Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les modèles physiologiques toxicocinétiques (PBPK pour Physiologically-Based PharmacoKinetic) permettent de décrire la biodistribution d'une substance (c'est-à-dire, son administration, distribution, métabolisme, et excrétion) au sein d'un organisme. Cependant, l'ajustement d'un modèle PBPK à des données expérimentales peut se révéler difficile en raison de la complexité du modèle, du nombre important de paramètres à estimer, et de la nature des données toxicocinétiques (généralement peu nombreuses, éparses et entachées d'erreur de mesure). Pour pallier à ces difficultés, nous proposons de développer deux protocoles expérimentaux facilitant la paramétrisation des modèles PBPK, par l'apport d'informations complémentaires sur les paramètres des modèles : la collecte de données sur la distribution spatio-temporelle d'une substance dans l'organisme par des techniques d'imagerie, et l'utilisation de traceurs non-toxiques lors d'études toxicocinétiques. <br />Pour notre premier protocole, nous avons appliqué l'analyse d'image au développement d'un modèle PBPK décrivant la biodistribution d'un agent de contraste, Vistarem®. Grâce à la modélisation des données recueillies par imagerie par résonance magnétique, nous avons pu caractériser la vascularisation du corps entier et celle d'une tumeur greffée, ainsi qu'évaluer statistiquement les effets d'un traitement antiangiogénique. <br />Ensuite, nous avons introduit l'utilisation de traceurs explorateurs lors d'études toxicocinétiques. Nous avons développé des protocoles d'exposition à une substance toxique et à un traceur non-toxique pour les humains. Sur la base d'expositions simulées, nous avons montré qu'en administrant aux sujets deux substances, il est possible de réduire la dose d'exposition du toxique (par 4 dans notre exemple d'application) tout en maintenant la précision sur l'estimation des paramètres d'intérêt. L'inconvénient majeur de ce protocole d'exposition est la lourdeur des calculs induits (la calibration de deux modèles PBPK est nécessaire). Afin de réduire la complexité des calculs engendrés, nous avons proposé d'appliquer des techniques d'agrégation de systèmes d'équations différentielles. L'essentiel de ces techniques est de réduire un système tout en conservant sa dynamique. Sur des exemples simples, nous avons montré leur potentiel en toxico/pharmacocinétique. <br />Chacun des deux protocoles développés dans ce travail inclut, en plus de la substance d'intérêt, l'utilisation d'une substance "annexe". Notre travail montre que l'utilisation de cette substance annexe permet de renforcer la connaissance sur l'anatomie et la physiologie du sujet considéré. Ceci conduit donc à une meilleure détermination de l'action de la substance d'intérêt. Une suite logique de notre travail serait de coupler ces deux protocoles, c'est-à-dire de développer des protocoles d'exposition à une substance toxique et à une substance visualisable par une technique d'imagerie quantitative.

Les pyréthrinoïdes sont des insecticides auxquels la population est quotidiennement exposée. Le composé parent est suspecté d’induire des perturbations neuronales et hormonales chez l’homme. Au sein de cette famille, la perméthrine (mélange d’isomère cis et trans) est le composé le plus utilisé dans le traitement des intérieurs de maison. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer un modèle PBPK pour la perméthrine et certains de ses métabolites urinaires, utilisés comme biomarqueurs d’exposition, et d’évaluer les interactions métaboliques des deux isomères. Trois étapes ont été suivies. Une méthode analytique par GC-MS/MS a été développée pour doser simultanément les composés dans les différentes matrices. Un modèle PBPK de la perméthrine chez le rat a été associé à un modèles PBPK réduit du DCCA et empirique du 4’-OH-PBA et du 3-PBA. Les paramètres toxicocinétiques de chaque composé ont été estimés dans un cadre Bayésien à partir d’expériences in vivo menées à la dose orale de 25 mg/kg de cis- ou trans-perméthrine chez le rat. Le modèle PBPK de la perméthrine a été vérifié sur des données de cinétique d’un mélange cis/trans. Le métabolisme hépatique de chaque composé a été quantifié chez l’homme sur des hépatocytes primaires dans des conditions optimales pour l’extrapolation in vitro-in vivo, en incubant les isomères séparément et en mélange. Ce travail de thèse souligne la possibilité d’établir un modèle PBPK générique pour les pyréthrinoïdes. L’absence d’interaction entre les isomères au niveau in vitro et lors de la vérification du modèle PBPK de la perméthrine pourrait simplifier la caractérisation de l’exposition à un mélange de pyréthrinoïdes. / Population is largely exposed to pyrethroids, an insecticide family. The parent compound is suspected to induce neuronal and hormonal modifications in humans. Among this family, permethrin, a mixture of isomers cis/trans, is mainly used in house tratments. In this PhD project, we developed a PBK model of permethrin and some urinary metabolites uses as biomarkers of exposure. The matabolic interactions between the two isomers were also evaluated. A three steps strategy was followed. An analytical method by GC-MS/MS was developed to measure these compounds simultaneously in the different matrices. A PBPK of permethrin in rat was associated to a reduced PBPK model of DCCA and a 2-compartment model of 4'-OH-PBA and 3-PBA. The toxicokinetics parameters of each compound were estimated in a Bayesian framework from in vivo experiments in rats orally dosed with 25 mg/kg of cis- or trans permethrin. The PBPK model of permethrin was validated on the kinetic data of a mixture of permethrin. The hepatic metabolism was quantified in humans in primary hepatocytes in optimal conditions for in vitro-in vivo extrapolation, by incubating the isomers separately and as a mixture. This work underlines that a general PBPK model for Type 2 pyrethroids can be considered for the parent compound The lack of interaction between isomers during in vitro experiments and the validation of the PBPK model of permethrin could simplify the characterization of the exposure to a mixture of pyrethroids.

Résumé: De nombreuses études ont établi que l’exposition aux moisissures intérieures peut être nuisible à la santé. Dans une récente étude, 21 composés organiques volatils microbiens (COVM) ont été sélectionnés comme biomarqueurs potentiels de l’exposition aux moisissures intérieures. L’objectif du projet était de déterminer les coefficients de partage (CP) sang:air, urine:air, plasma:air et eau:air pour ces composés, paramètres utilisés dans la prédiction de la toxicocinétique des xénobiotiques. Pour y parvenir, la méthode de flacons à l’équilibre a été utilisée. Les COVM (1.57-2.01 µg) injectés dans des flacons (20 ml) hermétiquement scellés contenant soit 0.5 ml de matrice (flacons test) ou simplement de l’air (flacons références) ont été incubés 60 min à 37⁰ C sous agitation continue. La quantification des COVM dans l’espace de tête des flacons (test et références) a été ensuite faite par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS/MS). Les CP de 19 COVM variaient entre 78 et 4721 pour sang:air, 14 et 3586 pour urine:air, 64 et 5604 pour plasma:air et 16 et 2210 pour eau:air. Les CP eau:air étaient étroitement liés aux CP urine:air pour 17 COVM (R2 = 0,97, pente =1,001) suggérant que la valeur de CP eau:air (lorsqu’inférieur à103) peut être un substitut au CP urine:air. L’étude des ratios sang:urine indique que six COVM seraient nettement plus concentrés dans le sang, matrice de choix pour ces composés. Les données générées par cette étude faciliteront le développement de modèles pharmacocinétiques de COVM et le paramétrage de leurs prélèvements en tant que biomarqueurs de l’exposition aux moisissures intérieures. / Abstract: Numerous studies have established that exposure to indoor molds can be harmful to health. In a recent study, 21 microbial volatile organic compounds (mVOCs) were selected as potential biomarkers of indoor mold exposure. The objective of the project was to determine the blood:air, urine:air, plasma:air, and water:air partition coefficients (PCs) for these compounds, parameters used in predicting the toxicokinetics of xenobiotics. To achieve this, the vial-equilibration method was used. mVOCs (1.57-2.01 µg) were injected into hermetically sealed vials (20 ml) containing either 0.5 ml of matrix (test vials) or simply air (reference vials) and were incubated for 60 min at 37 ⁰C under continuous agitation. Quantification of mVOCs in the headspace of the vials (test and reference) was then performed by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS/MS). The PCs of 19 mVOCs ranged from 78 and 4721 for blood:air, 14 and 3586 for urine:air, 64 and 5604 for plasma:air, and 16 and 2210 for water:air. Water:air PCs were closely related to urine:air PCs for 17 mVOCs (R2 = 0.97, slope =1.001) suggesting that the water:air PC value (when less than 103) may be a surrogate for the urine:air PC. The blood:urine ratio study indicates that six mVOCs would be significantly more concentrated in blood, the matrix of choice for these compounds. The data generated from this study will facilitate the development of pharmacokinetic models of mVOCs and the parameterization of their sampling as biomarkers of indoor mold exposure.