La pharmacogénomique (PGx) étudie le concept selon lequel les déterminants génétiques peuvent aider à prédire la réponse clinique d’un patient aux médicaments. Les concentrations plasmatiques de ces derniers sont essentielles pour déterminer l’exposition, les profils pharmacocinétiques (PK), les effets cliniques et éventuellement les doses des médicaments, dont la plupart sont métabolisés par des enzymes hépatiques, les cytochromes P450 (CYPs). Néanmoins, la plupart des découvertes en matière de PGx concernant la prédiction des profils de concentrations des médicaments ont généralement recours à des plans d’études PK traditionnels avec une approche fonctionnelle. Bien qu’utile, cette méthodologie comporte des limites pour les études PGx, notamment le nombre restreint de sujets inclus, qui réduit la puissance statistique des associations PGx et limite l’identification de nouveaux variants génétiques moins fréquents. À l’inverse, les grandes cohortes observationnelles sont largement utilisées pour identifier des marqueurs génétiques physiopathologiques. Cette thèse de doctorat visait donc à 1) synthétiser les données publiées concernant les effets cliniques des polymorphismes génétiques de l’enzyme CYP2D6 sur le traitement au métoprolol, un agent β-bloquant. Les concentrations plasmatiques de métoprolol ont montré à plusieurs reprises qu’elles étaient fortement influencées par la PGx du CYP2D6; 2) développer une nouvelle méthode bioanalytique capable de quantifier les concentrations chirales de métoprolol des patients dans un contexte clinique; 3) mener une étude clinique en utilisant une grande cohorte observationnelle, ou biobanque, comme preuve de concept pour recréer l’association précédemment établie entre les phénotypes inférés des génotypes du CYP2D6 et les concentrations plasmatiques de métoprolol. Ces projets sont présentés en tant que chapitres de thèse et sous forme de manuscrits publiés. Le premier projet consistait en une revue systématique qui a permis d’extraire toutes les études relatives à la PGx du métoprolol-CYP2D6. La synthèse qualitative a suggéré que les métaboliseurs lents du CYP2D6, dépourvus de capacité enzymatique, avaient des valeurs plus élevées concernant les réductions de la fréquence cardiaque et de tension artérielle, ainsi que la survenue d’épisodes bradycardiques relativement aux autres phénotypes. Une méta-analyse ultérieure a confirmé la significativité de ces associations. Le deuxième projet a combiné des techniques bioanalytiques telles que la dérivation, l’extraction en phase solide et la chromatographie liquide avec spectrométrie de masse en tandem. Une méthode permettant de surmonter les limites analytiques antérieures a été validée avec succès pour mesurer les concentrations plasmatiques de (S)-métoprolol, l’énantiomère pharmacologiquement actif, et de son métabolite spécifique au CYP2D6. L’applicabilité d’une telle méthode a ensuite été démontrée grâce aux échantillons d’un groupe de patients issus de la Cohorte Hospitalière de l’Institut de Cardiologie de Montréal (ICM). Puis, le troisième projet présente la réalisation de l’étude LEVEL-PGx (LEVEraging Large observational cohort studies to identify pharmacogenetic determinants of drug dosing : A proof-of-concept study in the Montreal Heart Institute Hospital Cohort). L’étude portait sur un échantillon de >1000 patients sélectionnés dans la cohorte hospitalière de l’ICM, incluant leur génotypage pour CYP2D6 et la quantification du métoprolol racémique et de son métabolite spécifique au CYP2D6 dans des échantillons provenant de la Biobanque de l’ICM. Un seul échantillon unique et aléatoire par patient a été utilisé. Le recours à des modèles multivariables a validé le concept selon lequel de grandes cohortes transversales recueillant des échantillons biologiques pouvaient être utilisées afin d’identifier des associations PGx de concentrations de médicaments et ce, à des valeurs satisfaisant les seuils de significativité d’essais pangénomiques. D’autres analyses de cette cohorte ont indiqué que cette méthodologie parvenait à identifier des associations PGx qui influençaient la fréquence cardiaque au repos et la posologie du métoprolol à-travers les phénotypes du CYP2D6 et pour les déterminants génétiques uniques, même en présence de co-médications. Cependant, ces associations PGx avec les paramètres cliniques n’ont pas atteint une significativité applicable aux seuils pangénomiques. En résumé, par la reproduction d’une association PGx préalablement démontrée, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse suggère que l’identification et la découverte de nouveaux déterminants génétiques prédictifs des concentrations et des doses des médicaments pourrait s’effectuer par le biais de grandes cohortes observationnelles à l’échelle du génome. Ces approches permettraient de développer des modèles prédictifs plus précis de l’exposition et de la réponse aux médicaments, ce qui pourrait favoriser les découvertes PGx et, dans certains cas, éventuellement développer le potentiel translationnel d’une approche thérapeutique personnalisée selon le profil génétique des patients. / Pharmacogenomics (PGx) studies the concept that genetic determinants can help predict a patient’s clinical response to therapies. Drug concentrations are an essential component to determining the exposure, pharmacokinetic (PK) profiles, clinical effects, and potentially drug doses, most of which are metabolized through the cytochrome P450 (CYPs) liver enzymes. Nevertheless, most PGx discoveries regarding the prediction of drug concentration profiles have generally resorted to traditional PK study designs with a functional approach. Though useful, this methodology contains limitations for gene-drug interaction studies, most notably the restricted number of subjects included, which reduces the statistical power for PGx associations and limits the identification of new, less frequent genetic variants. On the opposite, large observational cohorts have long been utilized for identifying genetic markers of disease. This doctoral thesis therefore aimed to 1) synthesize published data regarding the clinical effects of CYP2D6 genetic polymorphism on metoprolol therapy. A β-blocker, metoprolol plasma concentrations have shown repeatedly to be heavily influenced by the PGx of the CYP2D6 enzyme; 2) develop a new bioanalytical method able to quantify patients’ chiral concentrations of metoprolol in a clinical setting; 3) conduct a clinical study using a large observational cohort, or biobank, as a proof of concept to recreate the previously established association between CYP2D6 genotype-inferred phenotypes and metoprolol plasma concentrations. Those projects are presented as thesis chapters in the form of published manuscripts. The first project was a systematic review that allowed us to find all studies pertaining to the PGx of metoprolol. The qualitative synthesis suggested that CYP2D6 poor metabolizers (PMs), without enzymatic capacity, had greater values regarding reductions in heart rate, blood pressures, and occurrences in bradycardia relative to non-PMs. A subsequent meta-analysis confirmed the significance of those associations. The second project combined bioanalytical techniques such as derivatization, solid phase extraction, and liquid chromatography-tandem mass spectrometry. A method overcoming previous analytical shortcomings was successfully validated to measure (S)-metoprolol plasma concentrations and its CYP2D6-specific metabolite. Its application was later demonstrated in a group of patients from the Montreal Heart Institute (MHI) Hospital Cohort. Then, the third project presents the conduct of the LEVEL-PGx study (LEVEraging Large observational cohort studies to identify pharmacogenetic determinants of drug dosing: A proof-of-concept study in the Montreal Heart Institute Hospital Cohort). The study implicated a sample of >1000 selected patients selected from the MHI Hospital Cohort, along with the genotyping of CYP2D6, and the quantification of racemic metoprolol and its CYP2D6-specific metabolite in samples from the MHI Biobank. A single, random sample per patient was used. Multivariable modeling validated the concept that large observational cohorts collecting biospecimens could be utilized to identify PGx associations of drug concentrations with genome-wide significance. Further analyses in our cohort indicated that the tested PGx associations influenced resting heart rate and metoprolol daily drug dosage across CYP2D6 phenotypes and for single genetic determinants, regardless of interfering comedications. However, such PGx associations with clinical parameters could not achieve genome-wide significance. In summary, the body of work presented in this thesis suggested that, using a previously validated PGx association, the identification of novel genetic determinants predictive of drug concentrations and dosage could be discovered and identified at the genome-wide level with large observational cohorts. These approaches would help develop more accurate predictive models of drug exposure and response, which could favor PGx discoveries and the translational potential of a personalized approach to treatments according to a patient’s genetic profile.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est un problème majeur fréquemment rencontré chez les greffés cardiaques. Les inhibiteurs de la calcineurine, pierre angulaire de l’immunosuppression en transplantation d’organes solides, sont considérés comme une des principales causes de dysfonction rénale postgreffe. Plusieurs autres éléments tels que les caractéristiques démographiques, cliniques et génétiques du receveur contribuent également au phénomène, mais il demeure plutôt difficile de déterminer quels sont les patients les plus à risque de développer une IRC après la transplantation. Ainsi, la découverte de nouveaux marqueurs génétiques de dysfonction rénale pourrait un jour mener à l’individualisation de la thérapie immunosuppressive selon le profil génétique de chaque patient. Or, on ne connaît pas les opinions des greffés à l’égard des tests pharmacogénomiques et l’on ne sait pas si celles-ci diffèrent des opinions exprimées par les individus en bonne santé. Cette thèse de doctorat a donc pour objectifs : 1- De décrire l’évolution de la fonction rénale à très long terme après la transplantation et d’identifier les marqueurs démographiques et phénotypiques associés à l’IRC postgreffe cardiaque; 2- D’identifier les marqueurs génétiques associés à la néphrotoxicité induite par les inhibiteurs de la calcineurine; 3- D’évaluer et de comparer les attitudes des patients et des individus en bonne santé par rapport à l’intégration clinique potentielle des marqueurs pharmacogénomiques. Trois projets ont été réalisés pour répondre à ces questions. Le premier repose sur une analyse rétrospective de l’évolution de la fonction rénale chez les patients greffés au sein de notre établissement entre 1983 et 2008. Nous y avons découvert que le déclin de la fonction rénale se poursuit jusqu’à 20 ans après la transplantation cardiaque et que les facteurs de risque d’IRC incluent entre autres l’âge avancé, le sexe féminin, la dysfonction rénale prégreffe, l’hypertension, l’hyperglycémie et l’utilisation de la prednisone. Le deuxième projet est une étude pharmacogénomique s’intéressant aux déterminants génétiques de la néphrotoxicité induite par les inhibiteurs de la calcineurine. Elle nous a permis d’illustrer pour la première fois qu’un polymorphisme génétique lié à PRKCB (gène codant pour la protéine kinase C-β) est associé avec la fonction rénale des patients greffés cardiaques, alors que cela n’est probablement pas le cas pour les polymorphismes de TGFB1 (gène codant pour le transforming growth factor-β1). La troisième section de cette thèse rapporte les résultats d’un questionnaire dont le but était de comparer les attitudes envers les tests pharmacogénomiques parmi un groupe de personnes en bonne santé, de patients greffés cardiaques et de patients souffrant d’insuffisance cardiaque. Cette étude a démontré que, bien que l’enthousiasme pour la pharmacogénomique soit partagé par tous ces individus, les craintes liées à la confidentialité et aux répercussions potentielles sur l’emploi et les assurances sont plus prononcées chez les personnes en bonne santé. En résumé, les travaux issus de cette thèse ont révélé que l’identification précoce des patients greffés cardiaques les plus susceptibles de présenter une détérioration de la fonction rénale ainsi que l’adoption d’une approche thérapeutique individualisée reposant notamment sur les applications cliniques de la pharmacogénomique pourraient éventuellement permettre de freiner cette complication postgreffe. / Chronic kidney disease (CKD) is a major problem frequently observed in cardiac transplant recipients. Calcineurin inhibitors, which have become the cornerstone of immunosuppressive treatments in solid organ transplantation, are considered a major cause of post-transplant renal dysfunction. Several other factors such as recipients’ demographic, clinical and genetic characteristics also contribute to this phenomenon, but it remains rather difficult to determine which patients present the highest risk of CKD after transplantation. Discovery of new genetic markers of renal dysfunction could one day lead to individualization of immunosuppressive therapy according to each patient’s genetic profile. However, transplant patients’ opinions towards pharmacogenomic testing remain unknown, and it is unclear whether these differ from healthy individuals’ opinions. This doctoral thesis thus aims: 1- To describe the very long-term evolution of renal function after transplantation and to identify demographic and phenotypic markers associated with postheart transplant CKD; 2- To identify genetic markers associated with calcineurin inhibitor-induced nephrotoxicity; 3- To assess and to compare the attitudes of patients and healthy individuals concerning the potential integration of pharmacogenomic markers in clinical practice. Three projects have been conducted to answer these questions. The first one relies on a retrospective analysis of the evolution of renal function in patients who received a heart transplantation at our institution between 1983 and 2008. We discovered that deterioration of renal function continues up to 20 years after transplant and that risk factors of CKD include, among others, advanced age, female gender, pretransplant renal dysfunction, hypertension, hyperglycemia and use of prednisone. The second project is a pharmacogenomic study looking at genetic determinants of calcineurin inhibitor-induced nephrotoxicity. We were able to illustrate for the first time that a genetic polymorphism related to PRKCB (gene encoding protein kinase C-β) is associated with renal function in heart transplant patients, whereas it is probably not the case for polymorphisms in TGFB1 (gene encoding transforming growth factor-β1). The third section of this thesis reports the results of a questionnaire whose purpose was to compare the attitudes towards pharmacogenomic testing in a group of healthy volunteers, cardiac transplant recipients and heart failure patients. This study demonstrated that, although enthusiasm regarding pharmacogenomics is shared equally among these individuals, preoccupations related to confidentiality and potential impacts on employment and insurance are more important in healthy volunteers. In summary, the work presented in this thesis showed that early identification of heart transplant patients who are most likely to develop renal dysfunction as well as adoption of an individualized therapeutic approach involving clinical applications of pharmacogenomics could potentially help to prevent this post-transplant complication.

Contexte. L’insuffisance cardiaque (IC) touche 1 à 2% de la population et sa prévalence menace d’augmenter dans la population vieillissante. L’IC et ses nombreux facteurs de risque ont une forte composante héréditaire. Il existe plusieurs phénotypes d’IC qui se démarquent par leurs mécanismes physiopathologiques et leur pronostic. Objectif. Ce mémoire vise dans un premier temps à faire état des connaissances actuelles sur la pharmacogénomique de l’IC et, dans un deuxième temps, à décrire une cohorte de patients atteints d’IC montée dans la cadre d’une étude cas-contrôle. Les caractéristiques descriptives de différents sous-groupes de patients sont présentées et comparées avec les données épidémiologiques actuelles. Résultats. 829 patients atteints d’IC qui ont participé au projet de la Biobanque de l’Institut de cardiologie de Montréal étaient éligibles à notre étude. L’âge moyen de ces cas est de 66,1 ± 10,2 ans et 76,6% sont des hommes. La fraction d’éjection du ventricule gauche (FEVG) médiane est 38% (intervalle interquartile : 28–52%) et 55,0% des cas sont d’étiologie ischémique. L’IC à FEVG réduite représente 55,4% des sujets; les phénotypes d’IC à FEVG intermédiaire et préservée représentent 11,2% et 33,4%, respectivement. Conclusion. Le phénotype d’IC à FEVG préservée est sous-représenté dans notre cohorte par rapport à ce qui est décrit dans la littérature scientifique, avec un nombre plus élevé d’hommes et l’étiologie ischémique majoritaire. Ceci s’explique par le fait que l’Institut de cardiologie est un centre référent de greffe. Toutefois, les caractéristiques des principaux phénotypes d’IC concordent avec la littérature scientifique, ce qui suggère que les phénotypes d’IC dans notre cohorte sont représentatifs de ces sous-populations. / Context. Heart failure (HF) affects 1 to 2% of the population and its prevalence is expected to increase in the aging population. Recent evidence suggests that HF and associated risk factors are heritable. HF has multiple phenotypes each associated with different risk factors, pathophysiology and prognosis. Objective. This project presents the current knowledge on HF pharmacogenomics found in the scientific literature and describes a cohort of HF patients who participated in a case-control study. The characteristics of different subgroups are presented and compared to current epidemiologic data. Results. We recruited 829 HF patients who participated in the Montreal Heart Institute biobank project. The mean age is 66,1 ± 10,2 years and 76,6% are male. The median left ventricular ejection fraction (LVEF) is 38% (interquartile range: 28–52%) and ischemic etiology accounts for 55,0% of HF cases. The HF with a reduced LVEF phenotype represents 55,4% of participants while 11,2% and 33,4% of cases have HF with a mid-range LVEF and HF with a preserved LVEF, respectively. Conclusion. The HF with a preserved LVEF phenotype was underrepresented in our cohort compared to what is expected in the scientific literature. We report more men and ischemic etiology, which could be explained by the fact that the Montreal Heart Institute is a reference center for transplantation. Characteristics of the major HF phenotypes are consistent with those reported in the scientific literature, thus suggesting that our cohort is representative of these sub-groups.