Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology & Toxicology Student: Zdeněk Záboj Supervisor: PharmDr. Lukáš Červený, Ph.D. Title of diploma thesis: Study of drugs interactions of antiviral drugs with intestinal transporters Sofosbuvir is an antiviral agent widely used in the treatment of chronic hepatitis C. This orally administered prodrug is a designed substrate of ATP-binding (ABC) efflux transporters, P- glycoprotein (ABCB1) and breast cancer resistance protein (ABCG2). ABCB1 and ABCG2 are important determinants of intestinal absorption and are the site of significant pharmacokinetic drug interactions, leading to changes in drug exposure. Pharmacokinetic drug interactions may be undesirable (increasing the toxicity of the treatment) or desirable (allowing dose reduction). Because sofosbuvir is often administered in combination regimens with other anti(retro)virotics, the aim of this thesis was to study the ability to enhance intestinal absorption of sofosbuvir. To study the pharmacokinetic drug interactions on ABCB1 and ABCG2, a widely established in vitro bi-directional transport method through a polarized monolayer formed by the Caco-2 cell line derived from colorectal cancer has been used. We analyzed the drug interactions of sofosbuvir on these efflux...

Le stockage géologique du carbone est l’une des techniques les plus prometteuses pour réduire le taux de CO₂ dans l’atmosphère. La séquestration géologique possède la capacité et la longévité potentielles pour diminuer les émissions de CO₂ vers l’atmosphère. Dans le cadre d’injections à l’échelle industrielle, les réservoirs carbonatés peuvent faire partie des sites aptes à stocker du CO₂. Toutefois, ces injections à grandes profondeurs sont sujettes à des risques de fuites du piège géologique lui-même ou des infrastructures liés à l’exploitation du site de stockage. Ainsi, il existe principalement deux types de fuite : brutale et diffuse. Dans les deux cas, elles sont susceptibles d’entrainer des risques pour l’environnement et de mettre en danger les populations. Il est ainsi nécessaire de développer des outils capables de prévenir une fuite de CO₂ quel que soit son type. Par ailleurs, il est particulièrement indispensable de comprendre les mécanismes de transport réactif qui rentrent en jeu lors de l’arrivée de cette fuite en contexte de proche surface (zone vadose) et ainsi d’essayer d’étudier comment cette fuite peut s’amortir. Ces travaux de thèse traitent donc de la caractérisation, de la quantification et de la modélisation des processus de transferts et des interactions CO₂-H₂O-CaCO₃ dans la zone vadose en contexte de fuite à partir d’un puits de forage. Cette problématique a été d’abord abordée par une approche expérimentale sur un site pilote à Saint-Emilion. Puis, les interactions CO₂-H₂O-CaCO₃ ont été étudiées au travers d’une approche expérimentale à l’échelle de la carotte en laboratoire. L’approche expérimentale a conduit à la réalisation de deux fuites dans la zone vadose du site pilote : une fuite diffuse et une fuite ultra diffuse. Elles furent réalisées dans la continuité des expériences qui avaient déjà eu lieu auparavant. Une comparaison de l’ensemble des fuites a montré la nécessité d’utiliser des gaz nobles comme précurseurs de l’arrivée en surface du CO₂. Selon le type de fuite, l’hélium peut servir de précurseur temporel du CO₂, tandis que le krypton prévient de l’étendue du panache de gaz durant la fuite. Plus la pression d’injection du CO₂ est importante et plus le gaz migre par advection. Par ailleurs, une pression d’injection importante favorise l’existence de passage préférentiel dans la zone vadose. L’utilisation d’isotopes tels que ceux de l’hélium et du carbone permet de mettre en évidence la présence locale de phases aqueuses dans le massif et de déterminer l’origine biologique ou anthropique du CO₂. Les expériences à l’échelle de la carotte permettent d’estimer le pouvoir tampon des calcaires oligocènes en fonction du faciès de la roche. La perméabilité et la porosité de celle-ci conditionnent la dissolution des calcaires. De même, la réactivité des carbonates en contexte de fuite dépend du pH de la phase aqueuse, du débit qui traverse le réseau poreux, de la saturation en eau et des caractéristiques pétro-physiques des carbonates. / Carbon storage is one of the most encouraging methods to decrease CO₂ concentration into the atmosphere. Carbon storage provides the longevity and the capacity needed to decrease CO₂ emissions toward the atmosphere. When dealing with storage on an industrial scale, carbonated reservoirs can be among the most suitable storage sites. However, these high depth injections are subject to leakage risks from the geologic trap itself or from the framework created by the establishment of the site. Two main types of leakage exist: brutal and diffusive leakage. In both cases, they are likely to endanger the environment and the population. Therefore, it is essential to develop tools that are able to anticipate any types of CO₂ leakage. Furthermore, it is also necessary to understand the reactive transport mechanism that take place when the leakage arrives in the shallow subsurface (vadose zone)and to see how the leakage can be buffered. This work deals with the characterization, the quantification and the modelling of transfer processes and CO₂-H₂O-CaCO₃ interactions into the vadose zone in a context of a leakage from a drilling well. This issue was first dealt through field experiment on the site of Saint Emilion. Then, the CO₂-H₂O-CaCO₃ interactions were studied through an experimental approach in laboratory. Two leakage experiments were performed on the site: a diffusive leakage and an ultra-diffusive leakage. They were performed as a sequel of former experiments carried on the pilot site. A comparison of all the leakage experiments revealed the necessity to use noble gases as precursor of the CO₂ arrival at the surface. Depending of the type of the leakage, helium can be a temporal precursor while krypton can anticipate the spread of the CO₂ gas plume. The higher the injection pressure, the more the gas migrates through advective flux. Moreover, a high injection pressure favors the existence of preferential paths in the vadose zone. The use of helium and carbon isotopes makes it possible to reveal the presence of a local aqueous phase within the porous media and to identify the origin of CO₂. The core scale experiments lead to the estimation of the buffering power of Oligocene limestone according to the rock facies. The permeability and the porosity influence the dissolution of the limestone. The reactivity of carbonates during a leakage depends on the pH of the aqueous phase, the flow rate that goes through the porous media, the water saturation and petrophysical characteristics of the carbonates.

La physiopathologie du diabète de type II se caractérise par de sévères anomalies métaboliques telles que l’hyperglycémie et les dyslipidémies contribuant au développement des maladies cardiovasculaires. Une altération de l’activité de l’AMPK dans les tissus tels que le muscle squelettique et le foie est associée à ces désordres métaboliques alors que son activation pharmacologique permet de les rétablir. Toutefois, le complexe hétérotrimérique αβγ tissu-spécifique de l’AMPK confère une régulation et des rôles distincts qui demeurent inexplorés dans l’intestin, un organe favorisant pourtant l’augmentation de l’absorption des nutriments en situation de diabète de type II. La présente étude démontre une prépondérance du complexe α1β2γ1 de l’AMPK dans les cellules intestinales Caco-2 dont l’un des rôles de la sous-unité α1 est de réguler l’ACC, l’enzyme de synthèse des acides gras. Contrairement à l’AMPK exprimée dans le foie, elle ne régule pas l’HMG-CoA Réductase impliquée dans la synthèse du cholestérol. L’activation de l’AMPK mime l’effet de l’insuline en réduisant l’absorption intestinale du glucose et des lipides alors que son altération en situation d’insulino-résistance (e.g : induite par le 4-HHE dans un modèle cellulaire Caco-2 ou induite par la diète dans le modèle animal Psammomys obesus) favorise l’absorption du glucose et des lipides, ce qui exacerberait l’hyperglycémie et la dyslipidémie postprandiale associées au diabète de type II. L’AMPK au niveau intestinal constitue donc une cible thérapeutique potentielle complémentaire pour la prévention et le traitement du diabète de type II. / Physiopathology of type II Diabetes is characterized by severe metabolic abnormalities such as hyperglycemia and dyslipidemia also implicated in development of cardiovascular diseases. Impaired AMPK activity in tissues such as skeletal muscle and liver is associated with these metabolic disorders whereas its pharmacologic activation is able to restore such abnormalities. Nevertheless, tissue-specific heterotrimeric αβγ AMPK likely confers distinct roles and regulation that remain unexplored in intestine, an organ promoting enhanced nutrients absorption in type II diabetes situation. This study demonstrates α1β2γ1 AMPK complex preponderance in intestinal Caco-2 cells whose α1 subunit role is to regulate ACC enzyme responsible of fatty acid synthesis. Unlike in the liver, AMPK doesn’t regulate HMG-CoA reductase enzyme implicated in cholesterol synthesis. AMPK activation mimics insulin effect by reducing intestinal glucose and lipids absorption whereas its alteration in insulin-resistance situation (e.g.: induced by 4-HHE in Caco-2 cell model or in Psammomys obesus animal model) enhances glucose and lipids absorption which could exacerbate postprandial hyperglycemia and dyslipidemia associated to type II diabetes. Thus, AMPK at the intestinal level could be a potential therapeutic target in prevention and treatment of type II diabetes. / réalisé en cotutelle avec l'Université Claude Bernard Lyon 1

Le diabète de type 2 et l'obésité sont des problèmes de santé majeurs et les peuples autochtones sont particulièrement à risque. Pour remédier à ce problème largement répandu dans les populations autochtones canadiennes pour qui la médication moderne n’est pas culturellement adaptée, notre équipe s’est donné comme objectif d’étudier les activités potentielles antidiabétique et anti-obésité de la pharmacopée traditionnelle des Cris de la Baie James. Le but de cette étude est de tester l’hypothèse selon laquelle certaines plantes médicinales pourraient inhiber l'absorption intestinale du glucose, une activité anti-hyperglycémique qui, par la même occasion, contribuerait à combattre l’obésité. Les extraits éthanoliques de dix-sept plantes médicinales de la forêt boréale ont été testés dans des cellules intestinales Caco-2 et comparés à l’effet d’inhibiteurs compétitifs connus, tels que la phlorizine et la phlorétine. Ces inhibiteurs sont des composés polyphénoliques qui partagent de nombreuses caractéristiques structurelles avec des constituants moléculaires de plusieurs plantes Cri. Les résultats démontrent que treize des dix-sept extraits de plantes ont inhibé de façon significative l'absorption intestinale du 3H-D-glucose. Pour valider ces effets in vivo, quatre extraits ont été administrés à des rats Wistar par gavage intragastrique (250 mg/kg) en même temps qu’un bolus de glucose (3 g/kg). Suite à ce gavage, deux de ces extraits ont restreint l’augmentation de la glycémie d'environ 40% par rapport à un contrôle sans extrait. Ces résultats indiquent qu’une inhibition compétitive de l'absorption intestinale du glucose peut être atteinte par des extraits bruts de plantes médicinales. La prise de ces plantes durant les repas aiderait à un meilleur contrôle post-prandial de la glycémie, particulièrement chez les personnes à risque. / Type II diabetes and obesity are major health problems worldwide and aboriginal peoples are particularly at risk. To address this problem in Canadian native populations for whom modern pharmaceuticals are culturally misadapted, our team is testing the traditional pharmacopeia of the James Bay Cree for anti-diabetic and anti-obesity activities. More specifically, the aim of the present study was to define the effects of traditional plants on intestinal glucose absorption, an under-appreciated anti-hyperglycaemic and anti-obesity activity. Crude ethanol extracts of seventeen Boreal forest medicinal plants were examined in the Caco-2 human enterocytic cell line and compared to the competitive classical inhibitors phlorizin and phloretin. It is worth noting that the latter compounds are polyphenols that share many structural characteristics with components of several Cree plants. Thirteen of seventeen extracts were observed to significantly inhibit uptake when administered simultaneously with 3H-deoxyglucose. Inhibition was dose-dependent and, in a few cases, even surpassed that induced by a combination of the positive controls. To validate these effects in-vivo, four plant extracts were administered by intragastric gavage at 250 mg/kg to normal rats simultaneously with a 3 g/kg bolus of glucose. This resulted in a decrease in peak glycaemia by approximately 40% for two of them. These findings indicate that competitive inhibition of facilitative intestinal glucose uptake can be achieved by crude extracts of medicinal plants. Intake of the latter with meals may help control post-prandial glycaemia and reduce caloric intake in high risk populations.

Die niedrige Inzidenz chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen (CED) in ostasiatischen Ländern im Vergleich zu Westeuropa und den USA könnte auf unterschiedliche Lebensstile und Ernährungsgewohnheiten zurückzuführen sein. Asiaten nehmen mit der Nahrung viel höhere Mengen an Isoflavonen zu sich als Europäer und US-Amerikaner. Diese sind in der Lage, wie natürliche Östrogene an Östrogenrezeptoren (ER) zu binden. Für das Östrogen 17β-Östradiol (E2) sowie selektive Liganden des ERβ sind antiinflammatorische Wirkungen im Darm bereits nachgewiesen worden. Diese Arbeit untersuchte in Modellsystemen für CED die antiinflammatorischen Eigenschaften von Isoflavonen, speziell von Genistein, und stellte einen Vergleich mit synthetischen ER-selektiven Liganden sowie E2 her, um die Involvierung der beiden ER-Subtypen zu evaluieren. In tierexperimentellen Studien wurde der Einfluss der Testsubstanzen auf Ausprägung und Verlauf einer Kolitis in zwei Nagermodellen (HLA-B27 transgene Ratte und TNBS-induzierte Kolitis) analysiert. Ein Ernährungsexperiment, in dem eine Gruppe der Tiere bereits in utero sowie postnatal über Muttermilch und Futter hohen Phytoöstrogenspiegeln ausgesetzt war, zeigte wider Erwarten keine antiinflammatorischen Effekte auf die akute Ausprägung der induzierten Kolitis. Stattdessen waren die untersuchten Parameter bei dieser Ernährungsform gegenüber prä- und postnatal normal ernährten Tieren verstärkt. Dagegen bewirkte oral verabreichtes Genistein in der chronischen Phase der TNBS-induzierten Kolitis eine Unterdrückung der Entzündungsparameter im Darm. Die subkutane Verabreichung von Genistein, eines steroidalen ERβ-selektiven Agonisten, oder von E2 führte hingegen zu keiner signifikanten Einflussnahme auf die untersuchten Parameter in der akuten Phase der Inflammation. Zur Charakterisierung der molekularen Grundlagen einer antiinflammatorischen Wirkung von E2, synthetischen ER-selektiven Agonisten und Genistein wurden in vitro Studien mit Kolonkarzinomzelllinien (HT-29 und Caco-2) durchgeführt. Hierzu wurden die Zellen mit Interleukin-1β (IL-1β) stimuliert, was eine Induktion der inflammationsassoziierten Gene Cyclooxygenase-2 und Interleukin-6 auf mRNA Ebene bewirkte. Bis auf Genistein konnten für die getesteten Substanzen keine antiinflammatorischen Effekte auf die mRNA-Expression der induzierten Markergene beobachtet werden. Genistein bewirkte in Caco-2 Zellen eine Hemmung der untersuchten Gene. Weitere Analysen ergaben, dass die beiden Zelllinien ER nur schwach bzw. gar nicht exprimieren. Eine Transfektion von HT-29 Zellen mit ERα führte zu einer deutlichen Hemmung der Expression der Markergene durch E2, während eine Transfektion mit ERβ lediglich einen schwach hemmenden Effekt bewirkte. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass die niedrigen CED-Inzidenzraten in Ostasien wohl nicht allein auf dem dortigen hohen Isoflavonkonsum beruhen, sondern auch anderen Komponenten des Lebensstils zuzuschreiben sind. Dennoch deutet sich an, dass das Genistein, bei oraler Administration, die Regeneration des geschädigten Darmgewebes im chronischen Erkrankungsverlauf unterstützen und damit auch zur Prävention von Kolonkarzinomen beitragen könnte. Bei antiinflammatorischen Effekten von ER-Liganden spielt die Transaktivierung von ER eine entscheidende Rolle. Die Wirkung von Genistein in untransfizierten Caco-2 Zellen legt jedoch auch die Teilnahme weiterer Mechanismen nahe, die noch zu untersuchen sind. Vor diesem Hintergrund erscheinen weiterführende Untersuchungen zum Einsatz von steroidalen ER-Agonisten und Genistein bei CED und den zugrunde liegenden Mechanismen als sinnvoll.

Amadori-Produkte werden spontan während der ersten Phase der Maillard-Reaktion aus reduzierenden Zuckern und Aminen wie Lysin gebildet. Sie entstehen während der Erhitzung von Lebensmitteln und in vivo. Der enzymatische Abbau solcher spontan gebildeten Produkte ist Thema dieser Arbeit. Ein Teil untersuchte die Rolle von Oligosaccharid-Amadori-Produkten während der Verdauung von Kohlenhydraten im Dünndarm. Aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit bekannten Glycosidase-Inhibitoren wurde eine hemmende Wirkung der Amadori-Produkte auf die Kohlenhydratverdauung vermutet. Der andere Teil beschäftigte sich mit Fructosamin-3-kinase (FN3K) und dessen verwandtem Enzym Fructosamin-3-kinase-related Protein (FN3K-RP) aus humanen Erythrocyten. Diese Ketosaminkinasen werden als Proteinreparaturenzyme betrachtet, sogar als enzymatische Verteidigung gegen Glykierung in vivo diskutiert. Durch ihre Reaktion entstehen jedoch auch hoch-reaktive 1,2-Dicarbonylverbindungen, die weitere Proteinschäden bewirken können. Noch ist nicht klar, ob die Ketosaminkinasen die pathophysiologischen Folgen der Glykierung verhindern oder fördern. In dieser Arbeit wurde die Substratspezifität von Ketosaminkinasen mit einer Reihe von Amadori-Produkten untersucht. Damit könnten Inhibitoren zur weiteren Enzymcharakterisierung oder sogar für pharmazeutische Anwendungen identifiziert werden. Außerdem wurde die Variabilität der Enzymaktivitäten von Mensch zu Mensch in einer Kohorte von 100 Probanden untersucht. Als Modell für die menschliche Kohlenhydratverdauung im Dünndarm wurden Caco-2-Zellen als Monolayer etabliert. Deren Sucrase-Isomaltase kann die alpha-glycosidische Bindung in Amadori-Produkten von Maltose und Maltotriose mit Lysin und auch in Maltulose hydrolysieren. Trotz der Aminogruppe hemmen diese Amadori-Produkte die Maltosehydrolyse nur schwach als konkurrierende Substrate. Lactulosyllysin konnte nicht durch die Lactase der Caco-2-Zellen hydrolysiert werden. Tagatosyllysin und die Heyns-Produkte Glucosyllysin und Mannosyllysin hemmten die Lactosehydrolyse schwach. Alle beobachteten Hemmeffekte sind wahrscheinlich zu schwach, um während der Verdauung in vivo bedeutsam zu sein. Für FN3K konnte Desoxypiperidinofructose als kompetitiver Inhibitor identifiziert werden (Kic 0,006 mM). FN3K zeigte nur geringe Selektivität gegenüber Amadori-Produkten verschiedener Amine, ausgenommen aromatischer Amine. FN3K-RP war in Erythrocyten wesentlich aktiver als FN3K, auch wenn die Aktivität nicht selektiv inhibiert werden konnte. Beide Enzymaktivitäten unterscheiden sich unter den 100 Probanden, mit einer Spannweite von 3 bis 12 mU/g Hämoglobin für FN3K und 60 bis 135 mU/g Hb für FN3K und FN3K-RP zusammen. Es scheint eine Verbindung zwischen der Ketosaminkinase-Aktivität in Erythrocyten und Nierenerkrankungen, familiär auftretendem Diabetes mellitus, sowie familiär aufgetretenen Herzinfarkten oder Schlaganfällen zu bestehen, wie orientierende Auswertungen zeigten. Deshalb ist eine genauere Untersuchung der physiologischen Bedeutung der Ketosaminkinasen nötig. / Amadori products are formed spontaneously from reducing sugars and amines, e.g. lysine, during the first phase of the Maillard reaction. They occur in heated food and in vivo. The thesis focuses on the enzymatic degradation of such spontaneously formed compounds. One part of this work investigated the faith and impact of oligosaccharide derived Amadori products during small intestinal carbohydrate digestion. Due to their structural similarity with known glycosidase inhibitors, an inhibitory action of Amadori products towards carbohydrate digestions was assumed. The other part dealt with fructosamine-3-kinase (FN3K) and its related protein (FN3K-RP) from human erythrocytes. Such ketosamine kinases are regarded as protein repair enzymes, maybe even an enzymatic defence against glycation in vivo. While deglycating protein bound Amadori products, however, they produce highly reactive 1,2-dicarbonyl compounds, which can lead to further protein damage. It is unclear, whether the ketosamine kinase action prevents or supports the pathophysiological effects of glycation. This work studied the substrate specifity of ketosamine kinases with a variety of Amadori products, which could result in inhibitors for further enzyme characterisation or even pharmaceutical uses. Further, the variability of both enzyme activities in a cohort of 100 subjects was examined. As a model for human small intestinal carbohydrate digestion, a Caco-2 cell monolayer was employed. Their sucrase-isomaltase is able to hydrolyse the alpha-glucosidic linkage in Amadori products of maltose and maltotriose with lysine, as well as in maltulose. Despite their amino group, those amadori products inhibited maltose hydrolysis merely weakly as competing substrates. Lactulosyl lysine on the other hand could not be hydrolysed by Caco-2 lactase. Tagatosyl lysine and the Heyns products glucosyl lysine and mannosyl lysine showed weak inhibition of lactose hydrolysis. All observed inhibitory effects are probably too weak to be of importance during carbohydrate digestion in vivo. Deoxypiperidinofructose was identified as a competitive inhibitor of FN3K (Kic 0,006 mM). FN3K acted rather non-specific towards Amadori products of different amines, except aromatic amines. FN3K-RP showed much higher activity in erythrocytes than FN3K, although its activity could not be inhibited selectively. Both enzyme activities vary among 100 subjects, with a range of 3 to 12 mU/g hemoglobin for FN3K and 60 to 135 mU/g hb for FN3K and FN3K-RP together. Relations of ketosamine kinase activity in erythrocytes with renal diseases, familial diabetes mellitus and familial cardiovascular events seem to exist. Thus, investigating the physiological impact of ketosamine kinases is necessary.

Die Durchfallerkrankung Giardiasis wird durch den Protisten Giardia duodenalis ausgelöst. Die Infektion erfolgt fäkal-oral, meist über kontaminiertes Trinkwasser. Der Parasit kolonisiert den oberen Bereich des Dünndarms und heftt sich an das Epithel, wodurch es die Krankheitsbeschwerden auslöst. Allerdings sind Details über die Mechanismen der Pathogenese unbekannt. Dazu kommt, dass der Ausgang einer Infektion fallspezifisch starken Schwankungen unterworfen ist, von selbst-limitierend bis chronisch und asymptomatischer Kolonisierung bis hin zur schweren Enteritis. Ein möglicher Pathomechanismus ist der Wegfall der Barrierefunktion des Dünndarmepithels, z.B. durch Beeinträchtigung von tight junctions oder Zelltod. In dieser Arbeit wurden Effekte von G. duodenalis auf in vitro Modellsysteme des humanen Dünndarmepithels untersucht. Dazu wurden hauptsächlich Daten über die Barrierefunktion sowohl von der weit verbreiteten Caco-2 Zelllinie, als auch über ein neu etabliertes humanes Dünndarmorganoidsystem, erhoben. Es konnte gezeigt werden, dass mehrere - mitunter in der Literatur als hochvirulent beschriebene - G. duodenalis Isolate zu keinerlei Beeinträchtigung der Barrierefunktion oder irgendeiner anderen untersuchten potenziellen Schädigung an zwei unterschiedlichen Caco-2 Zelllinien unter diversen Infektions- und Kulturbedingungen führte. Jedoch andererseits das neu entwickelte Dünndarmorganoidsystem mit pseudo-luminalem Medium TYI S 33 reproduzierbar die Zerstörung des Epithelmodells mit Zellverlust, Zelltod (apoptotisch und nicht-apoptotisch), Störung der tight junctions (Abbau und Dislokation von Claudinen und ZO-1) und den Verlust von Mikrovilli innerhalb ein bis zwei Tage nach Parasiteninfektion zeigen konnte. Zudem wurde das Auftauchen von ClCa-1-Signalen unter andauerndem Infektionsstress beobachtet, was die Differenzierung bzw. Metaplasie zu Becherzellen nahelegt, jedoch keine Wirtsreaktion auf die Gewebszerstörung zu sein scheint. / The protozoan parasite Giardia duodenalis is the etiological agent for the intestinal diarrheal disease giardiasis. Infections are acquired via the fecal-oral route, mostly via uptake of cysts from contaminated drinking water. The colonization of the hosts’ duodenum and upper jejunum and the attachment of Giardia trophozoites onto the epithelium is the cause of a variety of gastrointestinal complaints but the exact pathomechanisms are unknown. Furthermore, the outcome of Giardia infections varies greatly between individuals, ranging from self-limiting to chronic, and asymptomatic to severe enteritis. One proposed mechanism for the pathogenesis is the breakdown of intestinal barrier function, e.g. by tight junction impairment or induction of cell death. In this work, effects of G. duodenalis on in vitro models of the human small intestinal epithelium were investigated by studying mainly barrier-related properties and changes of widely used Caco-2 cells as well as newly established human small intestinal organoid-derived monolayers (ODMs). It could be shown that several isolates of G. duodenalis, some described as highly virulent, fail to induce barrier dysfunction or any other investigated pathological effect on two Caco-2 cell lines under various infection and culturing conditions. On the other side, by developing a new organoid-based model system and the use of luminal mock medium TYI-S-33, considerable epithelial disruption (including loss of cells), cell death (apoptosis and non-apoptotic), tight junction impairment (degradation and dislocation of claudins and ZO-1), and microvilli depletion reproducibly induced by G. duodenalis trophozoites between one and two days after infection could be observed. Moreover, emergence of ClCa-1 positive cells with ongoing parasite infections suggest epithelial differentiation or metaplasia towards goblet cells, which is furthermore not associated to tissue damage.

<p>Although, pulmonary drug delivery is a well established means for targeting of drugs to the lungs for the treatment of respiratory diseases as well as for the systemic delivery of volatile anesthetic agents, drug absorption kinetics in the lung have not been subjected to extensive research. The main objective of this thesis was to investigate drug absorption characteristics of the lung barrier, using the isolated and perfused rat lung model and in vivo pharmacokinetic studies in rats. Physicochemically diverse drugs (i.e. atenolol, budesonide, cromolyn, cyanocobalamin, enalapril, enalaprilate, formoterol, imipramine, losartan, metoprolol, propranolol, talinolol, terbutaline, and the tetrapeptide TArPP) were used as model compounds. In connection to these investigations, a nebulization catheter device was successfully adapted and evaluated as a new technique for delivery of defined aerosol doses to the rat lung. In addition, a physicochemical profile of the inhaled drugs on the market worldwide during 2001 was made.</p><p>The pulmonary first-order absorption rate constant and bioavailability were found to correlate to the drug lipophilicity, the molecular polar surface area, and the apparent permeability of Caco-2 cell monolayers. In contrast to the intestinal mucosa and the blood-brain barrier, the pulmonary epithelium was highly permeable to drugs with a high molecular polar surface area. Accordingly, a small hydrophilic tetrapeptide (oral bioavailability ~0.5%) showed a complete bioavailability after pulmonary delivery to rats in vivo. Regional differences in bioavailability, absorption rate, and first-pass metabolism of the peptide was demonstrated after targeted delivery to different regions of the respiratory tract in rats in vivo. The high pulmonary bioavailability of the efflux transporter substrates losartan and talinolol provides functional evidence for an insignificant role of efflux transporters such as P-glycoprotein in limiting the absorption of these drugs from the rat lung. </p><p>The results of this thesis demonstrate that the lung efficiently absorbs drugs with a wide range of lipophilicity. The pulmonary route should thus be regarded as a potential alternative for administration of drugs with low oral bioavailability. In addition, drug inhalation present an opportunity to attain a more rapid onset of drug action than can be attained by the oral route.</p>

Although, pulmonary drug delivery is a well established means for targeting of drugs to the lungs for the treatment of respiratory diseases as well as for the systemic delivery of volatile anesthetic agents, drug absorption kinetics in the lung have not been subjected to extensive research. The main objective of this thesis was to investigate drug absorption characteristics of the lung barrier, using the isolated and perfused rat lung model and in vivo pharmacokinetic studies in rats. Physicochemically diverse drugs (i.e. atenolol, budesonide, cromolyn, cyanocobalamin, enalapril, enalaprilate, formoterol, imipramine, losartan, metoprolol, propranolol, talinolol, terbutaline, and the tetrapeptide TArPP) were used as model compounds. In connection to these investigations, a nebulization catheter device was successfully adapted and evaluated as a new technique for delivery of defined aerosol doses to the rat lung. In addition, a physicochemical profile of the inhaled drugs on the market worldwide during 2001 was made. The pulmonary first-order absorption rate constant and bioavailability were found to correlate to the drug lipophilicity, the molecular polar surface area, and the apparent permeability of Caco-2 cell monolayers. In contrast to the intestinal mucosa and the blood-brain barrier, the pulmonary epithelium was highly permeable to drugs with a high molecular polar surface area. Accordingly, a small hydrophilic tetrapeptide (oral bioavailability ~0.5%) showed a complete bioavailability after pulmonary delivery to rats in vivo. Regional differences in bioavailability, absorption rate, and first-pass metabolism of the peptide was demonstrated after targeted delivery to different regions of the respiratory tract in rats in vivo. The high pulmonary bioavailability of the efflux transporter substrates losartan and talinolol provides functional evidence for an insignificant role of efflux transporters such as P-glycoprotein in limiting the absorption of these drugs from the rat lung. The results of this thesis demonstrate that the lung efficiently absorbs drugs with a wide range of lipophilicity. The pulmonary route should thus be regarded as a potential alternative for administration of drugs with low oral bioavailability. In addition, drug inhalation present an opportunity to attain a more rapid onset of drug action than can be attained by the oral route.

La physiopathologie du diabète de type II se caractérise par de sévères anomaliesmétaboliques telles que l'hyperglycémie et les dyslipidémies contribuant au développementdes maladies cardiovasculaires. Une altération de l'activité de l'AMPK dans les tissus tels quele muscle squelettique et le foie est associée à ces désordres métaboliques alors que sonactivation pharmacologique permet de les rétablir. Toutefois, le complexe hétérotrimériqueαβγ tissu-spécifique de l'AMPK confère une régulation et des rôles distincts qui demeurentinexplorés dans l'intestin, un organe favorisant pourtant l'augmentation de l'absorption desnutriments en situation de diabète de type II. La présente étude démontre une prépondérancedu complexe α1β2γ1 de l'AMPK dans les cellules intestinales Caco-2 dont l'un des rôles de lasous-unité α1 est de réguler l'ACC, l'enzyme de synthèse des acides gras. Contrairement àl'AMPK exprimée dans le foie, elle ne régule pas l'HMG-CoA Réductase impliquée dans lasynthèse du cholestérol. L'activation de l'AMPK mime l'effet de l'insuline en réduisantl'absorption intestinale du glucose et des lipides alors que son altération en situationd'insulino-résistance (e.g : induite par le 4-HHE dans un modèle cellulaire Caco-2 ou induitepar la diète dans le modèle animal Psammomys obesus) favorise l'absorption du glucose etdes lipides, ce qui exacerberait l'hyperglycémie et la dyslipidémie postprandiale associées audiabète de type II. L'AMPK au niveau intestinal constitue donc une cible thérapeutiquepotentielle complémentaire pour la prévention et le traitement du diabète de type II.