La découverte de l'hormono-dépendance de plusieurs types de cancer du sein a permis des progrès rapides dans le traitement de ces tumeurs. L'antiestrogène tamoxifène est de fait l'agent de choix utilisé dans le traitement de ces tumeurs. Afin d'augmenter son efficacité, plusieurs oncologues cliniciens préconisent son association avec les antinéoplasiques comme la doxorubicine. Le présent travail a été entrepris afin de contribuer à une meilleure rationalisation d'une telle approche sur la base d'une meilleure connaissance des sites et mécanismes d'action de ces deux formes de traitement en utilisant la doxorubicine et le tamoxifène comme prototype. / Montréal Trigonix inc. 2018

Nous avons étudié la régulation par les stéroïdes de la prolifération des cellules de la lignée de cancer du sein humain ZR-75-1. Les stéroïdes C l9~A5 surrénaliens exercent une action estrogénique chez ces cellules dont le A s-androstène-3p,17f}-diol (A5-diol) semble être l'unique agent responsable . Les stéroïdes C lg-A5 surrénaliens, et en particulier le A 5-diol, sont estérifiés à des acides gras à chaîne longue qui conduisent à la séquestration intracellulaire de ces stéroïdes, et représentent la forme majeure sous laquelle on les retrouve chez les cellules ZR-75-1. Les androgènes inhibent fortement la prolifération de cette lignée via leur interaction avec le récepteur des androgènes et antagonisent l'effet mitogénique des estrogènes. Une partie de ce dernier effet peut être attribué à la suppression observée de l'expression du récepteur des estrogènes par l'activité spécifique des androgènes. L'interaction des progestatifs avec les récepteurs de la progestérone conduit à une inhibition de l'effet mitogénique des estrogènes et à une augmentation des récepteurs de l'insuline chez les cellules ZR-75-1, et l'insuline renverse complètement ces effets à des concentrations physiologiques. Les progestatifs synthétiques exercent tous une action androgénique plus ou moins marquée sur les cellules ZR-75-1 accompagnée d'un potentiel antiandrogénique inversement proportionnel. L'activité progestative propre de ces composés est inversement proportionnelle à leur activité androgénique, possiblement à cause de la suppression du récepteur de la progestérone par la composante androgénique. Ces ‘stéroïdes exercent aussi des effets antiprolifératifs spécifiquement dûs à leur interaction avec le récepteur des glucocorticoïdes. La noréthindrone et le norgestrel, deux progestatifs synthétiques utilisés pour la contraception orale, ont en plus un potentiel estrogénique probablement dû à une activation métabolique. Chez les cellules ZR-75-1, 1'antiestrogène stéroïdien ICI164384 exerce des effets purement antagonistes alors que deux antiestrogènes non stéroïdiens différents ont une activité agoniste partielle. L'interaction de l'ICI164384 avec le récepteur des estrogènes est rapidement réversible, contrairement à celle observée avec les antiestrogènes non stéroïdiens.

La famille des enzymes 17β-hydroxystéroïde déshydrogénases (17β-HSDs) humaines est responsable de la biosynthèse des hormones stéroïdiennes. Les enzymes réductrices de cette famille, c'est-à-dire la 17β-HSDl, la 17β-HSD5 et la 17β-HSD7, sont impliquées dans la dernière étape de la synthèse des estrogènes actifs, jouant ainsi des rôles importants dans plusieurs cancers reliés au système endocrinien. Les autres facteurs qui permettent la progression ou la deletion de gènes sont les molécules de stéroïdes en action avec les récepteurs stéroïdiens nucléaires. Dans cette thèse, je présente la structure cristalline de la 17β-HSD1 avec plusieurs stéroïdes, incluant A-diol, 3β-diol, DHT et E₁, les deux premiers étant reconnus pour avoir une plus faible affinité pour l'enzyme. De plus, des études de cristallographie, de modélisation par ordinateur aussi bien que des études de biologie cellulaire ont démontré la propriété inhérente de translation des stéroïdes sexuels. Cette étude est d'un intérêt particulier puisqu'elle ouvre de nouvelles portes pour l'exploration d'une thérapie hormonale adjuvante. Je présente, de plus, des études d'inhibition aussi bien que le design et la prédiction de nouveaux inhibiteurs en utilisant la cristallographie, les essais enzymatiques et la modélisation de la 17β-HSD1 et de la 17β-HSD5. Finalement, je présente une étude préliminaire structure-fonction de la 17β-HSD7. Une revue sur plusieurs sujets touchant la cristallogenèse et l'activité de la 17β-HSD est aussi rapportée dans l'annexe.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'hormonothérapie adjuvante (HA) quotidienne prescrite pour 5 à 10 ans à la suite d'un cancer du sein est associée à une réduction du risque de récidive et de mortalité. Une équipe multidisciplinaire a développé le programme SOIE (Soutien, Outils, Information, Entraide) afin d'améliorer l'expérience des femmes avec l'HA et l'adhésion à ce traitement. Le programme a été testé dans une étude-pilote quant à sa faisabilité, son acceptabilité et son potentiel d'efficacité. Ce mémoire a pour objectif d'évaluer les effets du programme sur l'intention et les autres facteurs psychosociaux susceptibles d'influencer l'adhésion à l'HA qu'il cible, 3 mois après l'entrée à l'étude. L'étude-pilote est un essai contrôlé randomisé à deux bras parallèles. Au total, 106 femmes ayant reçu une première prescription d'HA ont été recrutées, 52 assignées au groupe intervention et 54 au groupe contrôle. Des modèles d'équation d'estimation généralisée ont permis de comparer les patrons de changement des scores des facteurs psychosociaux entre les groupes dans le temps. La valeur-p de l'interaction groupe*temps a été utilisée pour tester les différences entre les deux groupes. Le calcul du d de Cohen a permis d'estimer la taille d'effet. Les analyses à 3 mois indiquent que le programme SOIE n'a pas d'effet sur l'intention d'adhérer mais a le potentiel d'améliorer les connaissances des femmes sur l'HA (différence des moyennes dans le temps: 1,23; valeur-p groupe*temps=0,01; d de Cohen=0,42) et de les préparer à mieux planifier la gestion des difficultés liées à l'HA (0,48; valeur-p=0,02; d=0,45). Une tendance dans l'amélioration de leur perception du soutien social (0,34; valeur-p=0,08; d=0,28), notamment celui des professionnels de la santé (0,33; valeur-p=0,10; d=0,24) a également été observée. Les analyses après 12 mois de suivi et un volet qualitatif en cours guideront les décisions quant à l'évaluation à plus large échelle du programme. / Daily adjuvant endocrine therapy (AET) prescribed for 5 to 10 years following breast cancer is associated with a reduced risk of recurrence and mortality. A multidisciplinary team developed the SOIE (Soutien, Outils, Information, Entraide) program to improve women's experience with AET and treatment adherence. The program was first pilot-tested to assess its feasibility, acceptability, and potential efficacy. The purpose of this master thesis is to assess the program effects on intention to adhere and other psychosocial factors hypothesized to influence AET adherence, 3 months after study entry. This is a pilot two-arm parallel randomized controlled trial. Overall, 106 women were recruited, 52 randomly assigned to the intervention group and 54 to the control group. Generalized estimating equation models were used to compare patterns of change in psychosocial factors scores between two groups over time with a p-value estimate of the group-by-time interaction. Cohen's d was used to estimate the effect size. 3-month analyses indicate that, early in their treatment trajectory, the SOIE program did not have an effect on intention. However, the program has the potential to improve women's knowledge about AET (difference in means over time: 1.23; group*time p-value=0.01; Cohen's d=0.42) and prepare them to cope with AET-related difficulties through better coping planning (0.48; p-value=0.02; d=0.45). Tendency of improvement in perception of social support (0.34; p-value=0.08; d=0.28), especially support from health professionals (0.33; p-value=0.10; d=0.24) was also observed. 12-month follow-up analysis and an ongoing qualitative study will help guide decisions regarding a larger-scale evaluation of the program

Les cancers du sein sont un problème majeur de santé publique et le développement de nouveaux traitements demeure capital. À cet effet, notre groupe de recherche a développé une nouvelle famille de promédicaments antimitotiques nommés *N*-alkyle phénylimidazolidones (AIMZs) aussi appelés phényle 4-(2-oxo-3-alkylimidazolidin-1-yl)benzènesulfonates (PAIB-SOs). La structure moléculaire des AIMZs est constituée d'une chaîne alkyle, d'un groupement phénylimidazolidone et d'un pont sulfonate liant deux anneaux aromatiques (A et B). Leur mécanisme de bioactivation repose sur leur *N*-désalkylation *in situ* par le Cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) en puissants agents antimitotiques, les IMZs. Toutefois, les études de stabilité dans les microsomes de foie de souris ont montré une courte demi-vie ($t_\mathsf{1/2}$). Afin de pallier ce problème potentiel, nous avons proposé qu'il était possible de pharmacomoduler les AIMZs et d'améliorer leurs propriétés biopharmaceutiques en modifiant leur structure au niveau de leur pont sulfonate, de la longueur de leur chaîne alkyle et des groupements substituant leur anneau aromatique B. L'objectif de mon doctorat était donc de 1) étudier l'effet des modifications moléculaires sur leur activité biologique et 2) sélectionner 3 AIMZs prometteurs pour des études chez des modèles murins. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet de la modification du pont sulfonate des AIMZs par un groupement sulfonamide. Nos résultats montrent que les AIMZs portant un pont sulfonamide ont une activité antiproliférative dans la gamme de la centaine de nanomolaire jusqu'au bas micromolaire et une sélectivité envers les cellules MCF7 exprimant le CYP1A1. De plus, l'AIMZ **13**, le plus puissant de cette famille, induit un arrêt du cycle cellulaire en phase G2/M, une perturbation des microtubules et une bioactivation par le CYP1A1. Nos travaux montrent qu'il est possible de modifier le pont sulfonate des AIMZs par un pont sulfonamide, mais leur développement a été arrêté en raison de leur faible hydrosolubilité. Nous avons par la suite étudié l'effet d'homologuer la chaîne alkyle sur l'azote du groupement phénylimidazolidone. Nous avons premièrement étudié l'AIMZ le plus prometteur nommé CEU-818 portant une chaîne butyle. Le CEU-818 et son antimitotique correspondant *N*-désalkylé nommé CEU-602 ont été radiomarqués et administrés à des modèles murins. Nos résultats montrent qu'ils ont des temps de rétention tissulaire ≤ 6 h considérés trop courts pour engendrer un effet pharmacologique optimal en administrations intraveineuses dans ce modèle. Des AIMZs portant des chaînes alkyles plus longues ont donc été synthétisés afin d'améliorer leurs propriétés biopharmaceutiques. Les AIMZs portant une chaîne *n*-hexyle ou *n*-octyle ont peu ou pas d'activité biologique et sont peu hydrosolubles. Leur développement a donc été abandonné. Néanmoins, ceux porteurs d'une chaîne *n*-pentyle montrent une activité antiproliférative dans l'ordre du nanomolaire envers des cellules exprimant le CYP1A1. Les AIMZs **21**, **23**, **26**, **28** et **30** ont été sélectionnés en fonction de leur activité envers les cellules MCF7 (50-600 nM) et leur ratio de sélectivité (> 21). Ils arrêtent le cycle cellulaire en phase G2/M, perturbent les microtubules et sont bioactivés via le CYP1A1. L'essai de la membrane chorioallantoïque de l'embryon de poulet montre que les AIMZs **26** et **30** sont dépourvus de toxicité envers les embryons de poulet. Ils ont une activité antitumorale envers les cellules HT-1080 transfectées avec le CYP1A1 comparativement aux cellules HT-1080 de type sauvage et transfectées seulement avec le vecteur. Notre criblage a permis de sélectionner les AIMZs **21** (CEU-835), **23** (CEU-934) et **28** (CEU-938) pour des essais chez les souris, en écartant les composés **26** et **30** en raison de leur faible solubilité dans nos formulations pharmaceutiques. À cet effet, une méthode de détection par UHPLC-UV a été développée afin de quantifier ces AIMZs dans le plasma de souris. Nos travaux montrent que les administrations multi-intraveineuses des AIMZs dans le modèle murin sain n'engendrent pas de toxicité aiguë ou mi-chronique. De plus, les AIMZs **21**, **23** et **28** montrent un $t_\mathsf{1/2}$ respectivement de 8,1, 23,2 et 21,5 h. Finalement, ils induisent un arrêt de la croissance tumorale comparable au paclitaxel dans le modèle murin de xénogreffes MCF7. En conclusion, nos travaux montrent que les AIMZs sont conçus pour engendrer que peu ou pas d'effets indésirables comparativement aux agents antimicrotubules actuels. Les AIMZs sont donc une nouvelle famille de promédicaments antimitotiques puissants et prometteurs pour le développement d'une thérapie ciblée envers les cancers du sein exprimant le CYP1A1. / Breast cancers are a major public health problem, and the development of novel treatments remains a crucial issue. To this end, our research group develops a novel family of antimitotic prodrugs known as *N*-alkyl phenylimidazolidones (AIMZs) also named phenyl 4-(2-oxo-3-alkylimidazolidin-1-yl)benzenesulfonates (PAIB-SOs). The molecular structure of AIMZs is constituted by a short alkyl chain, a phenylimidazolidone group and a sulfonate bridge linking two aromatic rings (A and B). AIMZs exhibit a potent cytotoxic activity and are selective towards cytochrome P450 1A1 (CYP1A1)-expressing breast cancer cells. Their bioactivation mechanism is based on an *in situ N*-dealkylation by CYP1A1 into potent antimitotics known as phenylimidazolidones (IMZs) also named phenyl 4-(2-oxoimidazolidin-1-yl)benzenesulfonates. However, the stability analysis using mouse liver microsomes showed that AIMZs exhibit a short half-life ($t_\mathsf{1/2}$). To circumvent this potential issue, we proposed that it is possible to pharmacomodulate AIMZs and to improve their biopharmaceutical properties by modifying their structure on their sulfonate bridge, the length of their alkyl chain and the substituents on their aromatic ring B. The objective of my doctorate was therefore to 1) study the effect of the molecular modifications on their biological activity and 2) select 3 promising AIMZs for studies in murine animal models. We first studied the effects of the replacement of the sulfonate bridge by a sulfonamide moiety. The results show that AIMZs bearing a sulfonamide bridge exhibit an antiproliferative activity ranging from hundreds nanomolar to low micromolar and selectivity toward MCF7 cells expressing CYP1A1. Moreover, the most potent compound **13** of this subfamily of AIMZs induces a cell cycle arrest in the G2/M phase, a perturbation of microtubules and a bioactivation by CYP1A1. Our work evidences that it is possible to modify the sulfonate bridge of AIMZs by a sulfonamide but their development has been stopped due to their low hydrosolubility. We then studied the effect of the homologation of the alkyl chain substituted in the nitrogen atom of the phenylimidazolidone moiety. We first studied the most promising butyl-bearing AIMZ called CEU-818. CEU-818 and its corresponding *N*-dealkylated antimicrotubule agent named CEU-602 were radiolabeled and administered to murine models. Our results show that they exhibit tissular retention times of ≤ 6 h considered too short to have an optimal pharmacological effect in this model with intravenous administrations. AIMZs bearing longer alkyl chains were synthesized to improve their biopharmaceutical properties. *n*-Hexyl- and *n*-octyl-bearing AIMZs exhibit low or no biological activity and are weakly hydrosoluble. Their development was therefore abandoned. However, those carrying a *n*-pentyl chain exhibit antiproliferative activity in the nanomolar range toward CYP1A1-expressing cells. AIMZs **21**, **23**, **26**, **28** and **30** were selected due to their activity towards MCF7 cells (50-600 nM) and their selectivity ratio (> 21). They arrest the cell cycle progression in the G2/M phase, they disrupt microtubules and they are bioactivated via CYP1A1. The chorioallantoic membrane assay showed that AIMZs **26** and **30** are devoid of toxicity towards chick embryos. They exhibit an antitumoral activity toward CYP1A1-transfected HT-1080 cells (HT-1080$^\mathit{CYP1A1}$) as compared to HT-1080 wild-type and vector-transfected cells (HT-1080$^\mathit{empty}$). Our screening program allowed the selection of AIMZs **21** (CEU-835), **23** (CEU-934), and **28** (CEU-938) for studies in mice. To this end, an UHPLC-UV detection method was developed to quantify these AIMZs in mouse plasma. Our work demonstrated that the multi-intravenous administrations of AIMZs to a healthy murine model do not lead to any acute or mid-chronic toxicity. Furthermore, AIMZs **21**, **23** and **28** exhibit a $t_\mathsf{1/2}$ of 8.1, 23.2 and 21.5 h, respectively. Finally, they induce an arrest of tumor growth comparable to paclitaxel in the xenograft mouse model of MCF7. In conclusion, our work demonstrates that AIMZs are designed to produce few or no adverse effects compared to current antimicrotubule agents. AIMZs are therefore a novel family of potent antimitotic prodrugs that are promising for the development of a targeted therapy toward CYP1A1-expressing breast cancer cells.

Le cancer est un enjeu majeur de santé publique et il représente la première cause de mortalité au Canada. Environ deux canadiens sur cinq seront diagnostiqués d'un cancer au cours de leur vie et un sur quatre en succombera. Malgré les avancées en matière de traitements, le cancer demeure une maladie difficile à traiter et à pronostic sévère tuant encore aujourd'hui. Par conséquent, il est impératif de développer de nouveaux traitements pour lutter contre cette maladie mortelle. C'est dans cette optique que s'inscrit mon projet de doctorat. Il porte principalement sur le développement de deux nouvelles familles d'agents anticancéreux : 1) les promédicaments antimicrotubules ciblant les cellules cancéreuses du sein exprimant le cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) nommés *N*-alkyl phénylimidazolidones (AIMZs) et 2) les inhibiteurs de la dihydroorotate déshydrogénase (DHODH) ciblant les cellules leucémiques de type myéloïde aiguë (LMA) nommés *N*-phényl ureidobenzènesulfonates (PUB-SOs). L'un des problèmes prédominant lors du développement de nouveaux médicaments est l'hydrosolubilité des nouvelles molécules préparées et malheureusement, nos composés n'échappent pas à cette règle. De plus, la formation de sels est une stratégie incontournable utilisée dans l'industrie pharmaceutique pour améliorer cette propriété. Dans ce contexte, nous avons proposé que la formation de sels augmente l'hydrosolubilité de nos composés sans altérer leurs propriétés biologiques. L'objectif principal de mon projet de recherche doctoral était donc de concevoir, de préparer et d'évaluer les propriétés physicochimiques et biologiques de nouveaux AIMZs et PUB-SOs et leurs sels afin d'optimiser leurs propriétés biopharmaceutiques. Il est divisé en trois phases principales : 1) conception, synthèse et caractérisation des AIMZs et des PUB-SOs et leurs sels, 2) évaluation de leurs propriétés physicochimiques et biologiques en utilisant différents essais biofonctionnels et 3) évaluation pharmacocinétique des deux meilleurs candidats chez un modèle murin. À cet effet, plus de 100 nouveaux dérivés et analogues des AIMZs et des PUB-SOs ont été conçus et préparés en ajoutant une fonction ionisable au niveau de leur architecture moléculaire afin de former leurs sels. Ils ont été par la suite caractérisés chimiquement et évalués biologiquement. Les nouveaux AIMZs et leurs sels présentent une puissante activité antiproliférative de l'ordre du nanomolaire au bas micromolaire et une sélectivité importante sur les cellules cancéreuses mammaires exprimant le CYP1A1. De plus, les composés les plus puissants arrêtent la progression du cycle cellulaire en phase G2/M, inhibent la polymérisation des microtubules et perturbent le cytosquelette en se liant au site de liaison de la colchicine. Ils sont également bioactivés par *N*-désalkylation via le CYP1A1 en leurs puissants dérivés antimitotiques et présentent un profil de propriétés physicochimiques et de stabilité hépatique *in vitro* adéquat pour des études *in vivo*. De leur côté, les nouveaux PUB-SOs et leurs sels montrent une activité antiproliférative allant de la centaine de nanomolaire au bas micromolaire sur des lignées cellulaires LMA. Les composés les plus puissants arrêtent le cycle cellulaire en phase S et induisent la phosphorylation de l'histone H2AX, un marqueur de stress réplicatif. Ils inhibent l'activité de la DHODH, induisent la différenciation des cellules leucémiques et présentent un profil de propriétés physicochimiques et de stabilité hépatique sur des microsomes de foie murin et humain appropriés pour des études chez les animaux. Les nouveaux sels des deux familles présentent une solubilité supérieure par rapport à leur composé correspondant neutre sans altérer leur activité biologique. Finalement, les deux sels des dérivés PUB-SOs les plus actifs *in vitro* ont été administrés à des souris femelles CD-1 pour déterminer leur demi-vie ($t_\mathsf{1/2}$). Les deux composés ont montré des $t_\mathsf{1/2}$ se situant dans la dizaine de minutes. Somme toute, mon projet a permis de préparer de nouveaux analogues AIMZs et PUB-SOs et leurs sels avec une solubilité aqueuse améliorée en conservant leur activité biologique et un profil de propriétés physicochimiques adéquat. Ces résultats mettent en lumière que la formation de sels sur la structure chimique des AIMZs et des PUB-SOs est une stratégie appropriée afin d'améliorer l'hydrosolubilité et de faciliter la formulation de ces composés. Néanmoins, des études plus poussées devront être réalisées afin de comprendre et d'améliorer leur faible $t_\mathsf{1/2}$. En somme, mes travaux contribueront ultimement à l'optimisation de thérapies plus efficaces et moins toxiques pour améliorer la qualité de vie des patients atteints de cancers mammaires et leucémiques. / Cancer is a major public health concern and represents the leading cause of death in Canada. Approximately two out of five Canadians will be diagnosed with cancer during their lifetime and one out of four will die from it. Despite advances in treatments, cancer remains a challenging disease to treat still claiming lives today. Therefore, it is imperative to develop new treatments to treat this lethal disease. As a result, my doctoral project primarily focuses on the development of two new families of anticancer agents: 1) antimicrotubule prodrugs targeting breast cancer cells expressing cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) designated as *N*-alkyl phenylimidazolidones (AIMZs), and 2) dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) inhibitors targeting acute myeloid leukemia (AML) cells named *N*-phenyl ureidobenzenesulfonates (PUB-SOs). One of the predominant issues during the development of new drugs is the water solubility of the newly prepared molecules and unfortunately our compounds are not exempt from this problem. Moreover, salt formation is an essential strategy used in the pharmaceutical industry to improve this property. In this context, we proposed that salt formation increases the water solubility of our compounds without altering their biological properties. Therefore, the main objective of my doctoral project was to design, prepare, and evaluate the physicochemical and biological properties of new AIMZs, PUB-SOs and their salts to optimize their biopharmaceutical properties. It is divided into three main phases: 1) design, synthesis, and characterization of AIMZs and PUB-SOs and their salts, 2) evaluation of their physicochemical and biological properties using various biofunctional assays, and 3) pharmacokinetic evaluation of the two best candidates in a mouse model. To this end, over 100 new derivatives and analogues of AIMZs and PUB-SOs were designed and prepared by adding an ionisable function to their molecular architecture to enable salt formation. They were subsequently chemically characterized and biologically evaluated. First, the new AIMZs and their salts exhibit potent antiproliferative activity in the nanomolar to low micromolar range and significant selectivity against breast cancer cells expressing CYP1A1. Moreover, the most potent compounds arrest cell cycle progression in the G2/M phase, inhibit microtubule polymerization, and disrupt the cytoskeleton by binding to the colchicine-binding site. They are also bioactivated by CYP1A1 microsomes into their potent antimitotic derivatives by *N*-dealkylation and exhibit suitable physicochemical properties and *in vitro* hepatic stability profiles for *in vivo* studies. Second, the new PUB-SOs and their salts show antiproliferative activity ranging from hundreds of nanomolar to low micromolar on AML cell lines. The most potent compounds arrest the cell cycle in the S-phase and induce phosphorylation of histone H2AX, a marker of replicative stress. They inhibit DHODH activity, induce differentiation of leukemia cells, and exhibit physicochemical properties and hepatic stability profiles on murine and human liver microsomes suitable for animal studies. The new salts of both families exhibit higher solubility compared to their corresponding neutral counterparts without altering their biological activity. Finally, the half-life ($t_\mathsf{1/2}$) of the two most promising salts of PUB-SO derivatives were evaluated in a healthy female CD-1 mice. Both compounds showed $t_\mathsf{1/2}$ in the range of ten minutes. Overall, my project has enabled the preparation of new AIMZ and PUB-SO analogues and their salts with improved aqueous solubility while retaining their biological activity and an adequate physicochemical properties profile. These results highlight that salt formation on the chemical structure of AIMZs and PUB-SOs is an appropriate strategy to improve the water solubility and facilitate the formulation of these compounds. Nonetheless, further studies will need to be performed to understand and improve their short $t_\mathsf{1/2}$. My work will ultimately contribute to the optimization of more effective and less toxic therapies to improve the quality of life for patients with breast and leukemia cancers.

Cette thèse porte sur le développement et la validation d’outils afin d’améliorer l’efficacité des traitements de curiethérapie à haut débit de dose (HDR) du sein. Le but du projet vise donc à concevoir et valider un nouveau système de planification et de guidage en temps réel des traitements de curiethérapie HDR du sein, basé principalement sur l’échographie 3D (3DUS). Dans un premier temps, une étude clinique a été réalisée à l’aide d’un premier prototype 3DUS linéaire développé par le groupe. L’étude a permis de constater que le volume mesuré par échographie 3D est environ trois fois plus petit que celui mesuré par tomodensitomètre et que le système possède plusieurs limitations (ex : volume d’acquisition trop petit, guidage des cathéters impossible). Dans un deuxième temps, un algorithme d’optimisation de la position et du nombre de cathéters a été développé. Il s’est avéré que la méthode développée est robuste aux erreurs d’implantation et qu’il est possible de réduire significativement le nombre de cathéters sans avoir un impact important sur la dosimétrie. Dans un troisième temps, une étude a comparé cet algorithme au seul algorithme commercialement disponible, HIPO. Les résultats ont démontré que l’algorithme HIPO produit des plans significativement inférieur, en terme de dosimétrie, à l’algorithme présenté dans cette thèse. Dans un quatrième temps, deux méthodes ont été développées afin de réaliser une planification personnalisée, en temps réel des traitements de curiethérapie HDR du sein. Les deux méthodes se sont avérées efficaces pour réduire le nombre de cathéter. Une preuve de concept a été validée et elle a démontré le potentiel d’une planification personnalisée, en temps réel des traitements de curiethérapie HDR du sein. À l’aide des connaissances acquises dans l’étude clinique, un nouveau prototype 3DUS a été développé. Il inclut un nouveau mode d’acquisition hybride et un module de guidage de la position des cathéters. Les résultats présentés dans cette étude ont mis en évidence le fait que le système 3DUS hybride a la capacité de mesurer avec justesse les dimensions linéaires ainsi que les volumes. Il reconstruit également avec justesse la trajectoire des cathéters. Pour terminer, dans le but d’effectuer une reconstruction dynamique des cathéters, un système de guidage électromagnétique a été validé. Les résultats ont démontré que la reconstruction des cathéters, en curiethérapie HDR, est significativement plus juste et plus précise à l’aide d’un système de guidage électromagnétique qu’en utilisant les méthodes conventionnelles. / This thesis focuses on the development and validation of different tools to increase the efficacy of high dose rate (HDR) breast brachytherapy treatments. The project goal aim at designing and validating a new system for real-time guidance and planning of HDR breast brachytherapy treatments, based mainly on 3D ultrasound (3DUS). As a first step, a clinical study was performed using the first linear 3DUS prototype developed by our group. This study has shown the limitations of the current system (ex : small acquisition volume, no catheter tracking possibility) and that 3DUS volumes are three times smaller than computed tomography volumes. As a second step, a catheter optimization algorithm was developed. The algorithm was shown to be robust to catheter implantation errors and it was possible to reduce significantly the number of catheters without having a significant negative impact on the dosimetry. As a third step, a study was designed to compare the present catheter optimization algorithm to the only commercially available algorithm, HIPO. The results demonstrated that the HIPO algorithm produce significantly worse plan, in term of dosimetry, than the algorithm that was developed in the present thesis. As a fourth step, two methods were developed for personalized, real-time planning of breast HDR brachytherapy treatments. The two methods were efficient and they were able to reduce the number of catheters. A proof-of-concept was validated and it demonstrated the potential of a personalized, real-time planning approach for breast HDR brachytherapy. Using the experience acquired during the clinical study, a new 3DUS system was developed. The system includes a new hybrid acquisition approach and a module for catheter tracking. The results presented in this study have shown the ability of the hybrid 3DUS system to accurately measure linear dimensions and volumes. Furthermore, it allows the reconstruction of the catheters trajectory with accuracy as well as track them in real-time. Finally, in order to dynamically reconstruct catheters, an electromagnetic tracking system was validated. This study has shown that the reconstruction of catheters, in HDR brachytherapy, is significantly more accurate and precise with an electromagnetic tracking system than with the conventional methods.

Titre de l'écran-titre (visionné le 7 septembre 2023) / Introduction : Les traitements oncologiques occasionnent des troubles cognitifs (TC) persistants. Aucun traitement pharmacologique ne s'est avéré efficace pour les améliorer. Objectifs : Évaluer la faisabilité de l'utilisation du méthylphénidate (MP) pour traiter les TC chez des femmes ayant terminé leurs traitements pour un cancer du sein de stade I-III depuis au moins six mois en vue de réaliser une étude de phase III. Estimer les effets du MP sur les TC et la fatigue ainsi que son profil d'effets secondaires. Méthodologie : Essai randomisé à double insu de phase II MP (10 mg/jour pour 14 jours puis 20mg/jour pour 14 jours) versus placebo. Le Functional Assessment of Cancer Therapy-Cognitive Function (FACT-Cog) a été administré aux Jours 0, 15 et 29. Résultats : Vingt femmes (âge moyen=50,2 ans) ont été randomisées. Neuf ont reçu le MP et 11, le placebo. Huit (40%) avaient un cancer de stade III. Toutes (100%) ont subi une chirurgie et de la radiothérapie et 16 (80%), de la chimiothérapie. Les symptômes autodéclarés étaient d'une gravité légère à modérée et transitoires. Trois toxicités d'hypertension grade 1 ont été identifiées, dont une dans le groupe MP. Une ANCOVA mixte a révélé un effet d'interaction significatif entre le MP et le temps au niveau du Jour 29 (p=0,02) pour la sous-échelle Perceived Cognitive Impairments du FACT-Cog. Seul le groupe MP a montré des améliorations significatives ou des tendances vers des améliorations significatives dans certaines sous-échelles du FACT-Cog entre les jours 15 et 29. Le MP n'a pas aggravé ni causé de symptômes physiques, psychologiques, d'insomnie, d'anxiété, de dépression, de détresse ou de fatigue. Conclusion : Une étude de phase III utilisant cette approche est faisable. Le MP pourrait être efficace pour améliorer les TC dans cette population, mais des études supplémentaires sont nécessaires pour confirmer ces résultats. / Introduction: Oncology treatments cause persistent cognitive impairment (CRCI). No pharmacological intervention has been shown to improve them. Objectives: To assess the feasibility of using methylphenidate (MPH) to treat CRCI in women who completed treatment for breast cancer stage I-III at least six months prior, with a goal of conducting a phase III study. To estimate the effects of MPH on CRCI and fatigue as well as its side-effect profile. Methodology: Randomized double-blinded phase II trial of MPH (10 mg/day for 14 days then 20mg/day for 14 days) versus placebo. The Functional Assessment of Cancer Therapy-Cognitive Function (FACT-Cog) was administered on Days 0, 15, and 29. Results: Twenty women (mean age=50.2 years) were randomized. Nine received MPH, and 11 received placebo. Eight (40%) had stage III cancer. All (100%) underwent surgery and radiotherapy, and 16 (80%) chemotherapy. Self-reported symptoms were mild to moderate in severity and transient. Three grade 1 hypertension toxicities were identified, including one in the MPH group. A mixed ANCOVA revealed a significant interaction effect between MPH and time at Day 29 (p=0.02) for the Perceived Cognitive Impairments subscale of the FACT-Cog. Only the MPH group showed significant or trends towards significant improvements in certain FACT-Cog subscales between Days 15 and 29. MPH did not aggravate or cause physical, psychological, insomnia, anxiety, depression, distress, or fatigue symptoms. Conclusion: A phase III study using this approach is feasible. MPH could be effective in improving CRCI in this population, but further studies are needed to confirm these results.

Le cancer du sein est présentement le type de cancer le plus diagnostiqué chez la femme et le second plus mortel au Canada. Dans plus de 70% des cas de cancer du sein, le récepteur des estrogènes est exprimé et ce type de cancer du sein est nommé hormono-sensible. L'expression de ce récepteur rend les cellules cancéreuses sensibles à l'estradiol, l'estrogène le plus actif, qui stimule la prolifération de ces cellules. Différents traitements ont été développés afin de limiter l'effet prolifératif de l'estradiol en bloquant le récepteur des estrogènes tels que les SERMs ou en inhibant la production de cette hormone telle que les inhibiteurs de l'aromatase. Cependant, même si ces traitements diminuent grandement la progression de ce cancer, d'autres cibles thérapeutiques sont à l'étude afin de contrer les effets secondaires et les résistances que détiennent ces traitements. L'une de ces cibles thérapeutiques est les enzymes de la famille des 17β-HSDs qui sont entre autres responsables dans l'étape finale de l'activation ou l'inactivation des hormones sexuelles. L'un des membres de cette famille qui a été sélectionné comme une cible contre le cancer du sein hormono-sensible est la 17β-HSD7. Cette protéine a été nommée pour la première fois comme la protéine associée au récepteur de la prolactine chez le rat. L'homologue murin a été considéré comme une 17β-HSD en raison de sa capacité à catalyser la conversion de E1 en E2. Il a en effet été souligné que l'implication de la 17β-HSD7 chez la souris était aussi dans le métabolisme du cholestérol en réduisant l'un de ces précurseurs soit le zymostérone. Une étude de la fonction enzymatique dans des cellules du cancer du sein hormono-sensible a démontré que la 17β-HSD7 a une implication significative dans la stimulation de ces cellules en raison de sa double activité catalytique des hormones sexuelles et de son effet sur le cycle cellulaire. Aussi, une étude statistique a démontré que l'ARNm de la 17β-HSD7 est surexprimé d'environ 2,5 fois dans les tumeurs de patients du cancer du sein hormono-sensible. La possibilité d'utiliser des inhibiteurs de 17β-HSD7 pour diminuer l'activation de E1 en E2 est fortement étayée par la découverte récente montrant une diminution de la prolifération des lignées cellulaires de cancer du sein hormono-sensible et de la taille des tumeurs de souris xénogreffes. Dans mes études doctorales présentées dans cette thèse, j'ai pu montrer que la 17β-HSD7 est multiactive envers les hormones sexuelles et le précurseur du cholestérol. En plus, j'ai montré une coopérativité positive et une inhibition spécifique de cette enzyme. Dans un premier temps, la 17β-HSD7 a été exprimée et purifiée dans des bactéries E. coli afin de réaliser les cinétiques enzymatiques à l'état stationnaire et les études de liaison des hormones sexuelles. Dans cette étude, les résultats de cinétique enzymatique ont montré une spécificité similaire envers l'activation de l'E1 et l'inactivation de la DHT. Une affinité similaire de ces deux hormones sexuelles a aussi été déterminée pour la 17β-HSD7. De plus, une coopérativité positive a été observée dans ces deux expériences pouvant indiquer qu'il y a un site allostérique dans la 17β-HSD7. Dans le second article, la spécificité enzymatique et l'affinité du zymostérone pour la 17β-HSD7 ont été étudiées. Les résultats ont indiqué que la 17β-HSD7 a une affinité et une spécificité enzymatique similaire pour tous les substrats étudiés soit l'E1, la DHT et le zymostérone. Il a été observé que les inhibiteurs développés pour la 17β-HSD7 inhibaient spécifiquement la réduction de l'estrone sans affecter la réduction du zymostérone. De plus, dans cette étude une première molécule pouvant inhiber spécifiquement la réduction du zymostérone a été découverte soit la 4-bromo-estradiol. Finalement, il a aussi été déterminé que les inhibiteurs, soit le INH81 et le 4-bromo-estradiol était non compétitifs envers la réduction de l'estrone et du zymostérone, respectivement. En conclusion, les études de ma thèse ont pu montrer la multispécificité de la 17β-HSD7 dans la réduction des hormones sexuelles et du précurseur du cholestérol. Les résultats ont avancé nos connaissances sur l'inhibition enzymatique, car les inhibiteurs non compétitifs peuvent être sélectifs pour les réactions des différents substrats. L'inhibition spécifique de la réduction de l'estrone emmène un argument pour l'utilisation d'un inhibiteur dans le traitement du cancer du sein hormono-sensible sans potentiellement affecter la biosynthèse des cholestérols. / Breast cancer is currently the most diagnosed type of cancer in women and the second deadliest in Canada. In more than 70% of cases of breast cancer, the estrogen receptor is expressed, and this type of breast cancer is called hormono-sensitive. Expression of this receptor makes cancer cells sensitive to estradiol, the most active estrogen, which stimulates the proliferation of these cells. Different treatments have been developed to limit the proliferative effect of estradiol by blocking the estrogen receptor such as SERMs or by inhibiting the production of this hormone such as aromatase inhibitors. However, even if these treatments greatly reduce the progression of this cancer, other therapeutic targets are being studied to counter the side effects and resistance of these treatments. One of these therapeutic targets is the enzymes of the 17β-HSDs family which, among other things, are responsible for the final stage of activation or inactivation of sex hormones. One of the members of this family that has been selected as a target against hormone sensitive breast cancer is 17β-HSD7. This protein was first detected as a protein associated with the prolactin receptor in rats. The murine homolog was considered to be a 17β-HSD enzyme due to its ability to catalyze the conversion of E1 to E2. It has in fact been pointed out that the involvement of 17β-HSD7 in mice was also in. The metabolism of cholesterol by reducing one of these precursors, zymosterone. A study of the enzymatic function in hormone-sensitive breast cancer cells demonstrated that 17β-HSD7 has a significant implication in the stimulation of these cells due to its double catalytic activity of sex hormones and its effect on the cell cycle. Also, a statistical study has shown that 17β-HSD7 mRNA is approximately 2.5-fold overexpressed in tumors from hormone-sensitive breast cancer patients. The possibility of using 17β-HSD7 inhibitors to decrease the activation of E1 to E2 is strongly supported by the recent finding showing a decrease in the proliferation of hormone-sensitive breast cancer cell lines and in tumor size of xenograft mice. In my doctoral studies presented in this thesis, I was able to show that 17β-HSD7 is multi-active towards sex hormones and the precursor of cholesterol. In addition, I have shown positive cooperativity and specific inhibition of this enzyme. Firstly, 17β-HSD7 was expressed and purified in E. coli bacteria in order to perform enzymatic steady state kinetics and binding studies for the sex hormones. In this study, enzyme kinetics results showed similar specificity towards E1 activation and DHT activation. A similar affinity of these two sex hormones was also determined for 17β-HSD7. In addition, positive cooperativity was observed in these two experiments which may indicate that there is an allosteric site in 17β-HSD7. In the second article, the enzyme specificity and affinity of zymosterone for 17β-HSD7 was investigated. The results indicated that 17β-HSD7 has a similar affinity and enzymatic specificity for all the substrates studied, namely E1, DHT and zymosterone. The inhibitors developed for 17β-HSD7 were observed to specifically inhibit the reduction of E1 without affecting the reduction of zymosterone. In addition, in this study a first molecule capable of specifically inhibiting the reduction of zymosterone was discovered, namely 4-bromo-estradiol. Finally, it was also determined that the inhibitors, INH81 and 4-bromo-estradiol, were uncompetitive towards the reduction of estrone and zymosterone, respectively. In conclusion, the studies of my thesis were able to show the multispecificity of 17β-HSD7 in the reduction of sex hormones and of the precursor of cholesterol. The results have advanced our knowledge of enzyme inhibition, as non-competitive inhibitors can be selective for the reactions of different substrates. The specific inhibition of estrone reduction provides an argument for the use of an inhibitor in the treatment of hormone-sensitive breast cancer without potentially affecting cholesterol biosynthesis.

À l'origine, la grande majorité des cancers du sein sont stimulés par les hormones estrogéniques, comme l'estradiol (E2) qui joue un rôle capital dans le développement de cette maladie. Pour bloquer l'action de cette hormone, l'utilisation des anti-estrogènes est bien connue, mais une autre alternative est de bloquer la formation de l'hormone en inhibant l'une des enzymes impliquées dans sa formation. Parmi les enzymes nécessaires à la biosynthèse de l'E2, l'isoforme 1 de la 17β-hydroxystéroïde déshydrogénase (17β-HSD1) catalyse la transformation de l'estrone (El) en E2. Il n'existe cependant pas d'inhibiteurs de la 17β-HSD1 disponibles pour une utilisation en clinique. Les travaux de notre groupe de recherche ont permis d'identifier des inhibiteurs de cette enzyme. Malheureusement ces dérivés d'E2 montraient une activité estrogénique. Pour améliorer leur potentiel inhibiteur et éliminer leur activité agoniste sur le récepteur des estrogènes (RE), différentes stratégies ont été employées. Dans le cadre de mon projet de recherche, les molécules synthétisées à cette fin ont été évaluées pour leur activité inhibitrice et leur estrogénicité résiduelle. Ces travaux ont abouti à la sélection du dérivé PBRM comme un puissant inhibiteur de la 17β-HSD1 qui, de plus, est non-estrogénique in vitro et in vivo. Pour la toute première fois, nous avons pu démontrer qu'un inhibiteur de la 17β-HSD1 est en mesure d'inhiber in vivo 100% de la croissance d'une tumeur (xénogreffes de cellules de cancer du sein) stimulées avec E1. D'autre part, il est bien connu que les médicaments utilisés en chimiothérapie ne possèdent pas toujours les qualités idéales requises : entre autres, une faible toxicité, un large indice thérapeutique et une faible capacité à induire de la chimiorésistance. Une partie des efforts de notre équipe de recherche a été consacrée au développement d'une nouvelle famille d'agents anticancéreux, les aminostéroïdes. Mon projet de recherche a porté sur l'évaluation biologique de nouvelles molécules, principalement celle nommée RM-133 qui a démontré un potentiel cytotoxique sur plusieurs lignées cellulaires de cancer (HL-60, MCF-7, T-47D, LNCaP), qui produit une concentration plasmatique acceptable chez le rat (AUC0-12 h= 752 ng*h/ml) et qui possède un indice de sélectivité (HL-60 vs lymphocytes normaux) accru par rapport aux aminostéroides de première génération.