on noncancerous cells. To mitigate this myelosuppressive effect, patients are frequently administered recombinant human granulocyte colony-stimulating factor (rhG-CSF), an exogenous form of the cytokine G-CSF, which stimulates neutrophil production and release into the blood stream. While the benefits of adjuvant treatment rhG-CSF during chemotherapy are well recognised, the protocols with which it is administered are not well defined and are frequently determined ad libitum by clinicians. To quantify and address the optimisation of the administration of rhG-CSF during chemotherapeutic treatment, we developed a physiological model of granulopoiesis which incorporates the contemporary understanding of the production of neutrophils from the hematopoietic stem cells in the bone marrow. To this physiological model, we incorporated mechanistic pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) models of two drugs, PM00104 (Zalypsis), a chemotherapeutic drug, and rhG-CSF (filgrastim). Through exhaustive parameter estimation using first principles and no data fitting, we successfully predicted clinical data from 172 patients for an average patient undergoing the CHOP14 protocol (6 cycles of 14-day periodic chemotherapy with rhG-CSF administered on days 4-13 post-chemotherapy). We then demonstrated that delaying the administration of rhG-CSF to 6 or 7 days post-chemotherapy allowed for a reduction in the number of filgrastim administrations from ten to four or even three while maintaining or improving the neutrophil nadir. We also investigated the effects of PK variability on the model's predictions by incorporating population PK (PopPK) models of both drugs. Using five different variability scenarios and cohorts of 500 in silico patients per scenario, we established that there are no statistically significant differences between a typical patient and the population in the model's predictions with respect to three crucial clinical endpoints, namely the time to ANC nadir, the ANC nadir, and the area under the concentration-effect curve. The model's robustness to PK variability allows for the scaling up from the individual to population level. Motivated by the use of rhG-CSF in other disease-states, namely periodic pathologies like cyclical neutropenia, we next endeavoured to contextualise the model within dynamic diseases. By bringing to light that the cytokine paradigm is broken when exogenous cytokine mimetics are administered, we developed a novel physiological PK model for G-CSF incorporating both unbound and bound concentrations. The updated PK model prompted changes to the PD model since we could now track the concentrations of bound G-CSF. We showed that the mass-action equilibrium hypopthesis for bound and unbound drugs is not valid and led to overestimations of the renal clearance of G-CSF. We also successfully reproduced clinical data in a variety of settings (exogenous G-CSF alone, PM00104 alone, CHOP14 protocol) and clarified the mechanisms underlying the body's response to both drugs. Lastly, we discussed the potential of quantitative systems pharmacology in both drug development and translational medicine by using the physiological PK/PD model we developed.

With approximately nine million new cases and the attributable cause of death of an estimated two millions people every year there is an urgent need for new and effective drugs and treatment regimens targeting tuberculosis. The tuberculosis drug development pathway is however not ideal, containing non-predictive model systems and unanswered questions that may increase the risk of failure during late-phase drug development. The aim of this thesis was hence to develop pharmacometric tools in order to optimize the development of new anti-tuberculosis drugs and treatment regimens. The General Pulmonary Distribution model was developed allowing for prediction of both rate and extent of distribution from plasma to pulmonary tissue. A distribution characterization that is of high importance as most current used anti-tuberculosis drugs were introduced into clinical use without considering the pharmacokinetic properties influencing drug distribution to the site of action. The developed optimized bronchoalveolar lavage sampling design provides a simplistic but informative approach to gathering of the data needed to allow for a model based characterization of both rate and extent of pulmonary distribution using as little as one sample per subject. The developed Multistate Tuberculosis Pharmacometric model provides predictions over time for a fast-, slow- and non-multiplying bacterial state with and without drug effect. The Multistate Tuberculosis Pharmacometric model was further used to quantify the in vitro growth of different strains of Mycobacterium tuberculosis and the exposure-response relationships of three first line anti-tuberculosis drugs. The General Pharmacodynamic Interaction model was successfully used to characterize the pharmacodynamic interactions of three first line anti-tuberculosis drugs, showing the possibility of distinguishing drug A’s interaction with drug B from drug B’s interaction with drug A. The successful separation of all three drugs effect on each other is a necessity for future work focusing on optimizing the selection of anti-tuberculosis combination regimens. With a focus on pharmacokinetics and pharmacodynamics, the work included in this thesis provides multiple new methods and approaches that individually, but maybe more important the combination of, has the potential to inform development of new but also to provide additional information of the existing anti-tuberculosis drugs and drug regimen.

O carvedilol é um fármaco utilizado na terapêutica da hipertensão e da insuficiência cardíaca congestiva. É disponível para uso clínico como racemato e seus enantiômeros apresentam atividade semelhante sobre os receptores 1-adrenérgicos, sendo que o enantiômero S-(-) é mais ativo como antagonista dos receptores adrenérgicos. O presente estudo visa investigar a influência do Diabetes mellitus (DM) tipo 2 e da insuficiência renal crônica (IRC) em pacientes em diálise peritoneal ambulatorial contínua (DPAC) na farmacocinética enantiosseletiva e na farmacodinâmica do carvedilol em pacientes hipertensos. Os pacientes hipertensos investigados divididos nos grupos controle (n=8), DM tipo 2 (n=8) e IRC em DPAC (n=6) receberam dose única p.o. de 25 mg de carvedilol racêmico. Os enantiômeros do carvedilol e metabólitos 4-hidroxifenil e O-desmetilcarvedilol foram analisados no sistema LC-MS/MS empregando coluna quiral e fase móvel constituída por mistura de metanol: ácido acético: dietilamina. O método foi linear no intervalo de concentrações de 0,1-100 ng de cada enantiômero do carvedilol/mL de líquido de diálise, 0,2-200 ng de cada enantiômero do carvedilol/mL de plasma, 2,5-2500 ng de cada enantiômero do carvedilol, 4-hidroxifenil e O-desmetilcarvedilol/mL de urina. Os parâmetros farmacocinéticos foram calculados empregando o programa WinNonlin. O teste de Wilcoxon foi usado para avaliar as razões enantioméricas dentro dos grupos e o teste de Mann-Whitney foi utilizado para avaliar as diferença dos parâmetros farmacocinéticos entre os grupos. Na investigação do fenótipo oxidativo tipo metoprolol todos os pacientes incluídos no estudo foram fenotipados como metabolizadores extensivos. Os pacientes investigados com DM tipo 2 comparados com o grupo controle não apresentaram alterações na farmacocinética e farmacodinâmica (PK-PD) do carvedilol. Os pacientes com IRC em DPAC apresentaram valores de clearance (CL/F) dos enantiômeros R-(+) - e S-(-)-carvedilol de 25,17 e 27,89 L/h, respectivamente, sendo significativamente inferiores aos obtidos para os pacientes do grupo controle (76,76 e 142,0 L/h). As razões de AUCR/S foram de 2,27 para os pacientes do grupo controle e de 0,97 para os pacientes com IRC em DPAC. Os pacientes com IRC em DPAC não mostraram enantiosseletividade na farmacocinética do carvedilol em razão do acúmulo plasmático preferencial do enantiômero com atividade -bloqueadora S-(-)-carvedilol. / Carvedilol is used for the treatment of hypertension and congestive heart failure. The drug is available for clinical use as the racemate and its enantiomers exert similar activity on 1-adrenergic receptors, whereas the S-(-) enantiomer is more active as a -adrenergic receptor antagonist. The aim of the present study was to investigate the influence of type 2 Diabetes mellitus (DM) and chronic renal failure (CRF) on patients receiving continuous ambulatory peritoneal dialysis (CAPD) on the enantioselective pharmacokinetics and pharmacodynamics of carvedilol in hypertensive patients. The hypertensive patients were divided into a control (n=8), type 2 DM (n=8) and CRF on CAPD (n=6) group and received a single oral dose of 25 mg racemic carvedilol. The enantiomers of carvedilol and of the metabolites 4-hydroxyphenyl and O-desmethylcarvedilol were analyzed by LC-MS/MS using a chiral column and a mobile phase consisting of a mixture of methanol:acetic acid-diethylamine. The method was linear within the following concentration ranges: 0.1-100 ng of each carvedilol enantiomer/mL dialysis fluid, 0.2-200 ng of each carvedilol enantiomer/mL plasma, and 2.5-2500 ng of each enantiomer of carvedilol, 4-hydroxyphenyl carvedilol and O-desmethyl carvedilol/mL urine. The pharmacokinetic parameters were calculated using the WinNonlin program. Enantiomer ratios within groups were evaluated by the Wilcoxon test and the Mann-Whitney test was used to determine differences in the pharmacokinetic parameters between groups. Determination of the metoprolol type oxidation phenotype showed that all patients included in the study were extensive metabolizers. Patients with type 2 DM presented no changes in the pharmacokinetics or pharmacodynamics of carvedilol when compared to the control group. Clearance (CL/F) of the R-(+)- and S-(-)-carvedilol enantiomers was significantly lower in patients with CRF on CAPD (25.17 and 27.89 L/h, respectively) compared to the control group (76.76 and 142.0 L/h). The AUCR/S ratios were 2.27 for control patients and 0.97 for patients with CRF on CAPD. Patients with CRF on CAPD showed no enantioselectivity in the pharmacokinetics of carvedilol due to the preferential plasma accumulation of the enantiomer with -blocker activity, S-(-)-carvedilol.

Personnaliser les traitements anticancéreux sur base moléculaire consiste à optimiser la thérapie en fonction des profils d'expression de gènes des cellules saines et tumorales du patient. Les différences au niveau moléculaire entre tissus normaux et cancéreux sont exploitées afin de maximiser l'efficacité du traitement et minimiser sa toxicité. Cette thèse propose une approche pluridisciplinaire expérimentale et mathématique ayant pur but la détermination de stratégies anticancéreuses optimales sur base moléculaire. Cette approche est, tout d'abord, mise en œuvre pour la personnalisation de la chronothérapeutique des cancers, puis pour l'optimisation de la thérapie anticancéreuse dans le cas d'une mutation de l'oncogène SRC. La plupart des fonctions physiologiques chez les mammifères présentent une rythmicité circadienne, c'est-à-dire de période environ égale à 24 h. C'est par exemple le cas de l'alternance activité-repos, de la température corporelle, et de la concentration intracellulaire d'enzymes du métabolisme. Ces rythmes ont pour conséquence une variation de la toxicité et de l'efficacité d'un grand nombre de médicaments anticancéreux selon leur heure circadienne d'administration. De récentes études soulignent la nécessité d'adapter les schémas d'injection chronomodulés au profil moléculaire du patient. La première partie de cette thèse propose une approche combinée expérimentale et modélisatrice pour personnaliser sur base moléculaire la chronothérapie. La première étape a consisté en une preuve de concept impliquant des expérimentations in vitro sur cultures de cellules humaines et des travaux de modélisation in silico. Nous nous sommes focalisés sur l'étude de l'irinotecan (CPT11), un médicament anticancéreux actuellement utilisé en clinique dans le traitement des cancers colorectaux, et présentant des rythmes de chronotoxicité et de chronoefficacité chez la souris et chez l'homme. Sa pharmacocinétique (PK) et pharmacodynamie (PD) moléculaires ont été étudiées dans la lignée de cellules d'adénocarcinome colorectal humain Caco-2. Un modèle mathématique de la PK-PD moléculaire du CPT11, à base d'équations différentielles ordinaires, a été conçu. Il a guidé l'expérimentation qui a été réalisée dans le but de d'évaluer les paramètres du modèle. L'utilisation de procédures d'optimisation, appliquées au modèle calibré aux données biologiques, a permis la conception de schéma d'exposition au CPT11 théoriquement optimaux dans le cas particulier des cellules Caco-2. Le CPT11 s'est accumulé dans les cellules Caco-2 où il a été biotransformé en son métabolite actif le SN38, sous l'action des carboxylestérases (CES). La pré-incubation des cellules avec du verapamil, un inhibiteur non spécifique des transporteurs ABC (ATP-Binding Cassette) a permis la mise en évidence du rôle de ces pompes d'efflux ABC dans le transport du CPT11. Après synchronisation des cellules par choc sérique, qui définit le temps circadien (CT) 0, des rythmes circadiens d'une période de 26 h 50 (SD 63 min) ont été mis en évidence pour l'expression de trois gènes de l'horloge circadienne: REV-ERBα, PER2, et BMAL1; et six gènes de la pharmacologie du CPT11: la cible du médicament la topoisomerase 1 (TOP1), l'enzyme d'activation CES2, l'enzyme de désactivation UGT1A1, et les quatre transporteurs ABCB1, ABCC1, ABCC2, ABCG2. Au contraire, l'expression protéique et l'activité de la TOP1 sont restées constantes. Enfin, la quantité de TOP1 liée à l'ADN en présence de CPT11, un marqueur de la PD du médicament, a été plus importante pour une exposition à CT14 (47±5.2% de la quantité totale de TOP1), que pour une exposition à CT28 (35.5±1.8%). Les paramètres du modèle mathématique de la PK-PD du CPT11 ont ensuite été estimés par une approche de bootstrap, en utilisant des résultats expérimentaux obtenus sur les cellules Caco-2, combinés aux données de la littérature. Ensuite, des algorithmes d'optimisation ont été utilisés pour concevoir les schémas d'exposition théoriquement optimaux des cellules Caco-2 à l'irinotecan. Les cellules synchronisées par un choc sérique ont été considérées comme les cellules saines et les cellules non-synchronisées ont joué le rôle de cellules cancéreuses puisque l'organisation circadienne est souvent perturbée dans les tissus tumoraux. La stratégie thérapeutique optimale a été définie comme celle qui maximise l'efficacité sur les cellules cancéreuses, sous une contrainte de toxicité maximale sur les cellules saines. Les schémas d'administration considérés ont pris la forme d'une exposition à une concentration donnée de CPT11, débutant à un CT particulier, sur une durée comprise entre 0 et 27 h. Les simulations numériques prédisent que toute dose de CPT11 devrait être optimalement administrée sur une durée de 3h40 à 7h10, débutant entre CT2h10 et CT2h30, un intervalle de temps correspondant à 1h30 à 1h50 avant le minimum des rythmes de bioactivation du CPT11 par les CES. Une interprétation clinique peut être établie en ramenant à 24 h ces résultats pour les cellules Caco-2 qui présentent une période de 27 h. Ainsi, une administration optimale du CPT11 chez le patient cancéreux résulterait en une présence du médicament dans le sang pendant 3h30 à 6h30, débutant de 1h30 à 1h40 avant le minimum des rythmes d'activité des CES chez le patient. La deuxième étape de nos travaux a consisté à adapter l'approche mise en œuvre pour optimiser l'exposition des cellules Caco-2 au CPT11, pour l'optimisation de l'administration du médicament chez la souris. Des études récentes mettent en évidence trois classes de chronotoxicité à l'irinotecan chez la souris. La classe 1, les souris de la lignée B6D2F1 femelles, présentent la pire tolérabilité au CPT11 après une administration à ZT3, et la meilleure pour une administration à ZT15, où ZT est le temps de Zeitgeber, ZT0 définissant le début de la phase de lumière. La classe 2, les souris B6D2F1 mâles, montrent une pire heure d'administration à ZT23 et une meilleure à ZT11. Enfin, la classe 3, les B6CBAF1 femelles présentent la pire tolérabilité pour une injection à ZT7, et la meilleure pour ZT15. Nous avons entrepris une approche pluridisciplinaire in vivo et in silico dont le but est la caractérisation moléculaire des trois classes de chronotoxicité, ainsi que la conception de schémas optimaux d'administration pour chacune d'elles. Le modèle mathématique mis au point pour une population de cellules en culture a été adapté pour la construction d'un modèle "corps entier" à base physiologique de la PK-PD de l'irinotecan. Un ensemble de paramètres a été estimé pour la classe 2, en utilisant deux sortes de résultats expérimentaux: d'une part, les concentrations sanguines et tissulaires (foie, colon, moelle osseuse, tumeur) du CPT11 administré aux pire et meilleure heures circadiennes de tolérabilité, et d'autre part, les variations circadiennes des protéines de la pharmacologie du médicament dans le foie et l'intestin. Le modèle ainsi calibré reproduit de façon satisfaisante les données biologiques. Cette étude est en cours pour les classes 1 et 3. Une fois les ensembles de paramètres validés pour chacune des trois classes, ils seront comparés entre eux pour mettre en évidence de possibles différences moléculaires. L'étape suivante consiste en l'application d'algorithmes d'optimisation sur le modèle corps entier pour définir des schémas d'administration chronomodulés optimaux pour chaque classe. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à l'étude de la tyrosine kinase SRC, dont l'expression est dérégulée dans de nombreux cancers. Des études récentes montrent un contrôle de SRC sur la voie mitochondriale de l'apoptose dans des fibroblastes de souris NIH-3T3 transfectés avec l'oncogène v-src, cette régulation étant inexistante dans les cellules parentales. L'oncogène SRC active la voie RAS / RAK / MEK1/2 / ERK1/2 qui augmente la vitesse de phosphorylation de la protéine pro-apoptotique BIK, menant ainsi à sa dégradation par le protéasome. La faible expression de BIK résultant de ce mécanisme rendrait ainsi les cellules v-src résistantes à la plupart des stress apoptotiques. Notre étude a consisté à déterminer, par une approche combinée mathématique et expérimentale, les stratégies thérapeutiques optimales lorsque les cellules NIH-3T3 parentales jouent le rôle de cellules saines, et les fibroblastes transformés celui de cellules cancéreuses. Pour cela, nous avons, tout d'abord, construit un modèle mathématique de la cinétique de BIK en conditions non-apoptotiques. L'estimation des paramètres de ce modèle, en utilisant des données expérimentales existantes, confirme que la phosphorylation de BIK sous le contrôle de SRC est inactive dans les cellules normales. L'étude exprimentale de l'évolution de BIK après le signal apoptotique que constitue une exposition à la staurosporine, démontre une relocalisation de BIK aux mitochondries, la concentration totale de la protéine restant constante durant le stress. Nous avons ensuite conçu un modèle mathématique de la voie mitochondriale de l'apoptose mettant en jeu les protéines anti-apoptotiques de type Bcl2, les protéines effectrices de type BAX, les protéines BH3-only activatrices et les BH3-only sensibilisatrices. Un ensemble de paramètres a été déterminé pour les cellules NIH-3T3 parentales, et celles transformées v-src, en comparant le modèle aux données expérimentales. Le modèle reproduit le fait expérimentalement démontré que la préincubation des cellules v-src avec un inhibiteur de la tyrosine kinase SRC, avant l'exposition à la staurosporine, annihile la résistance des fibroblastes transformés au stress apoptotique. Le modèle prédit que l'administration de l'ABT-737, un inhibiteur de protéines anti-apoptotiques, avant l'exposition à la staurosporine, ne devrait pas être entreprise dans notre systéme biologique, ce qui a été expérimentalement validé. Enfin, le modèle a été utilisé dans des procédures d'optimisation pour déterminer la stratégie thérapeutique théoriquement optimale, lorsque les cellules normales et transformées sont exposées aux mêmes médicaments. Les combinaisons médicamenteuses considérées consiste en une exposition à la staurosporine, précédée d'une exposition à des répresseurs ou activateurs d'expression des protéines de la famille Bcl2. La stratégie optimale est définie comme celle qui maximise le pourcentage de cellules apoptotiques dans les fibroblastes v-src, sous la contrainte que celui dans les cellules normales reste au-dessous d'un seuil de tolérabilité. Les simulations numériques nous permettent de conclure à une combinaison médicamenteuse optimale constituée d'une exposition à la staurosporine, précédée d'une exposition à un répresseur de l'expression de BAX (de manière à diminuer sa concentration en-dessous du seuil apoptotique dans les cellules normales, mais pas dans les cellules cancéreuses), combinée à un répresseur de BCL2 ou un inhibiteur de tyrosines kinases SRC. Cette stratégie optimale aboutit à moins d'1% de cellules apoptotiques dans les cellules saines et plus de 98% dans les cellules cancéreuses. / Personalizing anticancer treatment on molecular basis consists in optimizing the therapy according to the gene expression profiles of healthy and cancer cells of the patient. The molecular differences between normal and tumor tissues are exploited in order to maximize the treatment efficacy and minimize its toxicities. This PhD thesis presents a combined mathematical and experimental approach to optimize anticancer therapeutic strategies on molecular basis. This approach has been undertaken at first for the personalization of cancer chronotherapeutics, and secondly for the optimization of anticancer therapy in the case of mutated SRC oncogene. Most of the physiological functions in mammals display rhythms of period around 24, also called circadian rhythms. For instance, rest-activity rhythm, core temperature, or intracellular concentrations of metabolic enzymes show variations over the 24 h span. Those rhythms result in variations in the toxicity and efficacy of many anticancer drug with respect to their circadian time of administration. Recent studies highlight the need for chronomodulated injection scheme which would be tailored to the patient's molecular profile. Thus the first sections of this thesis propose a combined experimental and mathematical approach for personalizing cancer chronotherapeutics on molecular basis. The first step consisted in a proof of concept which involved in vitro experiments on human cell culture and in silico mathematical modeling. We focused on the anticancer drug irinotecan (CPT11), which is currently used in the treatment of colorectal cancer and displays chronotoxicity and chronoefficacy rhythms both in mice and in cancer patients. Its molecular pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD) were studied in human colorectal adenocarcinoma Caco-2 cells. An ODE-based mathematical model of its PK-PD was built. It guided the design of experiments which were performed in order to estimate parameter values of the model. Optimization procedures were then applied to this data-calibrated model in order to compute theoretically optimal exposure schemes for the Caco-2 cell line. CPT11 accumulated in Caco-2 cells where it was bioactivated into SN38 under the catalytic activity of carboxylesterases (CES). The pre-incubation of cells with verapamil, a non-specific inhibitor of ATP-Binding Cassette (ABC) transporters, increased CPT11 intracellular accumulation, thus demonstrating the involvement of those efflux pumps in CPT11 transport. After cell synchronization by a seric shock which defines the circadian time (CT) 0, circadian rhythm of period 26 h 50 (SD 63 min) were observed for the expression of the three clock genes REV-ERBα, PER2, and BMAL1; and of six metabolic genes: the drug target topoisomerase 1 (TOP1), the activation enzyme CES2, the deactivation enzyme UGT1A1, and the four ABC transporters ABCB1, ABCC1, ABCC2, ABCG2. On the contrary, TOP1 proteic level and activity remained constant. The amount of DNA-bound TOP1 in the presence of CPT11 is a PD marker of the drug and displayed circadian rhythms as it was equal to 47±5.2% of the total amount of TOP1 protein after an exposure at CT14, as compared to 35.5±1.8% after an exposure at CT28. Parameters of CPT11 PK-PD model were estimated from experimental data in Caco-2 cells combined to information from literature by a bootstrap approach. Optimization procedures were then applied to the data-calibrated model in order to compute theoretically optimal exposure schemes for Caco-2 cells. Synchronized cells were considered as healthy cells and non-synchronized cells as cancer ones as the circadian organization is often disrupted in tumor tissues. The adopted therapeutics strategy consisted in maximizing DNA damage in cancer cells under the constraint that DNA damage in the healthy population remained under a tolerability threshold. We considered administration schemes in the form of a cell exposure to an initial extracellular concentration of CPT11, over 1 to 27 h, starting at a particular CT. Numerical procedures predicted that, for all considered doses of CPT11, the optimal exposure lasted from 3h40 to 7h10, and started between CT2h10 and CT2h30, a time interval corresponding to 1h30 to 1h50 before the minimum value of CES activity. A clinical interpretation can be obtained by rescaling to 24 h those results for Caco-2 cells which displayed a period of 26 h 50. Thus, an optimal administration of CPT11 to cancer patients should result in the presence of the drug in the blood during 3h30 to 6h30, starting 1h30 to 1h40 before the minimum value of CES activity in the patient. The second section of our research works has consisted in adapting the pluridisciplinary approach we have undertaken for optimizing CPT11 exposure in Caco-2 cells, for the optimization of CPT11 administration in mice. Recent experimental studies demonstrated the existence of three classes of mice regarding CPT11 chronotoxicity. Female mice of the strain B6D2F1 represented the first class and showed worst tolerability after an injection of CPT11 at ZT3 and best tolerability at ZT15, where ZT is Zeitgeber Time, ZT0 defining the beginning of the light phase. Class 2 was constituted by B6D2F1 male mice and displayed worst toxicity at ZT23 and best toxicity at ZT11. Finally, class 3 was B6CBAF1 female mice and showed worst tolerability at ZT7 and best tolerability at ZT15. Our combined in vivo and in silico approach aimed at characterizing the three chronotoxicity classes at the molecular level and at designing optimal administration schemes for each of them. The mathematical model which was built for Caco-2 cell culture was adapted to design a whole body physiologically based model of CPT11 PK-PD. Parameters were estimated for class 2 by fitting both blood and tissular pharmacokinetics data and measurements of circadian rhythms of proteins involved in CPT11 pharmacology. The calibrated model fitted the biological data. Similar parameter estimations are ongoing for classes 1 and 3. Once three parameter sets are estimated, their comparaison will allow the determination of differences in protein activities and therefore the molecular characterization of the three classes. The next step consists in applying optimization procedures to the calibrated whole body model in order to design theoretically optimal administration schemes for each class. The second project presented in this thesis focuses on the tyrosine kinase SRC, which is deregulated in numerous cancer diseases. Recent studies showed that SRC exerted a control on the mitochondrial pathway of apoptosis in NIH-3T3 mice fibroblasts which were transfected with the oncogene v-src, whereas this control was not observed in parental NIH-3T3 cells. SRC activated the RAS / RAK / MEK1/2 / ERK1/2 pathway which enhanced the phosphorylation of the pro-apoptotic enzyme BIK, thus leading to the protein degradation by the proteasome. As a result, BIK protein expression was low in v-src transformed fibroblasts which possibly contributed to the resistance of those cells to most apoptotic stresses. Our work consisted in designing optimal therapeutics strategies in which parental NIH-3T3 fibroblasts stands for healthy cells and v-src transformed ones for cancer cells. Once again, a combined experimental and mathematical approach was undertaken. First, we built a model for BIK kinetics in non-apoptotic conditions and fitted its parameters to existing experimental data. Estimated parameter values confirmed that SRC-dependent phosphorylation of BIK was inactive in normal cells. Then, we biologically and mathematically investigated BIK kinetics in response to a death signal. We showed a relocalization of BIK to the mitochondria in the first hours of staurosporine exposure, whereas BIK protein total amount remained constant during the apoptotic stress. We then conceived a mathematical model of the mitochondrial pathway of apoptosis in NIH-3T3 cells. It modeled molecular interactions between the anti-apoptotic proteins as BCL2, and the pro-apoptotic enzymes which were divided into three subgroups: the BAX-like effector proteins, the BH3-only activator proteins and the BH3-only sensitizer proteins. Parameters were estimated by fitting experimental results in normal and v-src transformed fibroblasts. The model reproduced the experimentally-demonstrated fact that pre-incubating v-src fibroblasts with an inhibitor of SRC before staurosporine exposure annihilated the cell resistance. The model predicted that an administration of ABT-737, an inhibitor of anti-apoptotic proteins, before staurosporine exposure, should not be undertaken in our particular biological systems, which was experimentally validated. Finally, optimization procedures were applied to the model in order to design optimal therapeutics strategies when both normal and cancer cells were exposed to the same drugs. Considered exposure scheme consisted in the administration of staurosporine after an exposure to activator or of proteins of the mitochondrial pathway of apoptosis. Optimal strategies were defined as the ones which maximized the percentage of apoptotic cells in the cancer cell population, under the constraint that that in the healthy population remained below a toxicity threshold. Optimization procedures allowed to conclude that the optimal drug combinaison consisted in exposing cells to staurosporine after an exposure to a chemical able to repress BAX expression such that its concentration in normal cells was below the needed amount to trigger apoptosis, combined either to a repressor of anti-apoptotic proteins, or an inhibitor of SRC. These optimal strategies led to less than 1% of apoptotic cells in healthy cells, and more than 98% in cancer cells.