Ce projet de recherche comporte deux parties principales qui possèdent comme lien unificateur l’amélioration des méthodes et techniques utilisées actuellement pour évaluer aussi bien l’activité que l’expression des cytochromes P450 (CYP450s) et menant par la suite à leur application en clinique. Le premier volet de ce projet de recherche porte sur le développement de méthodes LC-MS/MS pour un cocktail de 7 substrats marqueurs des CYP450s. Notre objectif est de développer et valider une méthode LC-MS/MS spécifique et sensible permettant l’évaluation des activités des CYP1A2, 2B6, 2C9, 2C19, 2D6, 3A4/5 et 2E1 suivant l’administration orale et à faible dose d’un cocktail de substrats marqueurs chez des patients et sujets sains. Les méthodes développées peuvent être utilisées pour évaluer les mécanismes de variabilité interindividuelle comme l’impact de polymorphismes génétiques, de facteurs environnementaux et de maladies dans le processus de métabolisme et d’élimination des médicaments, mais également pour investiguer les interactions médicamenteuses. Ce cocktail a été appliqué avec succès, dans un projet clinique portant sur l’évaluation des effets du diabète sur la capacité métabolique par les CYP450s. Le deuxième volet de ce projet de recherche vise à développer des méthodes analytiques par LC-HRMS afin de caractériser et quantifier les CYP1A1, 1A2, 1B1, 2B6, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6, 2E1, 2J2, 3A4, 3A5, 3A7 et 4F2 dans l’intestin grêle humain. Notre hypothèse suggère que les CYP450s retrouvés le long de l’intestin grêle peuvent affecter significativement l’effet de premier passage de certains médicaments administrés par voie orale et influencer leurs concentrations plasmatiques et conséquemment, leurs effets pharmacologiques et/ou toxiques. Ma participation à ce projet a permis d’identifier des peptides protéotypiques par digestion in silico et in vitro et de développer des méthodes de quantification absolue par LC-HRMS. Ce projet est une première étape dans la caractérisation des CYP450s majeurs le long de l'intestin grêle. Il permettra de mieux comprendre les mécanismes de variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments associés au processus d'absorption intestinal et de mieux prédire la variabilité dans la biodisponibilité des médicaments et de développer des modèles pharmacocinétiques plus complexes. / This research project is divided into two sections, both aiming at the development of sensitive and specific LC-MS methods to evaluate activity and expression of CYP450 and finally, looking at their clinical application. The first section of this research project focuses on the development of analytical methods by LC-MS/MS for a seven CYP450 probe-drug cocktail. Although these cocktails have shown value they also suffer from many limitations. Our objective was to develop and validate highly sensitive and selective LC-MS/MS assays allowing the determination of CYP1A2, 2B6, 2C9, 2C19, 2D6, 3A4/5 and 2E1 activities following administration of low oral doses of a modified CYP450 probe-drug cocktail in patients. These methods can be used to phenotype CYP450 activities, evaluate inter-individual variabilities, study the impact of pathological conditions on drug metabolism and elimination, and evaluate drug-drug interactions. Our CYP450 cocktail assays have been successfully applied to phenotype CYP450 activities in type 2 diabetic patients. The second section of this project aims at the development of a LC-HRMS method for the characterization and absolute quantification of CYP1A1, 1A2, 1B1, 2B6, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6, 2E1, 2J2, 3A4, 3A5, 3A7 and 4F2 in the human small intestine. Our hypothesis suggests that CYP450 isoenzymes found along the small intestine can significantly affect the first-pass effect of certain drugs administered orally and thus influence their pharmacological and/or toxic effects. My participation in this project allowed to identify proteotypic peptides by in silico and in vitro digestion and to develop LC-HRMS methods allowing the absolute quantification of CYP450. This project is a first step in the characterization of the main CYP450 along the small intestine. This project will allow a better understanding of inter-individual variability in drug response associated with intestinal absorption of drugs, a better prediction of variability in drug bioavailability and to develop more complex pharmacokinetic models.

Mon projet de doctorat a pour objet l'étude des facteurs pouvant influencer le métabolisme des médicaments et la variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments. Mon projet cible plus précisément les Cytochromes P450 (CYP450), le système enzymatique majeur impliqué dans la biotransformation des médicaments. Mes travaux de recherche évaluent l'impact d’une condition pathologique, le diabète de type 2 (DT2), sur l'activité métabolique des CYP450s. Mes études comprennent un volet de métabolisme systémique chez le patient et un volet de métabolisme in vitro. Dans cette thèse, les résultats de mes recherches sont rapportés sous forme de présentation par articles. Le volet in vivo consistait en une étude de pharmacocinétique qui visait à évaluer l’impact du diabète sur l’activité métabolique de différentes isoformes des CYP450s en utilisant un cocktail de substrats-marqueurs. Des patients avec le DT2 et des sujets non diabétiques ont reçu une dose orale de notre cocktail VM/JT de substrats-marqueurs composé de caféine (CYP1A2), bupropion (CYP2B6), tolbutamide (CYP2C9), oméprazole (CYP2C19), dextrométhorphane (CYP2D6) et midazolam (CYP3A4/5) suivi d'une administration de chlorzoxazone (CYP2E1). Le protocole pour cette étude est détaillé dans l’article disponible à la section 2.1; manuscrit 1. Les concentrations plasmatiques et urinaires des médicaments marqueurs et de leurs métabolites spécifiques ont été quantifiées par LC-MS/MS suivant la méthode publiée dont l’article est disponible à l’annexe 1. Cette étude m’a permis de montrer que les patients avec le DT2 présenteraient une clairance systémique réduite via les isoformes CYP2B6, CYP2C19 et CYP3A. L’article présentant ces résultats se trouve à la section 2.1; manuscrit 2. Au cours de cette étude clinique, nous avons aussi évalué l’utilisation du 4-hydroxycholestérol comme biomarqueur endogène de l’activité du CYP3A dans une population avec le DT2 (objectif secondaire). Les conclusions démontrant la validité de ce biomarqueur sont disponibles dans l’article qui se trouve à la section 2.2; manuscrit 3. Le volet in vitro de mes travaux a permis d’évaluer au niveau du duodénum l’influence du DT2 sur l’expression de plusieurs CYP450s et transporteurs, ainsi que sur l’activité des CYP2B6, CYP2C9, CYP2J2 et CYP3A. Aucun impact significatif du DT2 n’a été mesuré sur l’expression d’ARNm des CYP450s et transporteurs testés exprimés dans des biopsies duodénales. Les niveaux d’activité mesurés à l’aide d’incubations avec des substrats-marqueurs des CYP450s dans des fractions S9 de biopsies duodénales étaient semblables chez des sujets avec le DT2 et des non diabétiques. L’article sur les résultats de ce volet in vitro est disponible à la section 2.3; manuscrit 4. Ces résultats suggèrent que les effets du diabète sur le métabolisme des substrat-marqueurs observés dans l’étude clinique peuvent s’expliquer par une modulation au niveau hépatique ou dans différentes sections de l’intestin. En accord avec ces résultats chez l’humain, notre groupe avait déjà rapporté que l’effet du diabète sur les CYP450s était isoforme et tissu spécifique chez la souris (annexe 2). L'objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la variabilité dans la réponse aux médicaments observés chez les patients diabétiques, lesquels nécessitent fréquemment une polypharmacie. Les résultats de ces travaux permettront éventuellement d’optimiser la pharmacothérapie chez ces patients. / My PhD project evaluates factors that can influence drug metabolism and interindividual variability in drug response. More precisely, my thesis focuses on the major drug metabolizing enzymes, the cytochromes P450 (CYP450). My researches evaluated the impact of a pathological condition, namely type 2 diabetes (T2D), on CYP450 metabolic activities in two parts. First, the effect of diabetes on systemic metabolism was evaluated in patients. Then, in vitro experiments enabled us to measure the impact of T2D on organ-specific or metabolism. In this thesis, my research results are presented in 4 scientific papers. The in vivo part of my PhD research consisted of a pharmacokinetic study assessing metabolic activity of different isoforms of the CYP450s using a cocktail of probe drugs in T2D patients and non-diabetic subjects. All participants of both study groups received a dose of our oral VM/JT probe drugs cocktail consisting of caffeine (CYP1A2), bupropion (CYP2B6), tolbutamide (CYP2C9), omeprazole (CYP2C19), dextromethorphan (CYP2D6) and midazolam (CYP3A4/5) followed by a dose of chlorzoxazone (CYP2E1), alone. Study procedures are detailed in the protocol article (manuscrit 1) presented in section 2.1. Plasma and urine concentrations for all probe drugs and specific metabolites were quantified using a published LC-MS/MS method that is available in annexe 1. This study showed that patients with T2D exhibited reduced systemic clearances for the isoforms CYP2B6, CYP2C19 and CYP3A. Results of this pharmacokinetic research are presented in manuscrit 2 of section 2.1. As a secondary objective, this in vivo part of my PhD project enabled us to verify the validity of 4-hydroxycholesterol as an endogenous biomarker of CYP3A activity in a population with T2D. Conclusions showing its validity as an endogenous biomarker in such population are presented in section 2.2 (manuscrit 3). The in vitro part of my doctoral project evaluated in the intestines the influence of T2D on the mRNA expression of numerous CYP450 isozymes and drug transporters, as well as on metabolic activity of CYP2B6, CYP2C9, CYP2J2 and CYP3A. Using duodenal biopsies, no significant impact of T2D was detected on the mRNA expression levels of all tested CYP450s and transporters. Activity levels measured following incubations of probe-substrates in S9 fractions of duodenal biopsies obtained from patients with T2D and non-diabetic patients were similar. Results from this in vitro study are reported in section 2.3 (manuscrit 4) of this thesis. These results obtained in human subjects are in agreement with our previously published results showing isoform- and tissue-specific effects of T2D on CYP450s in mice (annexe 2). Overall, the central theme of this thesis is to better understand the underlying mechanisms of drug response variability observed in diabetic patients, whom often require polypharmacy, in order to eventually optimize drug therapy in those patients.