Les facteurs de risque des maladies cardiovasculaires, telle, que la détérioration du profil lipidique, deviennent plus prononcés après la ménopause, ce qui fait de la maladie coronarienne, l’une des principales causes de décès chez les femmes ménopausées. Une proportion importante de femmes prennent du poids après la ménopause en particulier dans la région abdominale entraînant par conséquent des perturbations métaboliques. Des données récentes suggèrent également que l’absence des œstrogènes observée à la ménopause favorise le développement de la stéatose hépatique. Cette dernière a été incriminée pour incriminée dans le développement de la résistance à l'insuline, et est de ce fait considérée comme une composante hépatique du syndrome métabolique. Il est impératif d'établir des stratégies visant à contrecarrer l'accumulation de graisse dans le foie et l’accroissement du tissu adipeux chez les femmes ménopausées, en tenant compte que l'utilisation de l'hormonothérapie substitutive est de nos jours moins soutenue. Les quatre études de la présente thèse ont été conduites pour tenter de fournir des informations sur le traitement et la prévention de l’augmentation de la masse graisseuse et de la stéatose hépatique qu’entraîne la suppression des œstrogènes, à travers les modifications du mode de vie (diète et exercice physique) chez la rate ovariectomizée (Ovx); un modèle animal de la ménopause. Dans les deux premières études nous nous sommes concentrés sur l’augmentation de la masse graisseuse et sa reprise suite à une perte de poids. Dans la première étude, nous avons montré que les rates Ovx qui ont suivi un programme de restriction alimentaire (FR) ont diminué significativement (P < 0.01) leur poids corporel, leur contenu en graisses intra-abdominales ainsi que leurs triacylglycérols (TAG) hépatiques, comparativement aux rates Ovx nourries à la diète normale. De plus, l’entraînement en résistance (RT) a prévenu la reprise de poids corporel ainsi que l’accroissement du tissu adipeux et l’accumulation de lipides dans le foie des rates Ovx, après l’arrêt du régime amaigrissant. Les résultats de la deuxième étude ont confirmé l'efficacité de la restriction alimentaire associée à l’entraînement en résistance (FR + RT) dans la réduction du poids corporel, des lipides dans le foie et le tissu adipeux chez les rates Ovx. Tenant compte des résultats de notre première étude, l’entraînement en résistance seulement a constitué un atout pour atténuer le poids corporel et la masse grasse reprise par les rates Ovx suite à un programme de perte de poids (FR + RT); bien que l'impact ait été moindre comparé au maintien seul de la restriction alimentaire. De la même manière que la supplémentation en œstrogènes, les résultats de la troisième étude indiquent que l'entraînement en endurance mené concurremment avec l’ovariectomie a significativement atténué l'accumulation de lipides dans le foie ainsi que dans le tissu adipeux. Toutefois, l’entraînement en endurance effectué avant l'ovariectomie n'a pas protégé contre l'accumulation des graisses qu’entraîne l'ovariectomie, si celui-ci est interrompu après l'ovariectomie. Enfin, pour compléter les résultats antérieurs, nous avons montré dans la quatrième étude que l’expression des gènes impliqués dans la synthèse de lipide; SREBP-1c, SCD-1, ChREBP, et ACC dans le foie a augmenté après le retrait des œstrogènes, tandis qu’une diminution (P < 0.01) des niveaux d'ARNm de PPAR-α a été observée. De plus, l'expression hépatique des gènes des cytokines pro-inflammatoires incluant IKKβ, IL-6 ainsi que le contenu protéinique de NF-кB étaient augmentés (P < 0.01) chez les rates Ovx par rapport aux rates ayant subi une Ovx simulée (Sham). Toutes ces perturbations ont été améliorées avec la supplémentation en œstrogènes seulement, ainsi qu'avec l'entraînement en endurance seulement. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent que l'exercice physique (en résistance ou en endurance) a un impact significatif sur la réduction de l'accumulation des lipides dans le foie et dans le tissu adipeux des rates Ovx. De plus, chez les rates Ovx, l’entraînement en endurance mimerait les effets des œstrogènes sur l'expression des gènes impliqués dans l'accumulation de lipides et l’inflammation préclinique dans le foie. / Cardiovascular disease risk factors, such as lipid profile deterioration, become more pronounced after menopause making coronary heart disease a leading cause of death among postmenopausal women. A large proportion of women after menopause gain weight especially in the abdominal region resulting in several metabolic disturbances. Recent evidence also suggests that loss of estrogen function in menopause is associated with the development of a state of hepatic steatosis. Excessive fat accumulation in hepatocytes has been shown to play an important role in the development of insulin resistance and is even considered as a hepatic component of the metabolic syndrome. There is an important need to establish strategies to counteract fat accumulation in adipocyte and liver in postmenopausal women specifically considering the fact that utilization of hormone replacement therapy is now less supported. The four studies of the present thesis have been conducted in an attempt to provide information on the treatment and prevention of estrogen withdrawal-induced fat mass and hepatic steatosis via lifestyle modifications (diet and exercise training) in an ovariectomized (Ovx) rat model of menopause. In the first two studies we focused on fat mass gain and regain following weight loss. In study 1, we showed that food restriction program (FR) decreased (P < 0.01) body mass, intra-abdominal fat pad weight, and liver triacylglycerol (TAG) levels as compared to normally fed Ovx rats. Moreover, resistance training program (RT) was useful in preventing body weight as well as adipose tissue and liver fat regain in Ovx rats, following diet-induced weight loss. Results of study 2 confirmed the efficiency of the FR + RT program in reducing body weight as well as liver and adipocytes fat accretion in Ovx rats. In line with the findings of our first study, continuation of only RT constituted an asset to attenuate body weight and fat mass regain in Ovx rats following a FR + RT weight loss program, although the impact was less than maintaining FR alone. Similar to estrogen supplementation, results of study 3 indicated that endurance exercise training conducted concurrently with the induction of ovariectomy significantly attenuated liver and adipocyte fat accumulation. However, an endurance exercise training state acquired before ovariectomy did not provide any protective effects against ovariectomy-induced fat accumulation if exercise is discontinued after the ovariectomy. Finally, complementing previous findings we showed in study 4 that liver gene expressions of transcription factors SREBP-1c and ChREBP along with downstream lipogenic enzymes SCD-1 and ACC were increased with estrogens withdrawal conversely to reduced PPAR-α mRNA levels (P < 0.01). Furthermore, gene expressions of pro-inflammatory cytokines including IKKβ and IL-6 as well as protein content of NF-кB were higher (P < 0.01) in the liver of Ovx than in Sham animals. All of these responses were corrected with estrogen supplementation alone as well as with endurance exercise training alone in Ovx rats. On the whole, our results indicate that exercise training (resistance or endurance) has a significant impact on reducing fat accumulation in liver and adipocytes in Ovx rats. In addition, it seems that endurance exercise training in Ovx rats stimulates estrogenic-like effects on the expression of genes involved in lipid accumulation and sub-clinical inflammation in the liver.

Les prématurés subissent un stress oxydant qui résulte d’une défense antioxydante faible et/ou d’une charge oxydante. Des données suggèrent qu’un stress oxydant peut affecter le métabolisme énergétique et mener au syndrome métabolique. Hypothèse: Une faible défense antioxydante tôt dans la vie est suffisante pour affecter le métabolisme énergétique à long terme. Méthodes: Quatre groupes de cobayes (n=21) ont reçu entre leurs 3e et 7e jours de vie une diète standard (C-1sem, C-14sem) ou une diète déficiente (DC-1sem, DC-14sem). À 7 jours, les groupes C-1sem et DC-1sem ont été sacrifiés, le plasma et le foie collectés. Les groupes C-14sem et DC-14sem ont reçu la diète standard jusqu’à 14sem de vie. La glycémie et les triglycérides plasmatiques ont été mesurés à 1, 3, 11, et 13-14sem. La tolérance au glucose a été évaluée à 13sem. Les antioxydants hépatiques et les protéines régulant le métabolisme énergétique ont été analysés à 1 et 14sem. Résultats: Un statut redox oxydé du glutathion était associé avec la diète déficiente et était maintenu oxydé au moins jusqu’à 14sem (p<0.01). Les faibles niveaux de triglycérides plasmatiques et de glycémies, ainsi qu’une meilleure tolérance au glucose à 14sem (p<0.05) étaient associés avec un statut redox plus oxydé. Conclusion: Le faible taux de glutathion observé chez les prématurés a été reproduit dans notre modèle. Puisque nos données suggèrent un rôle protecteur d’un redox plus oxydé et que l’environnement redox est un important régulateur métabolique influençant le développement, il faudrait faire attention avant d’initier des traitements antioxydants agressifs chez les prématurés. / Preterm infants are faced to oxidative stress resulting from a low antioxidant defence and/or a high oxidant load. Datas suggest that an oxidative stress may impair energy metabolism leading to metabolic syndrome development. Hypothesis: A weak antioxidant defence early in life such as observed in preterm newborns is sufficient to impair energy metabolism later in life. Methods: Four groups of guinea pigs (n=21) received between their 3rd and 7th days of life a control diet (C-1week, C-14weeks) or antioxidant deficient diet (DC-1week, DC-14weeks). At 7 day-old, 1week-groups were sacrificed for plasma and liver sampling whereas 14week-groups were fed with the control diet until 14 week-old. Blood glucose and plasma triacylglycerol were determined at 1, 3, 11 and 13-14 week-old. Glucose tolerance test was performed at 13 week-old. Hepatic antioxidant defences and key proteins regulating lipid and glucose metabolism were measured at 1 and 14 weeks. Results: The oxidized redox status of glutathione associated with the neonatal deficient diet was maintained until at least 14 week-old (p<0.01). The low plasma triacylglycerol, low blood glucose and better tolerance to glucose at 14 weeks (p<0.05) were associated with an oxidized redox status. Conclusion: The low glutathione observed in newborn preterm infants has been reproduced in our animal model. Since the oxidized redox state observed here seems to be protective against impaired energy metabolism and since the cellular redox environment is known to be an important rheostat of metabolism influencing development, it suggests being careful before adopting aggressive antioxidant treatments in preterm infants.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'ablation par radiofréquence (ARF) de tumeurs abdominales est rendue difficile par l’influence des vaisseaux sanguins et les variations de la conductivité thermique, compliquant la planification spécifique à un patient donné. En fournissant des outils prédictifs, les modèles biophysiques pourraient aider les cliniciens à planifier et guider efficacement la procédure. Nous introduisons un modèle mathématique détaillé des mécanismes impliqués dans l’ARF des tumeurs du foie comme la diffusion de la chaleur et la nécrose cellulaire. Il simule l’étendue de l’ablation à partir d’images médicales, d’après lesquelles des modèles personnalisés du foie, des vaisseaux visibles et des tumeurs sont segmentés. Dans cette thèse, une nouvelle approche pour résoudre ces équations basée sur la méthode de Lattice Boltzmann est introduite. Le modèle est d’abord évalué sur des données de patients qui ont subi une ARF de tumeurs du foie. Ensuite, un protocole expérimental combinant des images multi-modales, anatomiques et fonctionnelles pré- et post-opératoires, ainsi que le suivi de la température et de la puissance délivrée pendant l'intervention est présenté. Il permet une validation totale du modèle qui considère des données les plus complètes possibles. Enfin, nous estimons automatiquement des paramètres personnalisés pour mieux prédire l'étendu de l’ablation. Cette stratégie a été validée sur 7 ablations dans 3 cas cliniques. A partir de l'étude préclinique, la personnalisation est améliorée en comparant les simulations avec les mesures faites durant la procédure. Ces contributions ont abouti à des résultats prometteurs, et ouvrent de nouvelles perspectives pour planifier et guider l’ARF. / The outcome of radiofrequency ablation (RFA) of abdominal tumors is challenged by the presence of blood vessels and time-varying thermal conductivity, which make patient-specific planning extremely difficult. By providing predictive tools, biophysical models may help clinicians to plan and guide the procedure for an effective treatment. We introduce a detailed computational model of the biophysical mechanisms involved in RFA of hepatic tumors such as heat diffusion and cellular necrosis. It simulates the extent of ablated tissue based on medical images, from which patient-specific models of the liver, visible vessels and tumors are segmented. In this thesis, a new approach for solving these partial differential equations based on the Lattice Boltzmann Method is introduced. The model is first evaluated against clinical data of patients who underwent RFA of liver tumors. Then, a comprehensive pre-clinical experiment that combines multi-modal, pre- and post-operative anatomical and functional images, as well as the interventional monitoring of the temperature and delivered power is presented. This enables an end-to-end validation framework that considers the most comprehensive data set for model validation. Then, we automatically estimate patient-specific parameters to better predict the ablated tissue. This personalization strategy has been validated on 7 ablations from 3 clinical cases. From the pre-clinical study, we can go further in the personalization by comparing the simulated temperature and delivered power with the actual measurements during the procedure. These contributions have led to promising results, and open new perspectives in RFA guidance and planning.

L’objectif des travaux de cette thèse a été d’explorer les bases moléculaires de l’effet de l’huile d’Argan (HA) sur le métabolisme lipidique au niveau mitochondriale et peroxysomale ainsi qu’élucider son potentiel anti-inflammatoire. Nous avons donc montré, dans un premier temps, que les méthodes artisanales préservaient les propriétés antioxydantes d’HA empêchant l’oxydation de l’acide férulique contrairement à l’HA d’origines commerciale. Ensuite, le traitement par l‘HA ou par les lipopolysaccharides (LPS) de fibroblastes humains, un modèle cellulaire de la pseudo-adrénoleucodystrophie néonatale (P-NALD), révèle pour l’HA une prolifération des peroxysomes indépendante de l’activation du récepteur nucléaire PPARα et de son coactivateur PGC-1α. Par contre, l’induction de la prolifération de peroxysomes par les LPS est accompagnée d’une activation de PPAR et de PGC-1Parallèlement, une étude a été réalisée au niveau hépatique chez des souris traitées par l‘HA ou par les LPS. Nous avons montré pour la première fois l’activité antioxydante de l’huile d’Argan in vivo au niveau hépatique par l’induction de l’activité enzymatique de la catalase peroxysomale et une activité hypolipémiante par la stimulation des activités déshydrogénases (ACADs) de la -oxydations mitochondriale des acides gars. De plus, l’HA induit la transcription des gènes PPECK et G6PH de la voie de la néoglucogenèse. Nous avons montré également pour la première fois un effet préventif de l’HA contre la répression des activités déshydrogénases des voies de -oxydations mitochondriale et peroxysomale, ainsi que celle la voie de la néoglucogenèse. Nos travaux démontrent que l’HA possède un potentiel anti-inflammatoire, induit par le LPS, élucidé par la répression de cytokines pro-inflammatoires IL-6 et TNFα et par l’induction de cytokines anti-inflammatoires IL10 et IL-4. L’ensemble de nos résultats indiquerait que l’huile d’Argan, du fait de sa composition riche en acide gras mono et polyinsaturés et en antioxydants, a des effets hypolipémiants et anti-inflammatoires au niveau hépatique qui se traduisent par une régulation de l’expression à la fois de récepteurs nucléaires et de leur gènes cibles ainsi que de certaines cytokines / The objective of this thesis work was to explore the molecular basis of Argan Oil (AO) effects on the mitochondrial and peroxisomal lipid metabolism and to elucidate its anti-inflammatory potential. We thus showed, initially, that the artisanal method preparation preserved the antioxidant properties of AO preventing the oxidation of the ferulic acid, by contrast to AO of commercial origin. Then, the treatment by the AO or lipopolysaccharides (LPS) of human fibroblasts, the cellular model of pseudo-neonatal adrenoleukodystrophy (P-NALD), revealed for the AO that peroxisomes proliferation is independent from the activation of the nuclear receptor PPARα and the co-activator PGC-1α. On the other side, the induction of the proliferation of peroxisomes by LPS is accompanied by an activation of both PPARα and PGC-1α. At the same time, mice treatments by AO or by the LPS showed, for the first time, the hepatic antioxidant activity of AO through the induction of the activity of the peroxisomal catalase. In addition, we showed a hypolipidemic activity of AO, by the stimulation of dehydrogenase activities (ACADs) of the mitochondrial fatty acid b-oxidation. Moreover, the AO induces the transcription of genes involved in gluconeogenesis pathway (i.e. PEPCK and G6PH). We also revealed, for the first time, the preventive effect of AO against LPS repressions of mitochondrial and peroxisomal fatty acid degradation as well as on the gluconeogenic pathway. Furthermore, the AO anti-inflammatory potential has been shown, in mice treated by LPS, through the repression of the pro-inflammatory cytokines IL-6 and TNFα and by the induction of the anti-inflammatory cytokines IL10 and IL-4. All together, our results may indicate that the Argan oil, because of its composition rich in mono and polyunsaturated fatty acids and in antioxidants as well, has a hypolipidemic and an anti-inflammatory effects, which are revealed by the regulation of the expressions of nuclear receptors and their target genes including several cytokines

La prédiction des paramètres pharmacocinétiques/toxicocinétiques (PK/TK), tels que la clairance intrinsèque (CLint) et la clairance hépatique (CLh) des médicaments, demeure un défi majeur en modélisation quantitative. Selon « l’hypothèse du médicament libre », seul le médicament libre peut traverser la membrane plasmique et la CLh de ce médicament est calculée en fonction de sa fraction libre (fup). Néanmoins, la captation hépatique facilitée par l’albumine (ALB) représente clairement une violation de « l’hypothèse du médicament libre ». Cette captation hépatique se base sur la possibilité que le complexe ALB-médicament puisse assurer un apport supplémentaire en médicament aux hépatocytes. Ainsi, cela pourrait expliquer en grande partie les sous-prédictions observées de CLh. Par ailleurs, certains médicaments peuvent se lier fortement à plusieurs protéines plasmatiques telles que l’ALB et l’alpha-1-glycoprotéine acide (AGP). Ainsi, la forte liaison d’un même médicament à l’ALB, à l’AGP, ou aux deux, pourrait avoir des répercussions bien distinctes sur la prédiction de ces paramètres PK/TK. Cependant, aucune étude n’a été faite pour simuler la différence entre leurs effets. L’objectif principal de cette thèse est donc d’évaluer (avec plus d’exactitude et de précision), pour une série de médicaments, en condition in vivo (ou in situ), ces répercussions en présence des deux protéines plasmatiques, conjointement ou séparément. En outre, il est indispensable de vérifier si une approche générique en modélisation peut être appliquée. Cette thèse est répartie en trois objectifs spécifiques. Le premier est de proposer un arbre décisionnel pour faciliter la sélection des approches prédictives appropriées de CLhin vivo pour des médicaments ayant des caractéristiques différentes. Le second est d’évaluer les répercussions de fortes liaisons aux deux protéines plasmatiques ALB et AGP sur la CLh de deux xénobiotiques choisis (perampanel (PER) et fluoxétine (FLU)) ; ces médicaments ont de fortes affinités pour les deux protéines et un métabolisme exclusif (ou prédominant) dans le foie. Et, le dernier est de développer et valider un nouveau modèle prédictif de CLh pour les xénobiotiques ayant le potentiel de se lier fortement dans le plasma, à l’ALB ainsi qu’à l’AGP. Dans un premier temps, des données in vitro rapportées chez l’humain ont été colligées pour 19 médicaments (substrats des transporteurs OAT2 et OATP1B1), et ont été ensuite utilisées dans six modèles d’extrapolation in vitro-in vivo (IVIVE) pour prédire lesdits paramètres. Après une comparaison statistique, les résultats ont montré que l’approche 2 (c’est-à-dire « fup-adjusted model ») qui se base sur la captation hépatique facilitée par l’ALB, avait la meilleure performance prédictive. Cependant, l’approche 5 (c’est-à-dire « Extended Clearance Model ») qui se base sur le transport facilité, en était une très pertinente à appliquer pour les substrats de transporteurs membranaires. Lesdits substrats seraient potentiellement moins affectés par l’ALB. Ainsi, un arbre décisionnel a été proposé pour choisir rapidement et judicieusement la meilleure approche IVIVE servant à prédire la CLhin vivo pour chaque xénobiotique en présence de l’ALB. Dans un deuxième temps, les médicaments PER et FLU ont été sélectionnés à partir d’une collecte de données (N= 1907 médicaments) en fonction de certains critères (avoir un métabolisme exclusif ou prédominant dans le foie, pas de transport facilité par les transporteurs membranaires, une haute affinité pour les deux protéines ALB et AGP, et un ratio de liaison à l’AGP sur celle à l’ALB proche de l’unité). Cette sélection a été réalisée pour faire des expériences sur des foies isolés et perfusés de rats (IPRL), en présence et en absence des protéines ALB et AGP (c’est-à-dire quatre scénarios IPRL). Les résultats IPRL ont démontré que PER est faiblement à moyennement métabolisé (extraction hépatique= 0,2-0,7), tandis que FLU est fortement métabolisé (extraction hépatique= 0,8-0,99). Le modèle Michaelis-Menten a été ajusté aux cinétiques métaboliques, et différents paramètres Vmax, Km et Km, u ont été obtenus de ce modèle. À de faibles concentrations libres pour les deux médicaments (c’est-à-dire à des concentrations thérapeutiques) et en présence des protéines plasmatiques, les valeurs de CLint non liée ont augmenté pour PER (avec l’ALB et le mélange des deux protéines (MIX)) et FLU (avec l’ALB, l’AGP et le MIX) par rapport à celles obtenues du scénario sans protéine (sauf pour PER avec AGP, lesdites valeurs ont diminué). Par ailleurs, les calculs des ratios CLint (SANS versus AVEC protéine) ont permis d’indiquer l’occurrence d’une facilitation de la captation hépatique de médicaments par l’ALB ou l’AGP. Ces ratios ont aussi permis de vérifier si la cinétique métabolique pour PER et FLU suivait soit « l’hypothèse du médicament libre » soit celle de « la captation hépatique facilitée par les protéines plasmatiques ». Dans un dernier temps, une nouvelle approche prédictive de CLh (approche WO-to-MIX) est développée en se basant sur une nouvelle notion de liaison fractionnelle et en intégrant dans le « fup-adjusted model » de nouveaux paramètres tels que la fraction liée à l’ALB (fB-ALB) et celle liée à l’AGP (fB-AGP) à partir du scénario MIX. Ce modèle est basé sur la captation facilitée par l’ALB. Contrairement à l’approche WO-to-MIX, le « well-stirred model » (ou modèle conventionnel) est basé sur l’hypothèse du médicament libre. Ensuite, les paramètres Vmax et Km obtenus in situ pour PER et FLU lors des expériences IPRL sans protéines, ont été utilisés en combinaison avec le paramètre intrant de la fraction libre ajustée (fup-adjusted) pour le « fup-adjusted model » ou avec la fraction libre (fup) pour le « well-stirred model ». Une comparaison des performances prédictives globales des deux modèles a été faite. Les performances prédictives du nouveau modèle étaient prometteuses, en particulier pour FLU qui montrait le plus haut degré de captation hépatique médiée par l’ALB, par rapport au modèle conventionnel. L’approche WO-to-MIX est une première validation d’un nouveau modèle d’extrapolation proposé pour les médicaments comme FLU qui se lient à l’ALB et à l’AGP. Néanmoins, le modèle conventionnel reste utile à utiliser pour les médicaments comme PER. L’exactitude de prédiction était inférieure pour ce dernier médicament probablement parce que la captation hépatique par l’ALB ne semble pas être maximale, et, par conséquent, l’utilisation de fup-adjusted a surestimé la CLhin vivo. Par conséquent, plus de travail est nécessaire en particulier pour PER. Cette thèse démontre qu’une seule approche générique pour prédire la CLh n’existe pas. Néanmoins, le choix d’une approche IVIVE ayant une performance prédictive satisfaisante est maintenant possible. Les résultats de cette thèse contribuent à : 1) mieux comprendre les répercussions sur les paramètres PK/TK de la forte liaison des médicaments à l’ALB et à l’AGP ; 2) choisir la meilleure approche prédictive de CLh sur la base de l’affinité du xénobiotique (médicament ou contaminant) pour chacune des protéines plasmatiques et des mécanismes impliqués dans le foie ; et 3) prédire la CLh avec précision et exactitude des xénobiotiques qui se lient aux deux protéines plasmatiques. Ces approches IVIVE pour la CLh pourront assurément être intégrées dans des modèles PK/TK à base physiologique pour les xénobiotiques afin d’améliorer la prédiction de leur pharmacocinétique et d’accélérer le processus de développement de médicaments. / The prediction of pharmacokinetic/toxicokinetic (PK/TK) parameters such as intrinsic clearance (CLint) and hepatic clearance (CLh) for highly bound drugs is a major challenge in quantitative modeling. According to the ‘free drug hypothesis’, only the free drug can pass through the plasma membrane and the CLh of this drug is calculated according to its free fraction (fup). Nevertheless, the hepatic uptake facilitated by albumin (ALB) is a violation of the ‘free drug hypothesis’. This facilitated hepatic uptake is based on the possibility that the ALB-drug complex may provide additional drug intake to the hepatocytes. Thus, this could largely explain the underpredictions of CLh. In addition, some drugs can bind extensively in plasma, and to several plasma proteins such as ALB and alpha-1-glycoprotein acid (AGP). Thus, the high binding of the same drug to either ALB or AGP, or to both, could have distinct impacts on the prediction of these PK/TK parameters. However, no study has yet explored how to simulate the difference between these impacts. The main objective of this thesis is therefore to evaluate (with accuracy and precision) for a series of drugs, in the in vivo (or in situ) condition, these impacts in the presence of the two plasma proteins, jointly or separately. Also, it is important to verify if a generic model can be applied. This thesis is divided into three specific objectives. The first is to propose a decision tree to facilitate the selection of appropriate predictive approaches of CLhin vivo for drugs with different characteristics. The second is to assess the impacts of extensive binding to the two plasma proteins ALB and AGP on the CLh of two selected xenobiotics (perampanel (PER) and fluoxetine (FLU)); these drugs have strong affinities to both proteins and an exclusive (or predominant) metabolism in the liver. And the last objective is to develop and validate a new predictive model of CLh for xenobiotics with the potential to bind extensively to ALB as well as to AGP. Firstly, in vitro data obtained in humans were collected for 19 drugs (i.e. substrates of OAT2 and OATP1B1 transporters) and were then used in six in vitro-to-in vivo (IVIVE) extrapolation models to predict these PK/TK parameters. After a statistical comparison, the results showed that the approach 2 (i.e. ‘fup-adjusted model’) that is based on the ALB-facilitated hepatic uptake, had the best predictive performance. However, the approach 5 (i.e. ‘Extended Clearance Model’) that is based on the membrane transporter-mediated uptake, was very relevant to apply for the substrates of membrane transporters. These substrates would potentially be less affected by ALB. Thus, a decision tree has been proposed to quickly and judiciously select the best IVIVE approach to predict CLhin vivo for each xenobiotic in the presence of ALB. Secondly, the PER and FLU drugs were selected from a data collection of 1907 drugs depending on certain criteria (exclusive or predominant metabolism in the liver, no transport facilitated by membrane transporters, high affinity for the two proteins ALB and AGP, and having a binding ratio between AGP and ALB close to the unity). This selection was made to conduct experiments using the isolated and perfused rat liver (IPRL) apparatus, in the presence, and in the absence of the ALB and AGP proteins (i.e. four IPRL scenarios). The IPRL results showed that PER is low to moderately metabolized (hepatic extraction= 0.2-0.7), while FLU is highly metabolized (hepatic extraction= 0.8-0.99). The Michaelis-Menten model was fitted to the obtained metabolic kinetics, and different parameters Vmax, Km and Km, u were obtained from the model. At low free concentrations for both drugs (i.e. therapeutic concentrations) and in the presence of plasma proteins, the values of unbound CLint increased for PER (with ALB and the mixture of the two proteins (MIX)) and FLU (with ALB, AGP and MIX); when compared to those obtained from the protein-free scenario (except for PER with AGP, the unbound CLint values decreased). In addition, the calculations of CLint ratios (WITHOUT versus WITH protein) indicated the occurrence of a hepatic uptake facilitated by ALB or AGP. These ratios also helped in verifying whether the metabolic kinetics for PER and FLU followed either ‘the free drug hypothesis’ or that of ‘plasma protein-facilitated hepatic uptake’. Finally, a new predictive approach of CLh (WO-to-MIX approach) was developed based on a new notion of fractional binding and incorporating new parameters such as the ALB bound fraction (fB-ALB) and the AGP bound fraction (fB-AGP) from the MIX scenario into the ‘fup-adjusted model’. This model is based on the ‘ALB-facilitated hepatic uptake’. Unlike the WO-to-MIX approach, the ‘well-stirred model’ is based on ‘the free drug hypothesis’. Then, the Vmax and Km parameters that were obtained in situ for PER and FLU from the protein-free IPRL experiments, were used in combination with the fup-adjusted input parameter for the ‘fup-adjusted model’ or with the free fraction (fup) for the ‘well-stirred model’. A comparison of the two models’ overall predictive performances was made. The predictive performances of the new model were promising for FLU, which showed the highest degree of ‘ALB-mediated hepatic uptake’, compared to the conventional model. This WO-to-MIX approach is a first validation of a novel extrapolation model suggested for drugs such as FLU that bind to both ALB and AGP. The well-stirred model remains however a useful tool to predict the clearance for drugs such as PER. The prediction accuracy was lower for the latter drug probably because the ALB-mediated hepatic uptake does not seem to be maximal, and, hence, the use of fup-adjusted has overestimated its CLhin vivo. Therefore, more work is needed particularly for PER. This thesis shows that a generic approach to predict the CLh in vivo does not exist. Nevertheless, the choice of an IVIVE approach with satisfactory predictive performances is now possible. The results of this thesis contribute to: 1) better understand the impacts on the PK/TK parameters of extensive drug binding to ALB and AGP; 2) choose the best predictive approach to CLh based on the affinity of xenobiotic (drug or contaminant) to each of the plasma proteins and the mechanisms involved in the liver; and 3) predict accurately and with precision the output CLh of xenobiotics that bind to the two plasma proteins. These IVIVE approaches for CLh can certainly be integrated into physiologically based PK/TK models for xenobiotics to improve the prediction of their pharmacokinetics and to accelerate the drug development process.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Hepatic encephalopathy (HE) is a neuropsychiatric disorder occurring in both acute and chronic liver diseases. Depending on the duration and degree of hepatic dysfunction, HE may be present as one of two major types; portal-systemic encephalopathy (PSE) (chronic liver failure) and fulminant hepatic failure (FHF) (acute liver failure). Hyperammonemia is a key feature of both PSE and FHF and it is strongly suggested that ammonia toxicity is implicated directly or indirectly in the pathogenesis of both forms of HE. The present thesis comprises 5 articles demonstrating various aspects of the pathophysiology and new approaches to the treatment of HE. In chapter 2.1; article 1, using in vivo microdialysis, brain extracellular glutamate levels were found to be increased in correlation with arterial ammonia levels and the degree of neurological impairment in rats with FHF due to liver devascularization. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor binding was found to be unchanged in rats with liver devascularization compared to control rats. Treatments for both forms of HE continue to focus on ammonia-lowering strategies. When administered to portacaval shunted (PCS) rats, L-ornithine-Laspartate (OA), two substrates of the urea cycle, was observed to result in a lowering of plasma ammonia and increased plasma urea levels as well as protection against ammonia-induced coma (chapter 2.2; article 2). In acute liver failure, peripheral ammonia is removed via muscle glutamine synthetase (GS). This was confirmed in the study (chapter 2.3; article 3) in rats with liver devascularization where OA also lowered plasma ammonia and protected rats against coma and brain edema. GS activity in muscle was increased following OA treatment. Mild hypothermia was shown to be protective against coma and brain edema in rats with liver devascularization (chapter 2.5; article 5). In mildly hypothermie rats, plasma ammonia levels were unaffected whereas cerebrospinal fluid (CSF) ammonia levels were lowered suggesting that hypothermia prevents increased ammonia uptake into brain. This protective effect was associated with a decrease in extracellular brain glutamate levels, supporting the proposal that glutamate may be implicated in the pathogenesis of brain edema in FHF. Although the precise pathophysiologic mechanisms responsible for HE in FHF are not completely understood, an increased glutamatergic neurotransmission could contribute to this phenomenon. Another potential neurotoxin, manganese, is believed to be implicated in the pathogenesis of PSE. Manganese levels were found to be increased in both autopsied brain tissue from patients and in brain tissue from experimental animal models of PSE (chapter 2.4; article 4). It is suggested that manganese deposition is responsible for the signal hyperintensities on T1-weighted magnetic resonance (MR) images and the extrapyramidal symptoms found in PSE. / L'encéphalopathie hépatique (EH) est un désordre neuropsychiatrique que l'on retrouve soit dans la période aiguë ou la phase chronique d'une maladie du foie. Ainsi, selon la durée de l'atteinte hépatique, l'EH peut se présenter de 2 façons : la première étant l'encéphalopathie porto-systémique et la seconde l'encéphalopathie rencontrée au cours des hépatites fulminantes. L'encéphalopathie porto-systémique est secondaire à la dérivation portosystémique du sang veineux tel que rencontré spontanément lors de l'hypertension portale ou soit suite à une anastomose portocave chirurgicale ou radiologique (shunt intra-hépatique porto systémique transjugulaire ou TIPS). Cliniquement, l'EH portosystémique est un syndrome neurologique qui se développe lentement; le stade précoce est souvent peu apparent et se caractérise par des modifications du cycle du sommeil ainsi que des changements mineurs de personnalité. Une baisse du niveau d’attention ainsi qu'une incoordination musculaire apparaissent ensuite, progressant lentement vers la léthargie, la stupeur et le coma. Du point de vue anatomopathologique, l'EH porto-systémique est caractérisée par une astrocytose sans évidence d'altérations neuronales structurelles. L'hyperammonémie est une caractéristique importante de l'EH portosystémique et de l'encéphalopathie aiguë des hépatites fulminantes. Il est admis que l'ammoniaque est impliquée directement et/ou indirectement dans la pathogénèse dans ces deux types d'EH. À forte concentration, l'ammoniaque a le potentiel d'affecter le système nerveux central de diverses façons. Il y a d'abord un effet direct de l'ion ammonium sur la neurotransmission inhibitrice ou excitatrice ainsi qu'une inhibition de l'enzyme a-cétoglutarate déshydrogénase dans le cycle de Krebs, ce qui a comme conséquence directe d'altérer le métabolisme énergétique du cerveau. Cependant, le métabolisme énergétique du cerveau ne semble affecté que dans les stades très avancés de l'EH porto-systémique ou d'encéphalopathie aiguë des hépatites fulminantes. L'insuffisance hépatique chronique se traduit par une augmentation des concentrations de manganèse dans le sang et le cerveau. Une sélectivité des dépôts de manganèse est l'hypothèse la plus probable afin d'expliquer les signaux hyperintenses localisés dans le pallidum tel que démontré par l'imagerie par résonance magnétique chez les patients cirrhotiques. La section 2.5 démontre que les dépôts de manganèse sont augmentés dans les globus pallidus prélevés à partir d’autopsie du tissu cérébral chez des patients cirrhotiques. La concentration de manganèse est aussi élevée dans le globus pallidus dans deux modèles animaux d'insuffisance hépatique chronique. De plus, une corrélation a été établie entre le degré de dérivation porto-systémique et la quantité de dépôts de manganèse. Au contraire, le manganèse cérébral n'est pas augmenté dans un modèle animal d'hépatite fulminante, ce qui suggère que l'accumulation découle de l'insuffisance hépatique chronique, plus particulièrement suite à une dérivation porto-systémique. L'EH est caractérisée par des perturbations de plusieurs systèmes de neurotransmission cérébrale. Le système glutamatergique est celui qui a été le plus étudié et on croit qu'il est impliqué dans la pathogénèse de l'EH. Des nouveaux traitements sont requis pour traiter ou stabiliser l'EH chez les patients atteints d'EH porto-systémique ou d'encéphalopathie aiguë afin d'augmenter la période de temps nécessaire pour pouvoir effectuer une transplantation. Les traitements actuels sont soit inefficaces ou comportent des effets secondaires très néfastes. Afin de traiter l'EH porto-systémique, on préconise comme thérapie des stratégies axées sur la diminution de l'ammoniaque sérique. La L-ornithine-L-aspartate (OA) est composée de deux substrats du cycle de l'urée qui se sont avérés efficaces pour réduire l'ammoniaque et améliorer les symptômes cliniques chez des patients hyperammonémiques ayant une EH portosystémique. Nous avons démontré un effet protecteur de l'OA sur le coma précipité par une infusion d'ammoniaque chez des rats ayant une dérivation porto-cave. L'effet protecteur s'accompagne d'une réduction significative de l'ammoniaque plasmatique ainsi que d'une augmentation significative de l'urée plasmatique, ce qui suggère que la réduction de la concentration plasmatique de l'ammoniaque est en partie le résultat d'une augmentation de la synthèse d'urée par le foie. Nous croyons aussi que l'OA peut, par l'intermédiaire des transaminases, mener à la production de trois molécules de glutamate. Ce substrat (le glutamate) peut ensuite stimuler l'activité de la glutamine synthétase dans les muscles, le foie et le cerveau pour ainsi former de la glutamine. Cette possibilité est soutenue par l'augmentation du glutamate et de la glutamine dans le plasma et le liquide céphalo-rachidien (LCR). Contrairement à l'EH porto-systémique, l’insuffisance hépatique fulminante (HF) progresse très rapidement en quelques heures ou jours seulement, vers un état mental altéré, la stupeur et finalement le coma. Les convulsions sont rares mais des myoclonies sont souvent rencontrées avant le coma. Dans cette condition, le taux de mortalité est élevé et la mort est souvent causée par une hernie du tronc cérébral secondaire à une hypertension intracrânienne causée par un oedème cérébral massif. L'oedème cellulaire des astrocytes est fréquemment observé mais l'astrocytose Alzheimer de Type II (voir insuffisance hépatique chronique) n'est pas une caractéristique neuropathologique de l'hépatite fulminante. L'ammoniaque est aussi incriminée dans la physiopathologie de ce type d'encéphalopathie. Afin d'élucider davantage la pathophysiologie de l'encéphalopathie des HF, nous avons mesuré, par le biais d'une microdialyse cérébrale in vivo, les concentrations extracellulaires des acides aminés dans le cortex frontal de rats atteints d'HF induite par dévascularisation hépatique afin d'établir une relation avec le degré d'atteinte neurologique. Dans ce modèle, on retrouve un oedème cérébral accompagné d'une augmentation de l'eau, tel que mesurée dans le cortex frontal. Les concentrations extracellulaires de glutamate sont significativement élevées trois heures avant le début du stade précoma et continuent à augmenter jusqu'à l'état comateux. Ces données suggèrent que l'HF mène à une augmentation de la libération de glutamate et/ou une diminution de la recapture du glutamate de l'espace extracellulaire. Récemment, des études sur le tissu cérébral de rats encéphalopathiques suite à une HF ont révélé une diminution de la concentration protéique et de l'expression génique de GLT-1, un transporteur astrocytaire du glutamate. L'augmentation de la production de la glutamine via la glutamine synthétase est aussi possiblement impliquée dans la pathogénèse de ce type d'encéphalopathie. Cependant, l'augmentation constante des concentrations de glutamine extracellulaire n'est pas corrélée avec la sévérité de l'encéphalopathie. Ceci suggère que la glutamine joue un rôle plutôt mineur dans la pathogénèse de l'oedème cérébral. Les traitements de l'encéphalopathie des HF sont axés sur le contrôle de l'hypertension intracrânienne. La transplantation hépatique demeure le traitement ultime mais d'autres traitements sont nécessaires afin de prolonger la vie des patients en attente de transplantation. Des stratégies visant à diminuer les taux d'ammoniaque ont été développées depuis qu'une étude récente a démontré que la survenue d'hernie cérébrale chez les patients souffrant d'HF était corrélée à la concentration artérielle d'ammoniaque. Nous avons démontré que l'infusion d'OA chez des rats ayant subi une dévascularisation hépatique entraînait un délai significatif avant l'apparition du coma, et une diminution significative de l'ammoniaque du plasma et du LCR comparativement aux contrôles. Cette diminution d'ammoniaque était accompagnée d'une réduction du contenu cérébral en eau. Le glutamate et la glutamine plasmatiques furent aussi significativement augmentés et puisque le cycle de l'urée est non-fonctionnel dans un foie dévascularisé, la réduction d'ammoniaque ne pouvait donc être induite que par la stimulation de la glutamine synthétase des muscles squelettiques. Le glutamate présent dans le LCR diminue parallèlement à la réduction du contenu cérébral en eau. Un autre des traitements qui fut récemment développé pour contrôler l'encéphalopathie des HF est l'hypothermie modérée. En réduisant la température corporelle de rats ayant subi une dévascularisation hépatique à 34°C, nous avons démontré un effet protecteur de cette procédure sur l'apparition du coma et de l'oedème cérébral. Les niveaux des acides aminés furent aussi mesurés en utilisant la méthode de microdialyse cérébrale in vivo et nous avons démontré une diminution du glutamate extracellulaire chez les rats protégés par l’hypothermie. Les mécanismes possiblement impliqués dans l'action bénéfique de l'hypothermie modérée incluent la diminution du transfert de l'ammoniaque sanguin vers le cerveau et la diminution des concentrations extracellulaires cérébrales d'acides aminés excitateurs tels que le glutamate. Ces résultats ajoutent davantage de crédibilité à la notion que la disponibilité élevée du glutamate dans l'espace extracellulaire et donc, une neurotransmission glutamatergique élevée, est impliquée dans la pathogénèse de certaines des complications cérébrales rencontrées au cours de l'HF. Ces résultats appuient aussi l'hypothèse que l'hypothermie modérée peut s'avérer une méthode efficace de prévention de l'encéphalopathie et de l'oedème cérébral, deux complications cérébrales très sévères de l'HF.