La fibrillation auriculaire (FA) est l’arythmie cardiaque la plus fréquente et elle peut entraîner des complications médicales sévères, notamment des accidents vasculaires cérébraux. On observe des différences sexuelles importantes dans la présentation clinique de la FA. Son incidence est 1,5 à 2 fois plus élevée chez les hommes, tandis que les femmes tendent à développer de la FA plus tardivement et plus sévèrement. Malheureusement, on ignore toujours les causes de ces différences sexuelles. La FA est une pathologie multifactorielle généralement causée par un débalancement des propriétés électrophysiologiques et/ou structurelles des oreillettes favorisant l’initiation et/ou le maintien de cette arythmie. Le but de ce projet est de déterminer s’il existe des différences sexuelles parmi les mécanismes impliqués dans la pathogenèse de la FA chez la souris. Sachant que les hormones sexuelles peuvent avoir un impact considérable sur l’électrophysiologie cardiaque, un objectif complémentaire de ce projet est de déterminer la contribution des hormones sexuelles dans les différences observées. Au cours de ce projet, nous avons découvert que la prédisposition masculine à la FA est également retrouvée chez la souris mâle. Nous avons identifié des différences sexuelles dans la régulation du calcium intracellulaire favorisant l’initiation de la FA chez les mâles. Celles-ci sont reliées à une expression et une activité plus élevée de l’échangeur Na+-Ca2+ chez les mâles. Nous avons également observé que le maintien de la FA était favorisé par des oreillettes de plus grande taille et par une latéralisation plus prononcée des connexines chez les mâles. L’orchiectomie réduit la susceptibilité des mâles à la FA en diminuant la latéralisation des connexines ainsi que la taille des cardiomyocytes auriculaires, suggérant un rôle des androgènes. À terme, ce projet permettra de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans les différences sexuelles dans la pathogenèse de la FA. Une meilleure compréhension de ces mécanismes pourrait mener à une approche thérapeutique mieux adaptée au sexe des patients, pour une meilleure prise en charge de ceux-ci. / Atrial fibrillation (AF) is the most common type of cardiac arrhythmia, and it can lead to severe medical complications, including stroke. There are significant sex differences in the clinical presentation of AF. Its incidence is 1.5- to 2-fold higher in men, whereas women tend to develop AF later and more severely. Unfortunately, the mechanisms underlying these sex differences remain unknown. AF is a multifactorial pathology generally caused by an imbalance in electrophysiological and/or structural properties of the atria that promote AF initiation and/or maintenance. The aim of this project is to determine whether there are sex differences among the mechanisms involved in the pathogenesis of AF in mice.. Knowing that sex hormones can have a considerable impact on cardiac electrophysiology, a complementary objective of this project was to explore the contribution of sex hormones in the sex differences we observed. We first discovered that the male predisposition to AF is also found in mice. We have identified major sex differences in the regulation of intracellular calcium that promote AF initiation in males. These differences are related to a higher Na+-Ca2+ exchanger expression and function in males. We have also observed that AF maintenance was favoured by larger atria and more pronounced lateralization of connexins in males. Orchiectomy reduced AF susceptibility of males by reducing connexin lateralization and the dimensions of atrial myocytes, suggesting a role for androgens. Ultimately, this project will provide a better understanding of the mechanisms underlying sex differences in the pathogenesis of AF. This information could lead to a therapeutic approach better adapted to the sex of the patients, for a better management of AF.

Les propriétés antioxydantes du resvératrol sont d’un grand intérêt pour contrer la dysfonction endothéliale où la contribution du stress oxydant est majeure. Cette dysfonction endothéliale est d’ailleurs bien caractérisée en hypertrophie ventriculaire gauche (HVG). Cette étude vise à explorer les effets thérapeutiques du resvératrol sur la dysfonction endothéliale des artères coronaires épicardiques associée à l’HVG. L’HVG est induite suite à un cerclage aortique (CA) sur des porcelets de 2 mois. Le resvératrol est ensuite administré à 20 mg/kg/jour per os aux animaux répertoriés dans différents groupes. Le groupe 1 comprend les animaux contrôles sans CA alors que le groupe 2 représente les porcelets ayant subit le CA sans traitement. Le groupe 3 comprend les animaux traités pendant les 60 jours après la chirurgie alors que le groupe 4 est traité seulement à partir du 30ème jour jusqu’au jour 60. Des analyses échocardiographiques et histologiques ont été effectuées afin de déterminer le degré d’hypertrophie et l’impact du resvératrol sur la progression de l’HVG alors que la réactivité vasculaire a été évaluée par des expériences de chambres d’organes. La dysfonction endothéliale a été étudiée in vitro par quantification des métabolites nitriques et des niveaux de GMPc tandis que le stress oxydant est décrit par les niveaux d’angiotensine II (Ang II) et de protéines carbonylées. Les courbes dose-réponse à la sérotonine du groupe 3 traité pendant les 60 jours au resvératrol ont démontré une relaxation vasculaire significativement améliorée comparé au groupe 2 non-traité (p<0,05). Le pourcentage de changement du rapport de la masse du ventricule gauche sur la masse corporelle (LVmass/BW) a démontré une inhibition du développement de l’HVG dans le groupe 3 alors que le groupe 4 n’a pas eu d’effets bénéfiques des 30 jours de traitement au resvératrol. La biodisponibilité du NO représentée par la mesure de ses métabolites en circulation (398,71±21,74 ; 151,04±14,95 ; 241,86±15,53 ; 208,17±26,52 uM pour les groupes 1, 2, 3 et 4 respectivement, p<0,001 pour groupe 1 et 3 vs groupe 2) et par le niveau de GMPc a été augmentée avec l’administration du polyphénol (2,54±0,63 ; 0,67±0,45 ; 1,71±0,25 ; 1,98±0,29 pmol/ml pour les groupes 1, 2, 3 et 4 respectivement, p<0,05 pour groupe 1, 3 et 4 vs groupe 2). Le rôle antioxydant du resvératrol a été confirmé avec une réduction des niveaux de protéines carbonylées chez le groupe 3 comparé aux valeurs du groupe 2 (0,14±0,05 vs 0,33±0,03 nmol/mg respectivement) sans diminution des niveaux d’Ang II. Le resvératrol a aussi réduit l’hypertrophie des cardiomyocytes et la fibrose interstitielle. Ainsi, le resvératrol peut effectivement réduire la dysfonction endothéliale des artères coronaires épicardiques et limiter l’occurrence de remodelage myocardique associé à l’HVG, principalement à travers l’activation de la signalisation dépendante du NO. / Antioxidant properties of resveratrol are of great interest regarding endothelial dysfunction in which oxidative stress has a major causative role. This dysfunction is well characterized in left ventricular hypertrophy (LVH). The current study was designed to explore the effects of resveratrol as a treatment for the coronary endothelial dysfunction associated with LVH. An aortic banding (AB) was performed on swine to induce LVH on two-month-old swine for 60 days. Resveratrol was administered at 20 mg/kg/d per os to different groups. Group 1 represented healthy controls while group 2 was not treated. After AB, group 3 received resveratrol from day 1 to 60 post-surgery whereas group 4 was treated from day 30 to 60 only. Echocardiographic and histological studies were performed to evaluate the degree of LVH. Vascular reactivity of epicardial coronary arteries was assessed in organ chamber experiments. Endothelial dysfunction was evaluated in vitro by nitric oxide (NO) metabolites and cyclic guanosine-3,5-monophosphate (cGMP) while angiotensin II (Ang II) levels and protein carbonylation evaluated Oxidative stress. After treatment, the LVmass/body weight ratio was improved in group 3 associated with reduced cardiomyocyte hypertrophy and interstitial fibrosis (p<0.05). Dose-response curves to serotonin for the resveratrol treated group 3 demonstrated a greater vascular relaxation compared to LVH untreated group 2 (p<0.05). Bioavailability of NO measured by its circulating metabolites (398,71±21,74; 151,04±14,95 ; 241,86±15,53 ; 208,17±26,52 uM for groups 1, 2, 3 and 4 respectively, p<0,001 for groups 1 and 3 vs group 2) and by vascular cGMP (2,54±0,63 ; 0,67±0,45 ; 1,71±0,25 ; 1,98±0,29 pmol/ml for groups 1, 2, 3 and 4 respectively, p<0,05 for group 1,3 and 4 vs group 2) was increased. The antioxidant effect of the polyphenol was confirmed by decreased protein carbonylation with the 60 days treatment (0,14±0,05 vs 0,33±0,03 nmol/mg for group 3 vs 2) associated to unchanged Ang II levels. Therefore, resveratrol effectively reduces epicardial coronary endothelial dysfunction and limits the occurrence of cardiac remodelling associated with LVH, mainly through an NO-dependent pathway.

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.

Le système rénine-angiotensine-aldostérone est impliqué dans la physiopathologie de l’insuffisance cardiaque (IC). L’inhibition de l’aldostérone par les antagonistes du récepteur aux minéralocorticoïdes (ARM), la spironolactone et l’éplérénone, est associée à une réduction de morbidité et mortalité. Or, la spironolactone est un antagoniste non sélectif, avec des effets hors-cibles sur d’autres récepteurs stéroïdiens. Des données suggèrent qu’elle pourrait avoir un effet défavorable sur l’homéostasie du glucose, avec une augmentation en hémoglobine glyquée (HbA1c), un marqueur de contrôle du glucose à long terme. Au contraire, l’éplérénone semble exercer un effet neutre. Les objectifs de cette thèse de doctorat sont les suivants : 1) Assembler toutes les connaissances dans la littérature au sujet de l’effet glycémique des ARM; 2) Évaluer le risque de développement de diabète avec la spironolactone chez les patients IC; 3) Analyser si la spironolactone peut moduler l’effet glycémique d’autres médicaments utilisés en IC; 4) Comparer la spironolactone à l’éplérénone sur des marqueurs de glucose chez les patients IC avec dérèglements glycémiques. Quatre projets ont été effectués afin de répondre à ces questions. Premièrement, une revue systématique a permis d’identifier toutes les études publiées contenant de l’information sur l’effet glycémique des ARM. Les résultats étaient hétérogènes, mais ont suggéré que l’effet est dépendant de la pathologie et serait potentiellement néfaste dans les maladies à haut risque d’évènements cardiovasculaires. Une méta-analyse d’études en diabète indique que l’effet à long terme serait non significatif. Le deuxième projet utilise une cohorte de patients IC de bases de données administratives entre 1995 et 2009 (suivi jusqu’en 2010). Nous n’avons pas détecté d’association significative entre l’utilisation de la spironolactone et le risque de diabète. Par contre, l’étude a démontré qu’un âge plus jeune, la digoxine, et les corticostéroïdes augmentent le risque de diabète. Le troisième projet est une sous-étude d’une étude clinique CANDIID-II (Effect of ACE inhibitor alone versus ACE inhibitor plus high dose candesartan on BNP, immune markers, inflammatory status, and urinary kinins in patients with symptomatic left ventricular systolic dysfunction) chez des patients IC traités avec un inhibiteur de l’enzyme de conversion à l’angiotensine et le candésartan, antagoniste du récepteur à l’angiotensine II. Ces classes pharmacologiques ont des effets bénéfiques sur la glycémie. En comparant les patients traités aussi avec la spironolactone versus les patients sans ARM, nous n’avons pas trouvé que la spironolactone module l’effet bénéfique du candésartan sur le métabolisme du glucose. Le dernier projet consiste d’une étude prospective, multicentrique, randomisée, contrôlée à double-insu : SNOW (A comparison of the effects of selective and non selective mineralocorticoid antagonism on glucose homeostasis and lipid profile of heart failure patients with glucose intolerance or type 2 diabetes). Elle compare, pendant 16 semaines, la spironolactone à l’éplérénone sur des marqueurs glycémiques, notamment, l’HbA1c, chez 62 patients IC avec diabète de type II ou intolérance au glucose. Aucune différence significative n’a été observée entre les groupes. En résumé, les résultats de cette thèse indiquent que les ARM ne présentent pas de risque de détérioration du contrôle du glucose sur une durée modérée à longue en IC. / The renin-angiotensin-aldosterone system is involved in the pathophysiology of heart failure (HF). The inhibition of aldosterone by mineralocorticoid receptor antagonists (MRAs), spironolactone and eplerenone, is associated with a reduction in morbidity and mortality. However, spironolactone is a non selective antagonist, with off-target effects on other steroid receptors. There is some evidence suggesting that it may have an unfavorable effect on glucose homeostasis, with an increase in glycated hemoglobin (HbA1c), a marker of long-term glucose control. On the contrary, eplerenone seems to exert a neutral effect. The objectives of this doctoral thesis were the following: 1) Compile all current knowledge in the literature on the subject of MRAs’ glycemic effects; 2) Evaluate the risk of developing diabetes with spironolactone in HF patients; 3) Analyze if spironolactone may modulate the glycemic effects of other medications used in HF; 4) Compare spironolactone to eplerenone on markers of glucose control in HF patients with glycemic disorders. Four projects were conducted in order to meet these objectives. Firstly, a systematic review allowed us to identify all published studies containing information on MRAs’ glycemic effects. The literature search yielded heterogenous results; however, it suggested that the effect was disease-specific and would be potentially harmful in diseases with a high risk of cardiovascular events. A meta-analysis of studies in diabetes insinuated that the effect is non significant on a long-term basis. The second project uses a cohort of HF patients from administrative databases between 1995 and 2009 (follow-up till 2010). We did not detect a significant association between the use of spironolactone and the risk of diabetes. On the other hand, the study demonstrated that younger age, digoxin, and corticosteroids increase the risk of diabetes. The third project is a substudy of a clinical trial CANDIID-II (Effect of ACE inhibitor alone versus ACE inhibitor plus high dose candesartan on BNP, immune markers, inflammatory status, and urinary kinins in patients with symptomatic left ventricular systolic dysfunction) among HF patients treated with an angiotensin converting enzyme inhibitor and candesartan, an angiotensin II receptor blocker. These pharmacological classes have beneficial effects on glycemia. By comparing patients also treated with spironolactone versus patients without an MRA, we did not find that spironolactone alters the effect of candesartan on glucose metabolism. The last project consisted of a prospective, multicenter, randomized, controlled, double-blind trial: SNOW (A comparison of the effects of selective and non selective mineralocorticoid antagonism on glucose homeostasis and lipid profile of heart failure patients with glucose intolerance or type 2 diabetes). It compares, for 16 weeks, spironolactone to eplerenone on glycemic markers, notably, HbA1c, among 62 HF patients with type II diabetes or glucose intolerance. There was no significant difference between groups. In summary, the research results from this thesis reveal that, in HF, MRAs do not present additional risks of deterioration in glucose control over a moderate to long period.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les récepteurs couplés aux protéines G sont la porte d'entrée de plusieurs signaux hormonaux. L'activation de ses récepteurs par des ligands agonistes induit une cascade métabolique qui implique des transducteurs (protéine G) et des effecteurs (enzymes) qui produiront en fin de compte l'intégration de la réponse physiologique. Plusieurs ligands des récepteurs sont de puissants agents thérapeutiques. L'étude des mécanismes d'action de ces ligands est donc très importante en pharmacologie. Jusqu'à présent le rôle et surtout l'efficacité des ligands agonistes étaient bien établis, alors que les activités des antagonistes demeuraient fortement associées à la présence de l'agoniste pour laquelle l'antagoniste compétitionne l'interaction avec le récepteur. Ce concept est maintenant remis en question avec l'observation de nouvelles propriétés indépendantes de la présence de l'agoniste. Afin de démontrer la validité d'un concept d'une activité des antagonistes indépendante des agonistes, nous avons étudié trois nouvelles propriétés pharmacologiques des antagonistes du récepteur sérotoninergique 5-HT2cde rat exprimés en cellules Sf19. Ces nouvelles activités des antagonistes du récepteur sont : l'activité agoniste inverse, la sous-régulation atypique ainsi que la sensibilisation fonctionnelle de la réponse du récepteur 5-HT2c. Nos résultats indiquent que les antagonistes de ce récepteur inhibent l'activation spontanée du récepteur, réduisent la densité de sites de liaison et sensibilisent la réponse fonctionnelle du récepteur. Les mécanismes associés à la sous-régulation atypique et la sensibilisation fonctionnelle demeurent, cependant, des modèles mathématiques nous permettent de prédire l'action des agonistes et des agonistes inverses (antagonistes). Afin de nous familiariser avec le modèle étendu à complexe ternaire, nous avons également étudier l'effet du précouplage fonctionnel (interaction récepteur/protéine G) sur la liaison des agonistes inverses du récepteur Al de l'adénosine exprimé en cellules Sf9. Nos résultats suggèrent que les propriétés pharmacologiques des agonistes inverses sont affectées par l'interaction récepteur/protéine G de manière opposée aux agonistes. Les nouvelles propriétés des antagonistes décrites dans ce manuscrit auront assurément une grande importance dans l'étude du mécanisme d'action et dans le développement de nouveaux agents thérapeutiques.

Le développement de nouveaux médicaments ou traitements contre le cancer requiert des années de travail préclinique avant de se rendre aux essais cliniques et ultimement le marché. Malheureusement, la grande majorité des composés ne réussiront pas cette transition et ne démontreront pas de bénéfices en essais cliniques. Dans le but de réduire l’attrition au long du processus de développement des médicaments, la modélisation mathématique est de plus en plus utilisée dans la recherche préclinique pour investiguer et optimiser les traitements pour améliorer les probabilités de succès de thérapies potentielles. Les modèles mécanistiques visent à incorporer les mécanismes d’action d’un médicament ainsi que les interactions physiologiques et cellulaires pour approfondir notre compréhension des systèmes et des effets thérapeutiques. La dissertation suivante traite de l’implémentation the modèles mécanistique hétérogènes dans des contextes précliniques pour la recherche contre le cancer. Le second chapitre discute du cancer des cellules granulosa ovarienne and du développement d’un modèle mathématique pour investiguer le potentiel d’une thérapie combinatoire qui inclut une chimiothérapie et une immunothérapie produisant une protéine en lien avec le facteur de nécrose tumorale (TRAIL) à l’aide d’un virus oncolytique (VO). Le modèle considère les cellules tumorales à travers les stades de la mitose, l’infection de ces cellules par le VO et la pression du système immunitaire inné sur la population de cellules tumorales. Le modèle incorpore aussi des modèles pharmacocinétique/pharmacodynamie (PK/PD) pour TRAIL et le médicament chimio thérapeutique, composé activateur de procaspase-1 (PAC-1). Cela inclue un modèle PK mécanistique décrivant la liaison de TRAIL à son récepteur ainsi qu’un modèle pharmacocinétique à deux compartiments pour PAC-1 dans le but d’intégrer les deux concentrations dans une fonction d’effets combinés affectant la population de cellules cancéreuses. À travers les simulations, nous avons déterminé les doses minimales requises et le schéma posologique optimal pour PAC-1 pour minimiser la croissance tumorale. Nous avons aussi établi un scénario permettant d’éradiquer la tumeur à l’aide d’un VO possédant un taux d’infection plus grand qu’initialement testé. 4 Dans le chapitre 3, nous présentons différentes approches pour inclure la variabilité inter-individuelle dans des modèles mécanistiques et discutons de leur bénéfices et désavantages. Nous décrivons comment les modèles PK de population (PopPK) informent sur la moyenne des paramètres d’une cohorte, la variation provenant des covariables et comment cette variabilité dans les paramètres permet d’étudier différentes dynamiques à travers une population. Dans une cohorte, la variabilité peut être généré par des algorithmes en assurant que les patients virtuels générés possèdent des paramètres et des résultats réalistiques. Nous discutons aussi des cohortes in silico pouvant prédire un intervalle de résultats and de scénarios potentiels d’un traitement. Ces essais cliniques virtuels sont très utiles en pharmacologie quantitative de systèmes (QSP). Enfin, nous présentons une application d’un modèle PopPK utilisant 300 patients virtuels dans un modèle QSP pour la différentiation des cellules souches mammaires affectées par des doses d’estrogène. Nous investiguons l’effet de cette thérapie hormonale sur la différentiation cellulaire pour son application potentiel pour traiter le cancer du sein triple négatif (TNBC) puisque la prolactine a été proposée dans des modèles expérimentaux pour forcer la différentiation cellulaire des cellules cancéreuses. Notre modèle et les résultats obtenus servent de preuve de concept pour continuer la recherche des méthode pharmacologiques pour induire la différentiation des cellules souches permettant de réduire la sévérité et la plasticité des cellules cancéreuses. / Developing novel cancer drugs or therapies requires years of preclinical work before translation to clinical trials and ultimately the market. Unfortunately, an overwhelming majority of compounds will fail to make this transition and will show no benefit in trials. To reduce attrition along the drug development pipeline, mathematical modelling is increasingly used in preclinical work to investigate and optimize treatment scenarios, in the hope of improving the success rate of potential therapies. Mechanistic models aim to incorporate the mechanisms of actions of drugs and physiological/cellular interactions to provide a deeper understanding of the system and rationally investigate therapeutic effectiveness. This thesis focuses on the implementation of heterogeneous, mechanistic mathematical models in preclinical contexts in cancer drug development. The first chapter of this thesis provides an overview of mathematical oncology and the drug discovery pipeline by presenting different tumour growth models and the integration of therapeutic effect through pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) models. The second chapter of this thesis discusses granulosa cell tumour (GCT) of the ovary and the development of a mathematical model to investigate the potential of a combination therapy using a chemotherapy and an immunotherapy that produces tumour necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) through an oncolytic virus (OV). The model considers tumour cells throughout the phases of the cell cycle, the infection of these cancer cells by the OV, and the innate-immune pressure from the body. It also incorporates detailed PK/PD models for TRAIL and the chemotherapeutic drug, procaspase activating compound-1 (PAC-1). This includes a mechanistic receptor binding PK model for TRAIL as well as a two-compartment PK model for PAC-1 to properly integrate the concentrations of both compounds in the combination effect function applied to the cancer cell populations. Through simulations and hypothesis testing, we determined the minimal doses and ideal dosing regimens for PAC-1 that best controlled tumour growth. We also established how to successfully eradicate the tumour under the assumption of a much higher infection rate of the OV. 6 In the third chapter, we present different approaches to include inter-individual variability into mechanistic mathematical models, each with their own benefits and challenges. We describe how population PKs (PopPK) inform on cohort averages and variability due to covariates, and how to use this heterogeneity to recover the dynamics of drug treatment in patient populations. Variability in cohorts can also be generated through algorithms ensuring that virtual patients have realistic parameters and outcomes. We also touch upon in silico trials that help to predict a range of outcomes and treatment scenarios. These in silico clinical trials are highly valuable in quantitative system pharmacology (QSP) due to their predictive nature. Lastly, we present an application of PopPK using 300 generated patients in a QSP model for mammary stem cell differentiation under treatment with estrogen (estradiol). We investigate the effect of hormone therapy on mammary cell differentiation due to its potential application in triple negative breast cancer (TNBC), as prolactin has been proposed in experimental models to induce differentiation in TNBC stem cells. Our model and results serve as proof of concept for the continued investigation into pharmacological means of inducing stem cell differentiation to reduce cancer plasticity and severity.

L’athérosclérose est une maladie vasculaire inflammatoire chronique qui se développe progressivement au cours de la vie. Les mécanismes impliqués sont complexes et la recherche de nouveaux candidats impliqués dans l'athérogénèse est toujours d'actualité. L’Angiopoietine-like 2 (Angptl2) est une protéine relativement peu connue, aux propriétés pro-angiogéniques et pro-inflammatoires, qui appartient par homologie à la grande famille des angiopoietines, mais dont le récepteur n'est pas encore clairement identifié. Les situations pathologiques dans lesquelles l’Angptl2 jouerait un rôle crucial sont diverses, mais sa contribution moléculaire dans le développement de l’athérosclérose est inconnue. Par differential display, nous avons initialement identifié l'Angptl2 comme étant surexprimée dans des cellules endothéliales sénescentes, isolées et cultivées à partir d'artères mammaires internes de patients athérosclérotiques ayant subi un pontage coronarien. Cette découverte a été la à base de mon projet, et mes objectifs ont été 1) de déterminer l'implication de l’Angptl2 vasculaire en présence de facteurs de risques tels que le tabagisme et la dyslipidémie, 2) de produire et de purifier une protéine recombinante fonctionnelle de l’Angptl2 afin d'identifier in vitro de nouvelles propriétés cellulaires de l'Angptl2 et 3) d'étudier in vivo le potentiel pro-athérogénique de l'Angptl2 recombinante dans un modèle murin de dyslipidémie sévère. Nous avons montré que l’Angptl2 est sécrétée préférentiellement dans des conditions pro-oxydantes et pro-inflammatoires, avec une augmentation de son expression endothéliale de l’ordre de 6 fois chez des patients coronariens fumeurs atteints de maladie pulmonaire obstructive chronique. Suite à ces résultats, nous avons émis l’hypothèse que l’Angptl2, en plus de ses fonctions pro-inflammatoires connues, possède des propriétés pro-oxydantes. Nous avons démontré que l’Angptl2 recombinante stimule en effet la production de radicaux libres dans des HUVEC en culture, via l’inhibition partielle de la voie cytoprotectrice antioxydante Nrf2/HO-1 et potentiellement via l'activation de kinase intracellulaire de type p38. A l'aide de souris dyslipidémiques LDLr-/-; hApoB-100+/+, nous avons démontré que le niveau d’Angptl2 plasmatique, vasculaire et dans les plaques athéromateuses, augmente parallèlement avec le développement de l’athérosclérose. De plus, une stimulation avec l’Angptl2 recombinante engendre chez ces souris une réponse inflammatoire évaluée par l’expression endothéliale de cytokines et de molécules d'adhésion et par l’infiltration de leucocytes sur l’endothélium vasculaire. Finalement, l’administration intraveineuse de la protéine recombinante d’Angptl2 pendant quatre semaines à des souris LDLr-/-; hApoB-100+/+ augmente de 10 fois l'expansion de la plaque athérosclérotique et double leur taux de cholestérol circulant. Nous avons aussi montré que chez des patients athérosclérotiques, l'Angptl2 plasmatique est 6 fois plus élevée que chez des sujets sains du même âge. Nos études semblent donc définir l’Angptl2 comme un facteur contribuant directement au développement de l'athérosclérose en favorisant la sénescence, l’inflammation et l’oxydation des cellules endothéliales. Ces propriétés pourraient globalement définir l'Angptl2, non seulement comme un nouveau biomarqueur circulant de l’athérosclérose, mais également comme l'un de ses promoteurs. / Atherosclerosis is a chronic vascular inflammatory disease that develops gradually during life. While the control mechanisms of this disease are complex and variable, research continues to identify new protein candidates involved in atherogenesis. Angiopoietin-like2 (Angptl2) is a relatively unknown protein, recently shown to display angiogenic and pro-inflammatory properties. Based upon structural homology, Angptl2 is a member of the angiopoietin family; however, the Angptl2 receptor has not yet been clearly identified. The reported pathological situations in which Angptl2 may play a crucial role are multiple, but its molecular contribution in the development of atherosclerosis remains unknown. By differential display, we initially identified Angptl2 as being overexpressed in senescent endothelial cells, isolated and cultivated from internal mammary arteries of atherosclerotic patients undergoing coronary bypass. This observation was at the basis of my project. My specific objectives were 1) to determine the abundance of vascular Angptl2 in the presence of risk factors such as smoking and dyslipidemia, 2) to produce and purify a functional recombinant human Angptl2 protein in order to examine its effects on cellular function in vitro, and 3) to study the pro-atherogenic potential of Angptl2 in vivo using a mouse model of severe dyslipidemia. We showed that Angptl2 is preferentially secreted under pro-oxidant and pro-inflammatory conditions, with a 6-fold increase in endothelial Angptl2 expression in smoker coronary patients with chronic obstructive pulmonary disease. Based on these results, we hypothesized that, in addition to its known pro-inflammatory functions, Angptl2 has pro-oxidant properties. Accordingly, we demonstrated that recombinant Angptl2 stimulates the production of free radicals by HUVEC, an action exerted, at least in part, by the inhibition of the cytoprotective antioxidant pathway, Nrf2/HO-1, and potentially via the activation of the intracellular p38 MAPK pathway. In dyslipidemic LDLr-/-; hApoB-100+/+ mice, we showed that the levels of endogenous Angptl2 in plasma, vascular tissue and atherosclerotic lesions increase in parallel with the development of atherosclerosis. In addition, stimulation with recombinant Angptl2 induces an inflammatory response, as assessed by the expression of cytokines and adhesion molecules and by infiltration of leukocytes into the vascular endothelium. Furthermore, intravenous infusion of purified recombinant Angptl2 for four weeks promoted a 10-fold increase in the formation of atherosclerotic plaques in LDLr-/-; hApoB-100+/+ mice and doubled their circulating cholesterol levels. Finally, we also demonstrated that plasma Angptl2 is 6-fold higher in atherosclerotic patients than in age-matched healthy subjects. These studies therefore strongly suggest that Angptl2 could directly contribute to the development of atherosclerosis by promoting senescence, inflammation and oxidation in endothelial cells. Such properties indicate that Angptl2 may be both a new biomarker of atherosclerosis, as well as one of its contributors.

L’analyse spectrale de la fréquence cardiaque, de la pression artérielle systolique, de la pression artérielle diastolique ainsi que de la respiration par la transformée de Fourier rapide, est considérée comme une technique non invasive pour la détermination de l’activité du système nerveux autonome (SNA). Dans une population de sujets normaux volontaires, nous avons obtenu à l’état basal, des oscillations de basses fréquences (0,05-0,15Hz) reliées au système nerveux sympathique autonome et des oscillations de hautes fréquences (0,2Hz) représentant sur les intervalles entre chaque ondes R de l’électrocardiogramme (RR), l’arythmie sinusale respiratoire correspondant à une activité vagale. Nous avons comparé les tests de stimulation du système nerveux sympathique autonome déclenché par le passage de la position de repos (en décubitus dorsal), à la position orthostatique volontaire et le passage de la position de repos à la position orthostatique avec la table basculante à 60o. Nous avons également comparé un groupe normotendu à un groupe hypertendu qui a été soumis au passage du repos à l’orthostation volontaire et pour lesquels nous avons évalué la sensibilité du baroréflexe et la réponse sympathique par la mesure des catécholamines circulantes. Dans un groupe de sujets ayant une hypertension artérielle essentielle, nous avons évalué l’effet de la thérapie hypotensive, par le Trandolapril qui est un Inhibiteur de l’enzyme de conversion (IEC) de l`angiotensine. Dans ce groupe hypertendu, nous avons procédé, en plus de la stimulation sympathique par l’orthostation volontaire, à un exercice isométrique de trois minutes à 30 % de la force maximale. Nous avons également complété notre évaluation par la mesure de la densité de récepteurs ß2 adrénergiques sur lymphocytes et par la mesure des indices de contractilité à l’aide de l’échocardiographie en M mode. Les résultats ont montré, dans les groupes normaux volontaires, dans les deux types de stimulation du système nerveux sympathique par la position orthostatique, une augmentation significative des catécholamines plasmatiques avec une augmentation de la fréquence cardiaque et des basses fréquences de RR, confirmant ainsi que l’on est en état de stimulation sympathique. On observe en même temps une diminution significative des hautes fréquences de RR, suggérant un retrait vagal lors de cette stimulation. On a observé au test de la table basculante six cas d’hypotension orthostatique. On a comparé la position orthostatique volontaire entre le groupe de sujets normaux et le groupe de sujets hypertendus. L’analyse spectrale croisée de RR et de la pression artérielle systolique a permis d’évaluer dans l’hypertension artérielle (HTA), essentielle une sensibilité du baroréflexe atténuée, accompagnée d’une réactivité vagale réduite en présence d’une activité et d’une réactivité sympathique augmentées suggérant une altération sympathovagale dans l’HTA. Dans le groupe de sujets hypertendus traités (Trandolapril 2mg/jour), nous avons identifié un groupe de répondeurs au traitement par le Trandolapril et un groupe de non répondeurs à ce type de thérapie anti-hypertensive. Le groupe répondeur avait un profil hyper-adrénergique avec une hyper-réactivité sympathique, une fréquence cardiaque et des pressions artérielles diastolique et systolique plus élevées au repos. Dans le groupe total traité au Trandolapril, la densité des récepteurs ß2 adrénergiques a doublé, après thérapie, alors que la réactivité des basses fréquences obtenues à l’analyse spectrale a augmenté. Nous avons montré dans notre étude qu’un IECA a pu inhiber le mécanisme facilitateur de l’angII sur les terminaisons nerveuses sympathiques et a permis ainsi de réduire l’hyperactivité sympathique et le mécanisme de « down regulation » des récepteurs ß2 adrénergiques rendant ainsi l’expression de l’influence du SNA post synaptique plus efficace. Dans l’ensemble de nos protocoles cliniques, par l’utilisation de l’analyse spectrale des signaux RR, de la pression artérielle systolique,de la pression artérielle diastolique et de la respiration, nous avons montré que cette technique non invasive permet de décrire et de mieux comprendre les mécanismes physiologiques, physiopathologiques et pharmacologiques reliés au système nerveux autonome et à l’hypertension artérielle essentielle. / The spectral analysis of the heart rate, the systolic blood pressure, the diastolic blood pressure and the respiration with the Fast Fourier Transform, is considered as a non-invasive technique for the determination of the autonomic nervous system activity. In a population of normal volunteer subjects, we obtained in the basal state, low-frequency oscillations related to the sympathetic autonomous nervous system (0.05-0.15Hz) and the high-frequency oscillations (0.2Hz), which represent, on RR intervals, the respiratory sinus arrhythmia corresponding to vagal activity. We compared the sympathetic nervous system stimulation tests triggered by the transition from resting to voluntary orthostatic positions and the transition from resting to orthostatic position using tilt table at 60o. We also compared a normal blood pressure group to a hypertensive group which were both subject to the transition from resting to voluntary orthostation and for whom we evaluated the baroreflex sensitivity and the sympathetic response by measuring circulating catecholamines. In a group of subjects having an essential arterial hypertension, we have evaluated the effect of hypotensive therapy, by the Trandolapril which is an Angiotensin Converting Enzyme Inhibitor. In the hypertensive group, we evaluated the sympathetic stimulation using the voluntary orthostation, and we have also proceeded to a 3 minutes isometric exercise at 30% of maximum force. We have also completed our evaluation by measuring both the ß2 adrenergic receptor density on isolated lymphocytes and the contractility index using the echocardiography in M mode. In both sympathetic nervous system stimulation types by orthostatic position, the results have shown, for normal blood pressure volunteer subject groups, a significant increase in concentration of plasma catecholamines with an increase of heart rate (HR) and the low frequency RR, confirming therefore that we are in the presence of a sympathetic stimulation state. At the same time, we observed a significant decrease of high frequency of RR, suggesting a vagal withdrawal during the stimulation. We observed six cases of orthostatic hypotension from the tilt table test. We compared the voluntary orthostatic position between normal and hypertension subject groups. The results with combined spectral analysis of RR and the systolic blood pressure allowed to evaluate in the essential high blood pressure a reduced baroreflex sensitivity along with a reduced vagal reactivity in presence of increased sympathetic activity and reactivity suggesting a sympatho-vagal alteration in essential arterial hypertension. In hypertensive subjects treated with Trandolapril 2mg/day, we have identified a group responding to Trandolapril treatment and a group of non-responders to this type of anti-hypertensive therapy. The responding group has an hyper-adrenergic profile with higher sympathetic reactivity, heart rate and arterial diastolic and systolic pressures at rest. In the total group treated with Trandolapril, the ß2 adrenergic receptor density has doubled after therapy, while the reactivity of low frequencies obtained from spectral analysis has increased. We have shown in this study that Angiotensin Converting Enzyme Inhibitor could inhibit the facilitatory mechanism of angII on sympathetic nerve terminals and therefore allowed the reduction of the sympathetic hyperactivity and the cause of a beta2 adrenergic “down regulation”. Thus it allowed us to obtain an increased density of the receptors and the expression of more effective influence of post synaptic Sympathetic nervous system. In all of our clinical protocols, using spectral analysis of RR, systolic blood pressure, diastolic blood pressure and breathing signals, we have shown that this non-invasive technique has helped to describe and to better understand the physiological and pharmacological mechanisms related to the autonomic nervous system in normotensive and hypertensive subjects.

Les opioïdes restent encore à l’heure actuelle les composés pharmacologiques les plus efficaces pour traiter les différentes formes de douleurs, et donc fournir une analgésie thérapeutique. Cependant, l’administration répétée de ces composés entraîne des effets secondaires majeurs comme la dépression respiratoire, la tolérance, mais également, il a été montré que certains de ces opioïdes pouvaient engendrer des états proépileptiques. D’un point de vue thérapeutique, il existe donc un réel besoin pour de nouveaux et meilleurs traitements analgésiques, n’élicitant pas ces effets secondaires. Notre laboratoire étudie la signalétique des récepteurs couplés aux protéines G comme les récepteurs opioïdes et leur capacité de sélectivité fonctionnelle depuis des années, et en particulier celle du récepteur delta opioïde (DOP). En effet, celui-ci présenterait moins d’effets indésirables que le récepteur mu opioïde (MOP) qui est la cible principale des opioïdes classiques comme la morphine. Cependant, il semblerait que le DOP justement soit à l’origine des états proépileptiques précédemment décrits. Ainsi malgré la promesse initiale des agonistes delta par rapport à la diminution des effets secondaires, les effets proépileptiques de certains ont notamment contribué à une baisse d’intérêt vers le DOP et aucun de ses agonistes n’a pu passer les phases de tests cliniques. Cependant, il a été démontré que certains agonistes delta n’entraînaient pas d’effet proépileptique; tandis que d’autres oui. Comment expliquer un tel phénomène ? Ceci est la question que pose la présente recherche. Ainsi notre objectif sera d’obtenir et de comparer les signatures pharmacologiques des agonistes connus pour être proépileptiques versus ceux qui ne le sont pas ; par rapport à la transduction de signal via le récepteur delta opioïde et sa protéine G hétérotrimérique ; et par rapport à un de ses effecteurs principaux pour l’analgésie, un canal potassique rectifiant entrant. Cette comparaison se fera selon les paramètres du modèle classique de la pharmacologie, comme l’efficacité et la puissance ; mais également avec un outil plus récent appelé modèle opérationnel, utilisant des paramètres comme l’affinité et le coefficient de transduction. Pour se faire, le transfert d'énergie par résonance de bioluminescence ou BRET sera utilisé afin de caractériser les différentes voies signalétiques impliquées. Cette recherche s’inscrit dans un vaste contexte de collaboration entre différents laboratoires, et au sein de chacun d’entre eux, dans l’espoir de pouvoir synthétiser un jour, de meilleurs composés pharmacologiques, capables de cibler uniquement les voies médiatrices des effets thérapeutiques voulus, ici l’analgésie ; sans éliciter celles entraînant les effets secondaires associés, ici, les états proconvulsifs. L’aboutissement de cette recherche permettrait donc d’impacter la vie de millions de gens en souffrance, et c’est pourquoi il nous semble plus qu’important de continuer à l’entreprendre. / Opioids are still nowadays the most efficacious pharmacological compounds available to treat the different types of pain, and therefore provide a therapeutic analgesia. However, repeated administration of those compounds lead to major secondary effects like respiratory depression, tolerance, but also it was shown that some opioid compounds could induce seizures. From a therapeutical point of view, there is a serious need for new and better analgesic treatments that do not elicit such adverse effects. Our lab has been studying for years the signaletics of G-protein coupled receptors like the opioid receptors, and their capacity for functional selectivity, especially more recently the one of the delta opioid receptor (DOP). Indeed, this receptor elicits fewer adverse effects compared to the mu opioid receptor (MOP) that is the main target of all clinically used opioids such as morphine. However, it seems like the DOP itself would be responsible for the pro-epileptic states previously described. Thus, despite initial promises of the delta agonists towards reducing adverse effects whilst providing analgesia, the pro-convulsive effects that some seem to elicit have induced a loss of interest towards the DOP, and so far none of its agonists have gone further than pre-clinical trials. However, it has been shown that not all of those DOP agonists had those pro-convulsive adverse effects. How to explain such a phenomenon? This is the question which the present research will be asking. Thus our goal is to obtain and compare pharmacological signatures of the agonists known for being pro-convulsive versus those that are not ; regarding the transduction of signals through the delta opioid receptor and its heterotrimeric G-Protein ; and also regarding one of its main effectors to induce analgesia, an inwardly rectifying potassium channel. This comparison will be done according to the classical parameters of pharmacology, such as efficacy and potency ; but also according to the newest operational model, with parameters such as affinity and transduction coefficients. In order to do so, bioluminescence resonance energy transfer or BRET, will be used in order to characterize and quantify the signalling pathways there implicated. This research is embedded in a vast collaboration context, in between laboratories around the world, and within those laboratories as well, in hope to be able to one day synthesize, better pharmacological compounds, capable of targeting only the pathways responsible for the desired effects, here analgesia ; without triggering the associated adverse effects, here pro-convulsive states. The culmination of this research could allow to impact the lives of millions of people throughout the world, and this is why it is more than important for us to keep on pursuing it.

Les neurones dopaminergiques de la substance noire (SNc) sont les plus vulnérables à la dégénérescence dans la maladie de Parkinson et ses modèles animaux. Suite à des travaux antérieurs et à des résultats préliminaires du laboratoire Trudeau, notre hypothèse actuelle suggère que la très grande taille de l'arborisation axonale des neurones de la SNc soit un facteur clé à l'origine de leur vulnérabilité, puisque cet état devrait être associé à un taux élevé de phosphorylation oxydative et de production de radicaux libres. En accord avec cette hypothèse, les autres populations dopaminergiques, dotées d'arborisations de moindre taille, résistent mieux aux lésions expérimentales et à la maladie chez l'humain. L'objectif du présent projet était de développer un modèle murin dans lequel les neurones de la SNc présentent une taille d'arborisation axonale plus grande, se rapprochant davantage de celle observée chez l'humain et en reproduisant la vulnérabilité, ce qui pourrait représenter une percée importante dans l'identification de nouvelles approches thérapeutiques. Basée sur le bourgeonnement axonal compensatoire des neurones dopaminergiques suite à des lésions partielles, la méthode utilisée fut l'injection unilatérale intranigrale de la toxine 6-hydroxydopamine (6-OHDA) à quelques jours de vie (P5), en visant l'élimination de 50% des neurones de la SNc. Un immunomarquage contre la tyrosine hydroxylase (TH), enzyme de synthèse de la dopamine, ainsi qu'une quantification du signal TH dans le striatum et des comptes neuronaux stéréologiques ont permis de quantifier la lésion partielle et de mettre en évidence la présence d'une croissance axonale compensatoire des neurones dopaminergiques survivants, à 10 et 90 jours post-lésion, suggérant une compensation précoce. Afin de mettre en évidence l'origine du bourgeonnement axonal, nous avons injecté un vecteur viral de type AAV encodant une protéine fluorescente (EYFP) dans la SNc ou la VTA des animaux adultes. Nos résultats confirment la présence de neurones nigrostriés à plus grande arborisation suivant une lésion unilatérale précoce à la 6-OHDA, dont la vulnérabilité accrue pourra être évaluée dans des expériences à venir par des protocoles lésionnels au MPTP, une toxine permettant de modéliser la maladie de Parkinson chez la souris. / Dopaminergic neurons of the substantia nigra (SNc) are amongst the most vulnerable to neurodegeneration in Parkinson's disease and its animal models. According to previous work and preliminary results in our laboratory, our present hypothesis postulates that the large axonal arborisation size of SNc neurons is a key driving factor in their vulnerability, since this characteristic is associated with increased oxidative phosphorylation levels and free radicals production. In agreement with this hypothesis, other dopaminergic populations with smaller axonal arbors better resist to experimental lesions and to the disease process in humans. The current project aims to develop a mouse model in which SNc neurons present an axonal arborisation of increased size, closer to what is encountered in humans, thus reproducing their vulnerability, which could represent an important breakthrough in the identification of new therapeutic approaches. Based on compensatory axonal sprouting of dopaminergic neurons following partial lesions, the method used was the unilateral intranigral injection of the toxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA) at an early age (P5), to induce the loss of approximately 50% of SNc neurons. Immunostaining against tyrosine hydroxylase (TH), an enzyme required for the synthesis of dopamine, TH signal quantification in the striatum and stereological counting of neurons allowed for the quantification of the partial lesion and demonstrated compensatory axonal sprouting at 10 and 90 days post-lesion, with our results suggesting an early compensation. To better characterize the origin of axonal sprouting, we injected an AAV viral vector encoding a fluorescent protein (EYFP) in either the SNc or the VTA of adult animals. Our results confirm the presence of nigrostriatal neurons with increased arborisation sizes following early unilateral lesion using 6-OHDA, whose increased vulnerability will be evaluated in future experiments through lesion protocols using MPTP, a toxin used to model Parkinson's disease in mice.