Burkholderia pseudomallei et Burkholderia mallei sont respectivement les agents biologiques responsables de la mélioïdose et de la morve. Pour déterminer si les échecs thérapeutiques étaient dus à l'émergence d'une résistance acquise durant le traitement antibiotique, nous avons sélectionné des souches de Burkholderia thailandensis, modèle d'étude, B. pseudomallei et B. mallei, avec différents antibiotiques : le chloramphénicol, la doxycycline et le triméthoprime-sulfaméthoxazole. Les Burkholderia ont montré qu'elles étaient capables de développer une multirésistance in vitro en réponse à chaque antibiotique utilisé dans le traitement oral de la mélioïdose ou de la morve. Pour comprendre les mécanismes de résistance impliqués, nous avons étudié les aspects moléculaires et génétiques de la résistance chez B. thailandensis par des méthodes protéomiques et transcriptomiques. Nous avons développé une méthode pour quantifier l'expression des gènes de pompes d'efflux par RT-PCR quantitative après normalisation sur plusieurs gènes de référence. Ces méthodes nous ont permis d'identifier la surproduction séquentielle de trois pompes d'efflux de type RND : BpeAB-OprB, AmrAB-OprA et BpeEF-OprC, toutes induites par le chloramphénicol ou la doxycycline chez les souches multirésistantes. L'étude de mutants déficients en pompe d'efflux nous a permis de mieux appréhender les relations étroites entre ces trois pompes et a confirmé que l'efflux actif était le principal mécanisme impliqué cette résistance induite. / Burkholderia pseudomallei and Burkholderia mallei are respectively the causative agents of melioidosis and glanders. To determine whether treatment failures were due to the emergence of acquired resistance during antibiotic treatment, we selected strains of B. pseudomallei, B. mallei, and Burkholderia thailandensis, used as a study model of these two pathogenic bacteria, with structurally unrelated antibiotics: chloramphenicol, doxycycline and trimethoprim-sulfamethoxazole. We showed that Burkholderia were able to develop multidrug resistance in vitro in response to each of theses antibiotics used in the oral treatment of melioidosis and glanders. To understand the resistance mechanisms involved, we studied the molecular and genetic aspects of resistance in B. thailandensis by proteomic and transcriptomic methods. We have developed a method to quantify efflux pumps gene expression by quantitative RT-PCR after normalization with several reference genes. These methods allowed us to identify sequential overproduction of three RND efflux pumps: BpeAB-OprB, AmrAB-OprA and BpeEF-OprC, all induced by chloramphenicol or doxycycline in multiresistant strains. The study of mutants respectively defective in one of these efflux pumps has allowed us to better understand the close relationship between these three pumps and confirmed that active efflux acted as a major mechanism involved in the induced resistance.

La surexpression des pompes d’efflux (PE) appartenant à la famille Resistance-Nodulation-Division (RND) est l’un des contributeurs majeurs de la multirésistance (MDR) et la pathogénicité des bactéries Gram-négatives. Ces transporteurs sont capables d'expulser à l’extérieur de la cellule bactérienne différentes classes d'antibiotiques, ce qui contribue de manière significative à l'échec thérapeutique du traitement des maladies infectieuses. Dans ce contexte, les PEs sont des cibles intéressantes pour la découverte de nouveaux antimicrobiens. Afin de combattre ce mécanisme de résistance, des inhibiteurs des pompes d’efflux (EPIs) sont développés comme adjuvants d'antibiotiques dans le but de restaurer ou d'améliorer leur activité. L'archétype AcrAB-TolC est particulièrement répandu chez les espèces d’Enterobacter pertinentes en clinique (pathogènes « ESKAPE »). Cette étude décrit une stratégie basée sur des analogues des fluoroquinolones pour le drug design des EPIs, contre la pompe AcrB chez E. aerogenes. Ainsi, la synthèse et l'évaluation microbiologique des dérivés de quinazoline-4(3H)-one ont été effectuées. Les propriétés structurales et moléculaires des composés testés (i.e. rigidité et flexibilité) ont également été étudiées. Pour cela, de nouveaux scaffolds ont été évaluées. Plusieurs molécules ont montré une augmentation de la sensibilité des bactéries à la norfloxacine et au chloramphénicol. Les résultats obtenus, appuyés par la modélisation moléculaire, suggèrent que la flexibilité moléculaire et la nature des fonctions chimiques des EPIs jouent un rôle essentiel dans l'amélioration de l'activité et la sélectivité vis-à-vis des fluoroquinolones. / Overexpression of Resistance-Nodulation-Division (RND) efflux pumps (EP) is a major contributor in multidrug resistance (MDR) and pathogenicity in Gram-negative bacteria. These transporters are able to expel out of the bacterial cell clinically important antibiotic classes, contributing in a significant manner to the treatment failure of infectious diseases. With the worrying levels of bacterial resistance reported worldwide and the continuous spreading of MDR pathogens, EPs are interesting targets for the discovery of new antimicrobial drugs. Therefore, to overcome this mechanism, efflux pump inhibitors (EPIs) are being developed as adjuvants in order to restore or improve the activity of usual antibiotics. The AcrAB-TolC archetype is particularly widespread in Enterobacter spp. presenting clinical relevance (ESKAPE pathogens). In this study, we described the drug design strategy based on fluoroquinolone antibiotic analogs, against the AcrB pump of E. aerogenes. Thus, synthesis and microbiological evaluation of quinazolin-4(3H)-one derivatives were performed. The structural and molecular properties of the tested compounds (i. e. rigidity and flexibility) were also investigated. In this purpose, a scaffold hopping of the quinazolinone core to homologous benzoquinazolinones and precursors benzamides were carried out. Several molecules increased the bacterial susceptibility towards norfloxacin and chloramphenicol. The obtained results, supported by molecular modeling, suggest that molecular flexibility and the nature of chemical functions play a critical role to improve activity and selectivity on fluoroquinolone potentiation targeting AcrB efflux pump.

La résistance des cellules cancéreuses à la chimiothérapie est une cause majeure de l’échec thérapeutique. Des études suggèrent qu’une adaptation du métabolisme énergétique pourrait jouer un rôle dans cette résistance. Ce travail de thèse montre que la résistance des cellules cancéreuses mammaires MCF-7dox à la doxorubicine est associée à une diminution de l’activité du complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale et à un métabolisme des cardiolipines (CL) particulier (diminution de la quantité de CL et augmentation de la quantité de MLCL, la forme immature des CL). Nos résultats montrent aussi que les mitochondries des cellules MCF-7dox expriment deux pompes d’efflux ATP-dépendantes (BCRP et MRP1) qui participent à limiter la quantité de doxorubicine accumulée dans ces mitochondries. De plus, l’activité de ces deux transporteurs dépend partiellement de l’ATP mitochondrial dont l’efficacité de synthèse est améliorée dans les cellules MCF-7dox. D’autre part, nous montrons que l’effet sensibilisant du DHA à la doxorubicine dans les cellules MCF-7dox implique un stress oxydant mitochondrial et s’accompagne d’une diminution de l’efficacité de la synthèse d’ATP. / Resistance of cancer cells to chemotherapy is a major cause of treatment failure. Studies have suggested that an adaptation of energy metabolism may play a role in the development of this resistance. The present work shows that resistance of the breast cancer cell line MCF-7dox to doxorubicin is associated with decreased activity of the mitochondrial respiratory chain complex I and particularly altered cardiolipin (CL) metabolism, (decreased CL levels and increased MLCL levels, the immature form of the CL). Our results also show that mitochondria from MCF-7dox cells express two ATP-dependent efflux pumps (BCRP and MRP1) limiting the accumulation of doxorubicin in these mitochondria. In addition, the activity of these two transporters is partially dependent on mitochondrial ATP synthesis which efficiency is improved in MCF-7dox cells. Moreover, we show that the sensitizing effect of DHA to doxorubicin in MCF-7dox cells is regulated by mitochondrial oxidative stress and is accompanied by a decrease in ATP synthesis efficiency.

L’efflux actif, qui permet aux bactéries d’exporter les antibiotiques vers le milieu extérieur est l’un des mécanismes majeurs de résistance aux antibiotiques. L’une des pompes d’efflux de Pseudomonas aeruginosa, MexA-MexB-OprM, est constituée de trois protéines : i) MexA, une protéine membranaire de fusion qui se trouve dans le périplasme ; ii) MexB qui se trouve dans la membrane interne et qui reconnaît l’antibiotique et initie son transport grâce à la force protomotrice et iii) OprM un canal qui se trouve dans la membrane externe. Durant ma thèse, j’ai mis au point un test fonctionnel pour MexA et MexB. Ce test est basé sur la coreconstitution de ces protéines avec la bactériorhodopsine, une protéine membranaire qui génère un gradient de proton après activation par la lumière. L’activité de MexB est suivie de manière indirecte via la mesure du pH. En mesurant le pH à l’intérieur des liposomes, on peut connaître l’activité de MexB puisque ce dernier utilise la force protomotrice pour transporter ses substrats. Une mesure fiable du pH peut être obtenue grâce à la pyranine dont la fluorescence varie avec le pH. Grâce à ce test, j’ai prouvé que MexB possède une activité basale qui ne dépend pas de la présence de substrat et que l’activité de MexB devient optimale quand cette dernière est reconstituée en présence de MexA. Dans un deuxième temps, j’ai mis au point un test fonctionnel pour la pompe d’efflux entière. Pour cela, je prépare deux types distincts de protéoliposomes. Dans le premier type de liposome, j’encapsule de la pyranine, (pour suivre l’activité de MexB) et un substrat de MexB qui est un agent intercalant de l’ARN. Ce substrat est faiblement fluorescent dans un environnement aqueux et fortement fluorescent lorsqu’il est intercalé dans l'ARN. MexB et MexA sont reconstitués dans ces liposomes. Dans le deuxième type de liposomes, je reconstitue OprM et j’encapsule de l’ARN. Ces deux types de liposomes sont alors mélangés. Lorsque la pompe s’assemble et qu’il y a un transport actif à travers cette dernière, deux phénomènes sont observés: la diminution de la fluorescence de la pyranine (car MexB fait entrer des protons dans le premier type de liposome pour transporter le substrat) et l’augmentation de la fluorescence du substrat car ce dernier s’intercale dans l’ARN se trouvant dans le deuxième type de liposome. En mélangeant les deux types de liposomes, j’obtiens une preuve de la reconstitution in vitro de la pompe entière et j’ai mis en évidence qu’OprM s’ouvre en présence de MexA et MexB et que sa présence augmente l’activité de MexB. / Among the various mechanisms developed by the bacteria to counter to the effect of antibiotics, active efflux is on the front line. In Pseudomonas aeruginosa, a Gram negative bacteria, efflux transporters are organized as multicomponent systems where MexB, the pump located in the inner membrane, works in conjunction with MexA, a periplasmic protein, and OprM, an outer membrane protein. MexB is a proton motive force-dependent pump with broad substrate specificity. During my PhD, I have designed an original activity assay for MexB and MexA. The pump is coreconstituted into proteoliposomes together with bacteriorhodopsin (BR), a light-activated proton pump. In this system, upon illumination with visible light, the photo-induced proton gradient created by the BR is shown to be coupled to the active transport of substrates through the pump. The activity of MexB is monitored indirectly. Since MexB uses the protomotive force to transport antibiotics, one can determine substrate transport though MexB by monitoring the pH inside the liposomes. For that purpose, pyranine, a fluorescent probe whose fluorescence yield increases with increasing pH, is encapsulated inside the liposomes. This test makes the investigation of the pump possible. In the absence of MexA, MexB has a basal activity which is not substrate-dependent. Once MexB is reconstituted together with MexA, its activity is specific and substrate-dependent. Then I worked on the reconstitution of the whole efflux pump. For this, I prepare two different kinds of liposomes: i) Liposomes with reconstituted MexA and MexB in which pyranine and a nucleic acid intercalating agent are encapsulated, ii) Liposomes with reconstituted OprM and encapsulated RNA. The activity of MexB is monitored thanks to the addition of EthB, a substrate of MexB, that is poorly fluorescent in aqueous medium and highly fluorescent when intercalated into RNA. Upon generation of a pH gradient, I observe two concomitant phenomena: the decrease of pyranine fluorescence, as MexB is using protons to transport the substrate, and the increase of the fluorescence of the RNA intercalating agent as a result of its interaction with RNA. I have successfully assembled the efflux pump and monitored transport through it from one liposome to the other. I have demonstrated that OprM needs to interact with MexA and MexB in order to open and that MexB activity is accelerated when the pump is assembled.

La résistance aux médicaments antiépileptiques (MAEs) est un des problèmes majeurs des épilepsies infantiles, comme par exemple le syndrome de Dravet. La pharmacoresistance de l’épilepsie pourrait s’expliquer par une diminution du passage des MAEs dans le cerveau, à travers la Barrière Hémato-Encéphalique (BHE). La BHE comporte des transporteurs des familles « ATP-binding cassette » (ABC) et « SoLute Carrier » (SLC) localisés au niveau de la membrane des cellules endothéliales qui contrôlent leur passage entre le sang et le cerveau. La pharmacoresistance des épilepsies a été associée à ces transporteurs car des MAEs ont été identifiés comme substrats de transporteurs comme la glycoprotéine-P (P-gP) et la « Breast Cancer Resistance Protein » (BCRP). L’hypothèse de cette relation est confortée par l’observation de l’augmentation de l’expression de ces transporteurs d’efflux dans le foyer épileptogène et par l’identification des polymorphismes dans les gènes des transporteurs chez des patients pharmacorésistants. L’interaction au cours du développement cérébral entre les cellules endothéliales et les neurones et astrocytes pourrait modifier le profil des transporteurs de la BHE. Les MAEs sont aussi connus pour être soit des inducteurs, soit des inhibiteurs des enzymes du métabolisme des médicaments et des transporteurs membranaires. Ces données nous permettent de faire les hypothèses suivantes: 1) La BHE en développement présente un profil de transporteurs différent de la BHE mature qui pourrait modifier le passage des MAEs vers le cerveau ; et 2) le traitement chronique administré au cours du syndrome de Dravet pourrait changer le phénotype des transporteurs de la BHE en développement. Nous résultats ont montré que la P-gP et la BCRP augment leur expression au cours du développement. La maturation de la BHE a aussi un impact sur le passage des MAEs étudiés. Nous avons constaté une augmentation de l’expression des différents transporteurs ABC et SLC étudiés pendant le développement de la BHE, suite au traitement chronique avec la thérapie du Syndrome de Dravet. L’acide valproïque, un des MAEs utilisé dans ce traitement, diminue l’activité d’efflux de la P-gP chez les rats en développement et adultes, ce qui a été confirmé dans un modèle in-vitro de BHE immature. Ces résultats mettent en évidence l’interaction entre la BHE en développement et le traitement chronique par les MAEs peut modifier leur distribution au niveau du cerveau et la réponse aux MAEs. / Resistance to Antiepileptic Drugs (AEDs) has been a major concern in infantile epilepsies such as for example the Dravet Syndrome. One hypothesis concerning the pharmacoresistance in epilepsy is that a decreased delivery of these drugs to the brain may occur in relation to changes in the Blood-Brain Barrier (BBB) function. BBB exhibits ATP-binding cassette (ABC) and SoLute Carrier (SLC) transporters at the surface of endothelial cells that control the blood-brain transport. Pharmacoresistance in epilepsy may be linked to changes in the functions of these transporters since some AEDs are substrates of the P-glycoprotein (P-gP) and Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) transporters. The increased expression of efflux transporters in epileptogenic tissue and the identification of polymorphisms in the efflux transporters genes of resistant patients further support this potential relationship. The interaction of endothelial cells with astrocytes and neurons during brain development could change the pattern of transporters in the BBB. AEDs are also known as either inducers or inhibitors of drug metabolic enzymes and membrane transporters. Taken together, these facts led us to test the following hypothesis: 1) the developing BBB in immature animals presents a different pattern of transporters that could change AEDs disposition in the brain of immature subjects; and 2) the chronic pharmacotherapy used in infantile epilepsies such as the Dravet Syndrome may change the transporters phenotype of the BBB. Our work showed that the expression of P-gP and BCRP increases during development as a function of age. We also showed the maturation of the BBB has an impact on brain disposition of the studied AEDs. We finally observed an increase in the expression of various ABC and SLC transporters induced by the pharmacotherapy of the Dravet Syndrome in immature animals. One of the drugs used, valproic acid, appeared nonetheless to reduce the efflux activity of P-gP in developing and adult animals, which was confirmed in an in-vitro model of the immature BBB. Taken together, these results demonstrated that the interaction between the developing BBB and the AEDs chronic treatment may lead to differences in brain disposition of the AEDs that may impact on the response to AEDs.

Si les antibiotiques ont amélioré le pronostic des maladies infectieuses, l’apparition de résistances importantes et les manipulations génétiques volontaires peuvent faire craindre l’émergence de pathogènes très virulents et résistants aux antibiotiques recommandés. Aussi, la multidrug résistance (MDR) est devenue un problème majeur pour traiter des infections impliquant des bactéries à Gram-négatif. La surexpression des mécanismes d’efflux contribue largement au phénotype de multi-résistance aux antibiotiques et l’inhibition de ces mécanismes intéresse donc de plus en plus le monde de la recherche.Les phénothiazines font partie des molécules les plus prometteuses du 20e siècle. La présence d’un substituant en position C-2 sur le noyau tricyclique et celle d’une chaine alkyl aminée en position N-10 se sont révélées être critiques pour des activités de type neuroleptique, antihistaminique et anthelminthique. Une activité anti-MDR a également été mise en évidence, notamment contre les cancers et la tuberculose. Le mécanisme par lequel ces molécules inhiberaient l’efflux est cependant encore mal connu. Différents dérivés de la phénothiazine ont été synthétisés afin de comprendre ce mécanisme et de dégager les propriétés physico-chimiques mises en jeu chez Burkholderia pseudomallei. Cette bactérie à Gram-négatif, responsable de la mélioïdose, est classée parmi les agents potentiels du bioterrorisme. Elle est en effet extrêmement pathogène et présente une sensibilité très réduite à une majorité de classes d’antibiotiques. L’activité des phénothiazines a été évaluée par la technique Etest® sur Burkholderia thailandensis, modèle d’étude non-pathogène. / If antibiotic drugs improved the prognosis of infectious diseases, the appearance of antimicrobial resistance and deliberate genetic modifications could be followed by the worrying emergence of highly virulent pathogens resistant to usual antibiotics. Thus, Multi-Drug Resistance (MDR) became a major problem to treat infections involving Gram negative bacteria. The overexpression of efflux mechanisms contributes to a great extent to antibiotic resistance and the inhibition of these mechanisms increasingly interest research areas.Phenothiazines are the most promising molecules of the 20th century. The presence of substituent in C-2 position on the tricyclic structure and the one of alkyl amino chain in N-10 position proved their critical activity as neuroleptic, antihistaminic and antihelmintic drugs. An anti-MDR activity has also been put into evidence against cancers and tuberculosis, but the mechanism by which molecules would inhibit efflux is not well known yet. Different phenothiazine derivatives have been synthesized in order to better understand this mechanism and to draw the physicochemical properties involved in Burkholderia pseudomallei. This Gram negative bacterium is responsible of melioidosis and classified as potential bioterrorism infectious agent. This bacterium is indeed extremely pathogenic and has a very low susceptibility to most classes of antibiotics. The activity of phenothiazine derivatives was evaluated using the Etest® method in Burkholderia thailandensis, the non-pathogenic study model.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste impliqué dans les infections nosocomiales. Sa multi résistance aux antibiotiques s’exerce notamment grâce à l’activation de pompes d’efflux membranaires. Il s’agit de systèmes tripartites composés d’une porine de la famille OMF (Outer Membrane Factor) ancrée dans la membrane externe, d’un transporteur de la famille des RND (Resistance Nodulation Division) localisé dans la membrane interne et d’un adaptateur périplasmique de la famille des MFP (Membrane Fusion Protein) qui consolide l’ensemble. Le travail réalisé au cours de cette thèse apporte une contribution à la compréhension des mécanismes d’assemblage et d’ouverture des pompes d’efflux ainsi qu’à leur régulation grâce au développement de nouveaux outils empruntés à la physique, à la biochimie et à la microbiologie. Une première étude a permis de déterminer la stoechiométrie d’interaction entre MexA et OprM par gel bleu natif (Ferrandez, Monlezun et al. 2012). Une deuxième étude a été consacrée, dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe de B. Le Pioufle (ENS Cachan), à la caractérisation par électrophysiologie de l'ouverture de la porine OprM, insérée dans une membrane artificielle reconstituée sur une biopuce (Wang, Monlezun et al. 2012). Puis, afin d’étudier cette fois ci, le mécanisme d’ouverture de la porine OprM in vivo, une étude fonctionnelle par complémentation chez Pseudomonas aeruginosa a été initiée. Enfin, dans le cadre d'une collaboration avec l’équipe de P. Plésiat (Laboratoire de Bactériologie, Besançon), deux analyses de mutants cliniques par modélisation ont été réalisées sur le régulateur MexZ de la pompe MexXY/OprM et de la porine d’influx des carbapénèmes OprD. / Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen involved in nosocomial infections. This bacteria has developed various strategies to resist antibiotics treatments, one of them being the activation of membrane efflux pumps. These tripartite systems consist of an OMF (Outer Membrane Factor) family porin, localized in the outer membrane, an active transporter in the inner membrane, belonging to the RND (Resistance Nodulation Division) family and a periplasmic adaptator protein, member of the MFP (Membrane Fusion Protein) family which consolidates the whole complex. Results obtained during this thesis contribute to a better understanding of efflux pumps’ assembly and opening thanks to the development of new research tools borrowed from physic, biochemistry and microbiology. The first study describes the binding stoechiometry of MexA with its cognate partner OprM by Blue Native Polyacrylamide gel Electrophoresis (Ferrandez, Monlezun et al. 2012). Secondly, a study, in collaboration with B. Le Pioufle’s team (ENS Cachan), was dedicated to the electrophysiologic caracterization of OprM opening using a microfluidic device incorporated with a miniaturized artificial bilayer membrane (Wang, Monlezun et al. 2012). Then, to complete this analysis in vivo, in the third part of this thesis, complementation experiments were initiated in a Pseudomonas aeruginosa strain deleted of its chromosomal oprM gene. Finally, in collaboration with P. Plésiat’s team (Laboratoire de Bactériologie, Besançon), modelling of MexZ, the MexXY/OprM pump’s regulator and modelling of the carbapenems’ porin OprD were made in order to link structural modifications to mutations observed in clinical strains.

Dans ce travail de thèse, l'efficacité de la voie intrapulmonaire et les paramètres biopharmaceutiques influençant la diffusion pulmonaire après nébulisation d'antibiotiques ont été évalués. La présence et l'impact de certaines pompes d'efflux dans un modèle in vitro de cellules primaires épithéliales pulmonaires de rat ont été testés. Trois fluoroquinolones et la colistine ont été utilisées comme molécules de référence. La combinaison des molécules testées a permis d'obtenir une vue d'ensemble des caractéristiques de diffusion intrapulmonaire des antibiotiques. L'étude in vivo avec les fluoroquinolones a démontré que les concentrations pulmonaires de ces molécules sont plus importantes que dans le plasma, probablement dû à la présence des transporteurs comme la glycoprotéine-P. La présence de ces transporteurs a été confirmée dans le modèle de cellules pulmonaires de rats. L'étude in vivo avec la colistine a montré qu'une lente diffusion pourrait conférer un avantage à la nébulisation par rapport à l'administration intraveineuse. En conclusion, l'administration par nébulisation des molécules, qui traversent les tissus lentement (colistine), pourrait être avantageuse, alors que pour d'autres, qui traversent vite la barrière (fluoroquinolones), la voie nébulisée pourrait ne pas présenter des avantages par rapport à la voie intraveineuse. De plus, les résultats ont démontré qu'une faible perméabilité à travers le poumon (colistine) pourrait donner un avantage à la nébulisation des antibiotiques, tandis qu'une affinité pour des transporteurs (fluoroquinolones) semble présenter un intérêt aussi bien dans le cadre d'une nébulisation que d'une administration intraveineuse. / The aim of this study was to investigate the efficiency of intrapulmonary administration and the biopharmaceutical parameters regulating the pulmonary diffusion following nebulization. We examined whether certain efflux pumps were present in an in vitro model of rat lung cells and whether these efflux pumps could be beneficial by increasing lung concentrations in vivo. Fluoroquinolones and colistin were the molecules used as reference. These different molecules allowed an overview of the intrapulmonary diffusion characteristics of antibiotics. The in vivo study with fluoroquinolones showed that their lung concentrations are higher than in plasma, probably due to glycoprotein-P. The presence of this efflux pump was confirmed in the model with rat lung cells. The in vivo study with colistin showed that a slow diffusion may confer an advantage for nebulization over intravenous administration. In conclusion, the nebulization molecules passing slowly (colistin) across the tissues may be advantageous, whereas for others, with a fast passage across the barrier (fluoroquinolones), the pulmonary route may not provide an advantage over the intravenous administration. Moreover, the results showed that a slow permeability across the lung (colistin) may confer an advantage for the antibiotic nebulization, while affinity by transporters (fluoroquinolones) is beneficial for both nebulization and intravenous administration.

L'apparition croissante de bactéries pathogènes multi-résistantes à la plupart des antibiotiques disponibles apparaît comme un problème mondial de santé publique. Malheureusement, un usage excessif à la fois en médecine humaine et animale a conduit à l’apparition de souches multi-résistantes à la plupart des antibiotiques disponibles sur le marché. Il est donc urgent de mieux comprendre les mécanismes mis en place par les bactéries pour résister aux antibiotiques afin de trouver des solutions pour combattre les souches multi-résistances.Dans ce contexte, le projet de la thèse vise à mieux comprendre les bases moléculaires de l’efflux actif de drogues chez Pseudomonas aeruginosa, qui est un des plus importants mécanismes utilisés par la bactérie pour lutter contre l’action de plusieurs antibiotiques. Les systèmes d’efflux forment des complexes protéiques situés dans la paroi de la bactérie et expulsent de manière active les antibiotiques avant même qu’ils aient pu atteindre leur cible intracellulaire, les rendant ainsi inactif.L’étude structurale se focalise sur le système RND (Resistance-Nodulation and cell Division) MexA-MexB-OprM qui est constitutivement exprimé chez la bactérie sauvage et est surexprimé chez les souches résistantes. Ce complexe tripartite est composé d'un transporteur inséré dans la membrane interne, d'une protéine canal insérée dans la membrane externe et d’une protéine adaptatrice périplasmique qui relie les deux autres protéines pour former un conduit étanche traversant le périplasme. En l’absence de la connaissance de la structure du complexe tripartite, l’objectif de la thèse a été de développer une stratégie originale pour reconstituer in vitro le complexe entier dans un environnement lipidique à partir des trois composants natifs produits séparément.L’assemblage du complexe tripartite est réalisé en mélangeant MexB et OprM en Nanodisque avec MexA mimant les deux bicouches lipidiques. La structure de ce complexe tripartite a été obtenu en combinant la cryo microscopie électronique et à l’approche dite ‘des particules isolées’. La structure tridimensionnelle du complexe calculée à une résolution inférieure à 4 Å a permis de construire un modèle atomique du complexe tripartite assemblé entre deux Nanodisques.Le complexe tripartite est composé d’un trimère d’OprM, d’un trimère de MexB et d’un hexamère de MexA entourant MexB et en interaction avec OprM. Ces données ont permis de résoudre la structure complète de MexA dans le complexe dont la partie N-terminale jusqu’alors inconnue car trop flexible et décrivent pour la première fois l’ancrage de MexA dans une membrane lipidique. Les changements conformationnels sont observés sur OprM et MexB lorsqu’ils sont engagés dans le complexe avec l’ouverture de l’extrémité périplasmique d’OprM et le basculement d’une boucle de MexB permettant d’établir un contact supplémentaire avec MexA.Pour replacer cette structure tripartite dans le cycle d’efflux de l’antibiotique, celle-ci décrit un état qui s’apparente probablement à un état au repos, sachant qu’aucun ligand spécifique n’a été ajouté au cours de l’assemblage. De plus, le complexe forme un canal ouvert à son extrémité extracellulaire, fournissant le conduit pour évacuer les drogues transportées par MexB qui utilise la force protomotrice comme source d’énergie.Ce travail ouvre la perspective à des études structurales d’autres états conformationnels du système d’efflux en condition « énergisé » pour compléter la compréhension du mécanisme du cycle d’efflux. Par ailleurs, la connaissance de cette première structure du complexe natif tripartite constitue le premier pas vers le développement de molécules capables de bloquer l’assemblage du complexe à des fins thérapeutiques. En effet, de telles molécules inhiberaient l’efflux actif et restauraient l’efficacité perdue des antibiotiques actuels. / The increasing appearance of multi-drug-resistant pathogenic bacteria to most available antibiotics is emerging as a global public health problem. Unfortunately, excessive use in both human and animal medicine has led to the emergence of multi-drug-resistant strains for most antibiotics available on the market. It is therefore urgent to better understand the underlying mechanisms by which bacteria resist to antibiotics to combat multi-resistance strains. In this context, this work aims at better understanding the molecular basis of active drug efflux in Pseudomonas aeruginosa, which is one of the most important mechanisms used by the bacterium to resist to several antibiotics. Efflux systems form protein complexes in the bacterial wall and actively expel antibiotics even before they reach their intracellular target, rendering them inactive. The structural study focuses on the MexA-MexB-OprM RND (Resistance-Nodulation and cell Division) system that is constitutively expressed in wild-type bacteria and is over-expressed in resistant strains. This tripartite complex is composed of a transporter inserted into the inner membrane, a channel protein inserted in the outer membrane and a periplasmic adapter protein that connects the other two proteins to form a sealed conduit through the periplasm. In the absence of knowledge of the structure of the tripartite complex, the aim of the thesis was to develop an original strategy to reconstitute the whole complex in vitro in a lipid environment from the three native components produced separately.The assembly of the tripartite complex is made by mixing MexA with MexB and OprM in Nanodisc mimicking the two lipid bilayers. The structure of this tripartite complex was obtained by combining cryo electron microscopy and the so-called 'isolated particles' approach. The three-dimensional structure of the complex, calculated at a resolution of less than 4 Å, was used to build an atomic model of the tripartite complex assembled between two Nanodiscs. The tripartite complex is composed of an OprM trimer, a MexB trimer and a MexA hexamer surrounding MexB and interacting with OprM. We solve the complete structure of MexA whose N-terminal part hitherto unknown because of a high flexibility and describe for the first time the anchoring of MexA in a lipid membrane. The conformational changes are observed on OprM and MexB when they are assembled in the complex with the opening of the periplasmic end of OprM and the spatial re-orientation of a MexB loop to establish additional contact with MexA.To integrate this tripartite structure into the antibiotic efflux cycle, it describes a state that is probably a resting state, knowing that no specific ligand was added during assembly. In addition, the complex forms an open channel at its extracellular end, providing the conduit to evacuate the drugs carried by MexB that uses the proton motive force as a source of energy. This work opens new perspective for structural studies of other conformational states of the efflux system in "energized" conditions to fulfill our understanding of the efflux cycle mechanism. Moreover, the knowledge of this first tripartite native complex structure constitutes the first step towards the development of molecules capable of blocking the assembly of the complex for therapeutic uses. Indeed, such molecules would inhibit active efflux and restore the lost efficiency of current antibiotics.

Au cours de cette thèse, nous montrons que l’obésité est un facteur de variabilité pharmacodynamique et pharmacocinétique de la morphine. En particulier, l’absorption et l’exposition à la morphine orale augmentent de façon significative après chirurgie de type bypass gastrique. Nous démontrons le rôle du contenu entérocytaire en transporteur d’efflux P-gp, dans la détermination de l’absorption et de l’exposition à la morphine. / In this thesis, we show that obesity is a factor of pharmacodynamic and pharmacokinetic morphine variability. In particular, absorption and exposure to oral morphine increases significantly after gastric bypass surgery . We demonstrate the role of enterocyte content of efflux transporter P-gp in determining the absorption and exposure to morphine.