Introduction: Two major product groups originate from the arachidonic acid metabolic pathway of cytochromes P450: epoxyeicosatrienoic acid (EETs) and 19 and 20-hydroxyeicosatetraenoic acid (19- and 20-HETE). These metabolites play an important role in the regulation of blood pressure, inflammatory responses, regulation of sodium excretion and other crucial physiological processes. Hypothesis: Our studies were based on the hypothesis that abnormalities in the production and function of these cytochrome P450 metabolites significantly contribute to the pathophysiology of hypertension development, in particular in the angiotensin II-dependent models. Objective: To investigate if the increased bioavailability of the above-mentioned metabolites in the kidney tissue will result in blood pressure reduction in the ANG II - dependent rat model of hypertension. Methods: The two methods to increase the concentration of EETs was chosen. In the first part of the study, we administered a soluble epoxide hydrolase inhibitor cAUCB [cis-4- [4- (3-adamantan-1-yl- ureido) cyclohexyloxy] benzoic acid, at a dose of 26 mg.l-1 administered in drinking water], an enzyme responsible for inactivation of biologically active forms of EETs. In the second series of the experiments we applied a synthetic EET analogue, called...

Isoflavone synthase (IFS; CYP93C) plays a key role in the biosynthesis of the plant secondary metabolites, isoflavonoids. These phenolic compounds, which are well-known for their multiple biological effects, are produced mostly in leguminous plants (family Fabaceae). However, at least 225 of them have also been described in 59 other families, without any knowledge of orthologues to hitherto known IFS genes from legumes (with the single exception of sugar beet - Beta vulgaris, from the family Chenopodiaceae). In view of these facts, this masters thesis has focused on two main objectives: (1) to identify isoflavone synthase genes in selected leguminous and non-leguminous plants exploiting the PCR strategy with degenerate and non-degenerate primers, and (2) to find a system for the verification of the correct function of these genes. Our methodology for the identification of IFS orthologues was successfully demonstrated in the case of two examined legumes - Phaseolus vulgaris L. and Pachyrhizus tuberosus (Lam.) Spreng, in the genomic DNA of which the complete IFS sequences have been newly identified. To design a procedure for ascertaining the correct function of these genes and others once they have been completely described, a pilot study with IFS from Pisum sativum L. (CYP93C18; GenBank number...

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.

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Bei der adjuvanten Immuntherapie soll das Immunsystem von Tumorpatienten gezielt gegen Mikrometastasen aktiviert werden, die nach der operativen Entfernung des Primärtumors im Körper verbleiben. Tumor-assoziierte Antigene (TAA) spielen dabei die zentrale Rolle. Um der Heterogenität eines Tumors in der Expression einzelner TAAs Rechnung zu tragen, werden in modernen Vakzinierungsstrategien Pools von verschiedenen TAAs eingesetzt. Für das Mammakarzinom sind aber bislang nur wenige TAAs bekannt. Auf der Suche nach unbekannten Genen mit Mamma- bzw. Mammakarzinom-restringierter Expression in der Transkriptomdatenbank GeneExpress® wurde ein EST gefunden, das nur in 2 % der getesteten weibl. Normalgewebe ohne Mamma mit einer marginalen mittleren Expression von 16 FE (Fluoreszenzeinheit) detektiert wurde, aber in 63 % der Mammanormalgewebe (159 FE) und in 61 % der Mammakarzinome (339 FE) exprimiert wurde. Das korrespondierende UniGene-Cluster gab erste Hinweise auf die Zugehörigkeit dieses neuen Gens zu der Cytochrom P450 (CYP) Familie. Durch computergestützte Homologievergleiche mit verwandten Mitgliedern dieser Familie in Kombination mit RT-PCR konnte die cDNA-Sequenz dieses neuen CYP ermittelt werden: Durch Amplifikation der Gesamtlängen-cDNA wurden drei Transkripte in der Mammakarzinomzelllinie SK-BR-3 gefunden, die von zwei neuen CYP Genen stammen, CYP4Z1 und dem Pseudogen CYP4Z2P. Die cDNA von CYP4Z1 kodiert für ein 505 As großes Protein, das aufgrund von Homologien einer neuen Subfamilie innerhalb der CYP4 Familie zugeordnet werden kann. Sowohl die Sequenz als auch die vorhergesagte Sekundärstruktur zeigen alle charakteristischen Merkmale eines funktionellen Mitglieds dieser Familie. Aufgrund einer Nonsensemutation in Exon 8 kodiert die cDNA von CYP4Z2P (1436 bp) für ein verkürztes, nichtfunktionelles P450 von 340 As, das zu 96% identisch mit P450 4Z1 ist. Außerdem wurde in SK-BR-3 eine Spleißvariante von CYP4Z1 identifiziert. CYP4Z1 (50,8 kb) und CYP4Z2P (57,3 kb) liegen auf Chromosom 1p33-p34.1 und bestehen aus 12 Exons mit konservierten Exon-Intron-Grenzen. CYP4Z2P ist aus einer inversen Duplikation von CYP4Z1 hervorgegangen. Mittels Realtime RT-PCR mit cDNA von 17 Normalgeweben von gepoolten Spendern und von Mammakarzinomen konnte die auf Brustdrüsengewebe restringierte Expression beider Gene demonstriert werden: Die Expression von CYP4Z1 war in Mammakarzinomgewebe 3,6-mal höher als in Mammanormalgewebe, 60-mal höher als in Lunge und 84-mal höher als in Leber. Alle anderen getesteten weibl. Normalgewebe zeigten eine noch geringere Expression. Ein ähnlich stringentes Expressionsprofil ergab die Analyse von CYP4Z2P, allerdings mit einer deutlich niedrigeren Expressionsstärke. Das Mamma-restringierte Expressionsverhalten von CYP4Z1 wurde durch einen ?Cancer-Profiling-Array? (241 Tumor-/Normalgewebepaare von 13 Gewebetypen) bestätigt. Damit konnte gezeigt werden, dass CYP4Z1 bei 52 % der getesteten 50 Brustkrebspatientinnen im Tumor versus peritumoralem Normalgewebe überexprimiert war. Mit einem spezifischen Kaninchen-Antiserum konnte die Expression von P450 4Z1 Protein sowohl in CYP4Z1-transduzierten Zelllinien als auch in Mammagewebeproben mittels Western-Blot nachgewiesen werden. Konfokale Laser-Scanning Mikroskopie von MCF-7 Zellen, die das Fusionsprotein CYP4Z1-EGFP exprimierten, und die subzelluläre Fraktionierung der CYP4Z1-Transduktanten zeigten P450 4Z1 als integrales Membranprotein des endoplasmatischen Retikulums (ER). Für die Lokalisation und die Zurückhaltung im ER ohne Recycling aus dem Prä-Golgiapparat sind die ersten 32 As erforderlich, was Studien mit unterschiedlichen Deletionsmutanten aus der N-terminalen Sequenz von 4Z1 zeigten. Die Entdeckung eines neuen Mamma-spezifisch exprimierten P450 Enzyms eröffnet neue Möglichkeiten sowohl in Hinsicht auf eine Immuntherapie von Brustkrebs als auch für die Entwicklung neuer Chemotherapeutika, die spezifisch durch P450 4Z1 am Tumorort umgesetzt werden können.

Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen von Cytochrom P450 (CYP)-produzierten Eicosanoiden auf das Pumpen des Pharynx im Nematoden Caenorhabditis elegans und deren funktionellen Vernetzung mit dem Wirken von Neurohormonen. Bei der Erforschung der CYP-Eicosanoid-Signalübertragung konzentrierte sich diese Arbeit hauptsächlich auf die Identifizierung und Charakterisierung von Schlüsselkomponenten, welche an der Regulation der pharyngalen Aktivität des Wurms beteiligt sind, insbesondere Regio- und Stereometaboliten von EPA und AA, Neurohormone (Serotonin und Octopamin) sowie relevante GPCR. Zunächst wurde der Einfluss einer Kurzzeitbehandlung mit CYP-Eicosanoiden und Neurohormonen auf die Bildung von freien CYP-Eicosanoiden im Wildtyp und in verschiedenen Mutantenstämmen analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass 17,18-EEQ die stimulierende Wirkung von Serotonin zeigt, während 20-HETE mit der hemmenden Wirkung von Octopamin überlappt. Darüber hinaus erhöhte Serotonin den freien 17,18-EEQ-Spiegel, während Octopamin selektiv die Synthese von Hydroxymetaboliten induzierte. Zweitens wurde die Stereodiskriminierung von 17,18-EEQ getestet, um das wirksame Enantiomer in der stimulierenden Funktion auf die Pharynxmuskelzellen zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass nur 17(R),18(S)-EEQ Beeinträchtigungen des pharyngalen Pumpens beheben konnte. Darüber hinaus wurden drei Mutantenstämme, die in verschiedenen Serotonin-GPCRs defekt sind, ser-1(ok345), ser-7(tm1325) und ser-7(tm1325)ser-1(ok345), ausgewählt, um zu entschlüsseln, welcher Rezeptor am CYP-Eicosanoid-Signaltransduktionsweg beteiligt sein könnte. Tatsächlich scheint SER-7 für die 17-18-EEQ-Effekte auf die Regulierung der pharyngalen Pumpaktivität von C. elegans erforderlich zu sein. Drittens wurde mit der Identifizierung eines GPCR des vorgeschlagenen Signaltransduktionsweges stromabwärts der CYP-Eicosanoid-Produktion begonnen. NMUR-2 wurde als potenzielles Kandidaten-GPCR-Gen ausgewählt. / This thesis investigated the effects of cytochrome P450 (CYP)-produced eicosanoids on the pharyngeal pumping in the nematode Caenorhabditis elegans and their cross-link with neurohormones. Within the framework of exploring CYP-eicosanoid signaling in C. elegans this work mainly focused on identifying and characterizing key components involved in worm’s pharyngeal activity, in particular regio- and stereoisomeric metabolites of EPA (eicosapentaenoic acid, 20:5 n-3) and AA (arachidonic acid, 20:4 n-6), neurohormones, (serotonin and octopamine) as well as the involvement of relevant GPCR (G protein-coupled receptors). Firstly, the impact of short-term treatment with CYP-eicosanoids and neurohormones on CYP-eicosanoid formation in wildtype and different mutant strains was analyzed. The results showed that 17,18-EEQ (17,18-epoxyeicosatetraenoic acid) mimics the stimulatory effect of serotonin while 20-HETE (20-hydroxeicosatetraenoic acid) overlapped with the inhibitory effect of octopamine. Moreover, serotonin increased free 17,18- EEQ levels, whereas octopamine selectively induced the synthesis of hydroxy-metabolites. Secondly, stereo-discrimination of 17,18-EEQ was tested to identify the effective enantiomer in the stimulatory function on pharyngeal muscle cells. Only 17(R),18(S)-EEQ was found to rescue impairments of pharyngeal pumping. Moreover, three mutant strains defective in different serotonin GPCRs, ser-1(ok345), ser-7(tm1325) and ser-7(tm1325) ser-1(ok345), were selected to decipher which receptor might be involved in the CYP-eicosanoid signaling transduction pathway. In fact, SER-7 seems to be required for the 17-18-EEQ effects on regulation of pharyngeal pumping activity in C. elegans. Third, the identification of a GPCR of the proposed signal transduction pathway down-stream of CYP-eicosanoid production was started. NMUR-2 was selected as a potential candidate GPCR gene.

Die Phänotypisierung von Cytochrom P450 (CYP) und Leberfunktionstests sind wichtige Methoden in der Klinik. Die Methoden nutzen die Pharmakokinetik (PK) von Testsubstanzen und ihren Metaboliten, um Einblicke in die Stoffwechselkapazität der Leber und in die Aktivität von Enzymen und Transportern zu gewinnen. Die Leberfunktionstests werden nicht nur von zahlreichen Proband:innenmerkmalen, sondern auch von den Besonderheiten der Untersuchung beeinflusst. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Faktoren, die das Ergebnis der Messungen beeinflussen, voneinander zu trennen, um ihren jeweiligen Einfluss auf das Messergebniss zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde die Herausforderung durch Metaanalysen und physiologisch basierte Pharmakokinetik Modellierung (PBPK) angegangen. Es wurde eine offene Pharmakokinetik-Datenbank (PK-DB) entwickelt und PK-Daten für ein breites Spektrum von Testsubstanzen kuratiert. Meines Wissens enthält PK-DB derzeit den größten offenen PK-Datensatz zu Testsubstanzen. Der Datensatz ermöglichte die Identifizierung und Quantifizierung von demografischen und rassischen Bias (Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit, Alter, Gesundheitszustand), Meldefehlern und Unstimmigkeiten in der Literatur. Auf der Grundlage der Daten wurde eine Metaanalyse der PK von Koffein im Hinblick auf verschiedene Faktoren bzgl. Leberfunktion und CYP1A2-Aktivität durchgeführt. Insbesondere wurde das vorhandene Wissen über die Auswirkungen des Rauchens, der Einnahme oraler Verhütungsmittel, verschiedener Krankheiten und Begleitmedikationen auf die PK von Koffein durch Metaanalysen und Datenintegration konsolidiert. Ebenso wurde die Messgenauigkeit der Koffeinkonzentration in Bezug auf den Messprotokol analysiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss des CYP2D6-Polymorphismus untersucht. Hierzu wurde ein PBPK-Modell für Dextromethorphan und seine Metaboliten Dextrorphan und Dextrorphan O-Glucuronid entwickelt und mit den PK-Daten kalibriert und validiert. / Cytochrome P450 (CYP) phenotyping and dynamic liver function testing are essential methods in clinical practice. These methods utilize the pharmacokinetics (PK) of test substances and their metabolites to gain insight into the liver's metabolic capacity and the activity of enzymes and transporters. Liver function tests are not only influenced by numerous characteristics of a studied subject but also by the specifics of individual study procedures. A key challenge is to disentangle the various factors which influence the outcome of the measurements from each other to study their influence on the dynamic liver function and CYP phenotype. In this work, the challenge was addressed through meta-analysis and physiologically based pharmacokinetic modeling. As a foundation, an open pharmacokinetics database was developed and pharmacokinetics data were curated for a wide range of test substances. To my knowledge, PK-DB currently contains the largest open pharmacokinetic dataset on substances used for phenotyping and dynamical liver function testing. The dataset allowed for identifying and quantifying demographic and racial bias (sex, ethnicity, age, health), reporting errors, and inconsistencies in pharmacokinetic literature. Based on the data, a caffeine pharmacokinetics meta-analysis was conducted concerning various factors affecting liver function and CYP1A2 activity. In particular, meta-analysis and data integration solidified existing knowledge on the effects of smoking, oral contraceptives, multiple diseases, and co-medications on caffeine pharmacokinetics. Similarly, the measurement accuracy of caffeine concentration was investigated with respect to various aspects of the measurement protocol. In addition, the impact of CYP2D6 polymorphism was investigated. Therefore, a PBPK model of dextromethorphan (DXM) and its metabolites dextrorphan (DXO) and dextrorphan O-glucuronide (DXO-Glu) was developed, and calibrated, and validated with pharmacokinetics data.

Gallic acid is a known antioxidant and has anti-inflammatory activity in addition to other biological activities, but GA efficiency is restricted due to low permeability and low oral bioavailability. This study was designed to investigate the solubility, permeability, oral bioavailability, enzymatic stability with cytochrome CYP2D6, antioxidant and anti-inflammatory activity of novel gallic acid sulfonamide derivatives; TMBS, and THBS. In addition, a novel in silico permeability model was designed to predict the permeability and bioavailability of eighty derivatives of GA. In sillico prediction of intestinal permeability of GA derivative indicated an increase in permeability with increased lipophilicity and decreased aqueous solubility, replacing the carboxylic group with sulfonamide group has increased intestinal permeability. A significant (P <0.01) increase was observed in the permeability of TMBS and THBS over GA, in both gastric fluids and HIEC cells. TMBS was O-demethylated by CYP2D6. TMBS had greater ROS scavenging activity than GA in HIEC-6 cells. There was a significant (P< 0.05) increase in anti-inflammatory activity of THBS, and TMBS compared to ibuprofen. TMBS, and THBS had better oral bioavailability than GA. This data suggests that the in silico permeability model can be used in the future to study new candidate of gallic acid, and further in vivo and clinical investigations are required to introduce TMBS and THBS as a new antioxidant and anti-inflammatory drugs.

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Nitroaromatic compounds are mutagenic and carcinogenic substances present in environment. Most of nitroaromatic compounds are potent mutagens in bacterial and mammalian systems. They are also carcinogens causing development of tumors, primarily in the liver, lung and mammary glands. 3-Nitrobenzanthrone (3-NBA, 3-nitro-7H-benz [de] anthracene-7-one) is one of the polycyclic aromatic nitro compounds possesing high toxic effects. 3-NBA is an environmental pollutant present in diesel exhaust and was also detected in soil and in rain water. 2-Nitrobenzanthrone (2-NBA, 2-nitro-7H-benz [de] anthracene-7-one) is an isomer 3-NBA, which also occurs as a pollutant in air. Although the 2-NBA is a weakly toxic substance, its high abundance in air could exhibit a high health risk to humans. This thesis investigates the metabolism of 3-NBA and its isomeric derivate, isomer 2 NBA, under anaerobic and aerobic conditions. To study the metabolism of these compounds, microsomal systems isolated from the liver of rats pretreated with Sudanem I, -naphthoflavone, phenobarbital, ethanol and pregnenolon 16-carbonitrile (PCN), the inducers of cytochromes P450 1A, 2B, 2E1 and 3A, were used. We also used mouse models, a control mouse line (wild type WT) and mice with deleted gene of NADPH:CYP reductase in the liver, thus absenting...