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L'objectif de cette thèse était de faire le point sur la place de l'analyse de la moelle osseuse (MO) en tant que matrice alternative au sang en toxicologie médicolégale. Une méthode analytique a été développée et validée pour la quantification du citalopram, du diazepam et ses métabolites (nordazepam, temazepam, oxazepam) dans la MO et 10 autres matrices d'intérêt médicolégal. Cette procédure a été appliquée avec succès dans des cas réels pour l'analyse de matrices dégradées et a permis l'établissement d'une cinétique tissulaire chez l'animal au cours d'une étude pharmacocinétique. Cette cinétique animale a été intégrée dans une modélisation PBPK afin de prédire chez l'homme la distribution tissulaire du citalopram, du diazepam et son métabolite principal, le nordazepam, après administration orale thérapeutique. Ces simulations donnent des clefs intéressantes pour l'interprétation quantitative des concentrations tissulaires en toxicologie médicolégale. Une étude a été conduite pour déterminer l'influence du site de prélèvement sur la détermination des concentrations médullaires de caféine et sur la corrélation de ces concentrations avec les dosages sanguins. Elle montre que le site de prélèvement de MO est un paramètre important à prendre en considération dans l'interprétation quantitative des analyses de MO. L'ensemble de ce travail confirme l'intérêt de la MO en toxicologie médicolégale. Des études expérimentales ont permis d'approfondir les connaissances de cette matrice autour des problématiques du prélèvement, de l'analyse et de la distribution ante mortem afin de contribuer à l'interprétation qualitative et quantitative des analyses réalisées sur la MO / The aim of this work was to evaluate the interest of bone marrow (BM) analysis in forensic toxicology, as an alternative matrix to blood. An analytical method was developed and validated for the quantification of citalopram, diazepam, and its main metabolites (nordazepam, temazepam, oxazepam) in BM and 10 others matrices of forensic interest. This procedure was successfully applied to real cases for putrified sample analyses and to establish a tissue kinetic in rabbit samples for a pharmacokinetic study. These animals kinetics were implemented in PBPK modeling to predict in human tissue distribution of citalopram, diazepam, and its metabolite, nordazepam, after oral therapeutic administration. These predictions gave some clues to interpret quantitatively tissue concentrations in forensic toxicology. A study was also performed to examine whether BM sample location may influence post mortem BM quantification and correlation between BM and blood concentrations. Caffeine was used as test compound. Sample location was found to be an important parameter to consider in quantitative interpretation of BM analyses. This work confirmed the interest of BM in forensic toxicology. Experimental studies improved our knowledge on this matrix about the problematic of sample location, analytical procedure and ante mortem distribution to contribute to qualitative and quantitative interpretation of BM analyses

Les femmes enceintes sont exposées à de nombreux médicaments et les essais cliniques sont difficilement réalisables dans cette population, c'est pourquoi avoir une méthode qui permet d'estimer l'ampleur des modifications de pharmacocinétique chez la femme enceinte et le passage transplacentaire est essentiel. En effet les modifications physiologiques prennent place durant cette période clé. Nous avons développé des modèles pharmacocinétiques basé sur la physiologie (PBPK) et intégré les modifications physiologiques connues survenant durant la grossesse. Ils décrivent bien la pharmacocinétique de 3 antirétroviraux éliminés par le rein, le ténofovir (TFV), l'emtricitabine (FTC) et la lamivudine (3TC) et d'une molécule métabolisée par le CYP3A4, 2D6 et 2B6, la névirapine (NVP) et ceci pour différentes voies d'administration et pour des populations enceintes et non enceintes. De plus les clairances individuelles disponibles pour le TFV, le FTC et le 3TC tout au long de la grossesse ont permis d'explorer l'évolution de la sécrétion rénale. Celle-ci évoluerait proportionnellement au débit plasmatique rénal. L'intégration dans les modèles PBPK, des paramètres estimés à partir de l'expérience ex-vivo de cotylédon humain perfusé, a permis la prédiction de la cinétique foetale en fin de grossesse du TFV, FTC et NVP. Les prédictions ont été validées en les comparants aux concentrations mesurées au sang de cordon à l'accouchement. De plus, pour la névirapine nous avons exploré le métabolisme foetal et en avons conclu que même si celui-ci existe et est proche voir un peu supérieur à celui du nouveau-né, il n'influence pas la cinétique foetale. / Pregnant women are exposed to numerous drugs and for obvious ethical reasons studies in this sensitive population arelimited. Information about the maternal pharmacokinetic (PK) changes and transplacental transfer of drugs prior to theiradministration to pregnant women would be highly useful. Indeed is it known that physiological changes during pregnancycan affect drug disposition. Time-varying pregnancy-related physiological parameters changes were implemented in fullPBPK models. They successfully predicted the disposition of 3 renally excreted drugs tenofovir (TFV), emtricitabine (FTC)and lamivudine (3TC) and one metabolized drug, nevirapine (NVP) for non-pregnant and pregnant populations. We foundthat both renal secretion and filtration changed during pregnancy. Changes in renal clearance secretion were related tochanges in renal plasma flow. Transplacental parameters estimated from ex vivo human placenta perfusion experiments implemented in PBPK models allowed good prediction of foetal TFV, FTC and NVP PK. Predictions were compared to observed cord blood concentrations to validate these models. Moreover, we have explored nevirapine foetal metabolism and concluded that even if the foetal metabolism is the same than the newborn one or a little more important, it is notlikely to impact foetal PK.

Drei Verteilungskoeffizienten, die für physiologie-basierte Pharmakokinetik (PBPK)-Modelle relevant sind, wurden mit verschiedenen Ansätzen modelliert. Für den Blut/Luft-Verteilungskoeffizienten wurde ein auf linearen Solvatations-Energie-Beziehungen (LSER) beruhendes Literaturmodell angewendet und diskutiert. Mit einer schematischen Aufteilung des Blutkompartiments in Wasser und einen organischen Teil wurde der Blut/Luft-Verteilungskoeffizient mit einer linearen Regression von anderen Verteilungskoeffizienten vorhergesagt. Zusätzlich wurde ein Fragmentmodell entwickelt. Der Fett/Luft-Verteilungskoeffizient wurde mit dem LSER-Ansatz und mit anderen Verteilungskoeffizienten modelliert. Der Koeffizient Fett/Blut wurde aus den ersten beiden errechnet. Da der inverse dimensionslose Henry-Koeffizient Wasser/Luft-Verteilungskoeffizient bei der Blut/Luft-Modellierung zum Einsatz kommt und dieser aus dem Dampfdruck und der Wasserlöslichkeit gewonnen werden kann, wurde der Dampfdruck ebenfalls modelliert.

L’hexabromocyclododécane (HBCD) a été utilisé comme additif dans des polystyrènes (PS). En 2013, l’HBCD a été inclus à la Convention de Stockholm comme Polluant Organique Persistant. Les denrées alimentaires d’origine animale (DAOA) constituent la source principale d’exposition de la population générale à ce polluant. Le niveau moyen d’exposition du consommateur ne représente pas un risque majeur pour la sécurité sanitaire des aliments (EFSA, 2011). Malgré des concentrations moyennes généralement proches d’un ng g-1 lipides dans les DAOA, des concentrations maximales supérieures à 2000 ng g-1 lipides dans certains échantillons d’œuf ont été rapportées. Plusieurs sources potentielles d’exposition orale des volailles existent. Les poules pondeuses pourraient être exposées majoritairement à l’isomère α-HBCD. Au vu de l’absence d’informations dans la littérature sur le devenir de l’α-HBCD chez la poule pondeuse, une expérimentation in vivo a été réalisée et a permis d’estimer la plupart des paramètres cinétiques du devenir de l’α-HBCD ingéré chez la poule pondeuse. Un modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie (PBPK) de transfert de l’α-HBCD chez la poule pondeuse a été développé, calibré par des données de la littérature, soumis à analyse de sensibilité et plusieurs paramètres ont été ajustés sur des résultats in vivo. Une validation du modèle a été testée. Ce modèle a permis de déterminer l’influence des caractéristiques physiologiques de la poule pondeuse sur le devenir de l’α-HBCD en cas d’exposition à la molécule. Parmi les caractéristiques d’intérêt, le poids vif (PV) est celle qui influence le plus la concentration d’α-HBCD dans les tissus et les œufs. Un PV bas et des performances de ponte réduites prédisposent à une concentration plus élevée dans ces matrices. La mue produit une augmentation de la charge corporelle de la molécule. Ce modèle peut être extrapolé à d’autres animaux et molécules lipophiles après modification de certains paramètres / Hexabromocyclododecane (HBCD) has been used as an additive in polystyrene (PS). In 2013, HBCD was included in the Stockholm Convention as a Persistent Organic Pollutant. The foodstuffs of animal origin are the main source of exposure of the general population to this pollutant. The mean exposure level of the consumers to HBCD doesn’t represent a major risk to the food safety (EFSA, 2011). In spite of mean concentrations generally close to 1 ng g-1 lipids in the foodstuffs of animal origin, maximal concentrations higher than 2000 ng g-1 lipids have been reported in some egg samples. There are several potential sources of oral exposure of the hens to this pollutant. The hens could be exposed mainly to the α-HBCD isomer. Since the bibliographic synthesis highlights the absence of information about the α-HBCD kinetics in the laying hen, an in vivo experience has been realized and has allowed the estimation of the majority of the α-HBCD kinetic parameters in the laying hen. A physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model has been developed, calibrated by literature data, submit to a sensitivity analysis and some parameters have been adjusted on the basis of experimental data. A validation of the model has been attempted. This model has allowed to determine the influence of the main physiological characteristics of the laying hen exposed to the molecule on the α-HBCD accumulation in tissues and transfer to eggs. Among the physiological characteristics of concern, the body weight (BW) is the main feature influencing the α-HBCD kinetics. If the hen is exposed to the α-HBCD, a low BW and low laying performances predispose the hen to have higher concentrations of the molecule in all the matrices. The molting stage raises the body charge of the molecule. This model can be extrapolated to other animals and lipophilic molecules after modification of some parameters

La colistine est un vieil antibiotique, utilisé à la fois en médecine humaine et vétérinaire. Cependant, l'arsenal antibiotique étant de plus en plus limité, la colistine apparait comme un des derniers remparts dans la lutte contre les bactéries multi-résistantes chez l'Homme. Afin de préserver l'efficacité de la colistine, deux problématiques ont été abordées dans cette thèse : (i) les risques de sélection de résistance à la colistine en lien avec la découverte fin 2015 d'un gène porté par un plasmide (mcr-1). Ainsi, l'impact de l'usage de colistine par voie orale en production porcine a été évalué in vivo et une absence de sélection a été observée dans nos conditions expérimentales. De façon similaire, l'usage (minoritaire) de colistine en médecine humaine comme prophylaxie de décontamination digestive sélective (SDD) a été étudié chez des rats hébergeant un microbiote intestinal humain. Les résultats préliminaires ne montrent pas non plus d'effet de sélection. (ii) le développement d'un modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie (PBPK) chez le porc pour l'usage par voie systémique de la colistine et de sa prodrogue, le colistine méthanesulfonate (CMS). Ce modèle a permis d'explorer la distribution tissulaire du CMS et de la colistine, notamment au niveau rénal où la toxicité est la plus fréquente. Comme application de ce modèle, l'estimation des temps d'attente avant abattage lors d'usage de CMS chez le porc a été effectué. Enfin, la capacité des modèles PBPK à réaliser des extrapolations intra et inter-espèces a été utilisé pour adapter ce modèle chez l'adulte et l'enfant, afin de pouvoir prédire les concentrations plasmatiques de colistine lors d'un traitement. / Colistin is an old antibiotic used in human and veterinary medicine. However, as less and less antibiotics are discovered, colistin is considered as a last-line antibiotic to fight against multi-drug resistant bacteria in human. In order to preserve the efficacy of colistin, two issues were investigated in this thesis:(i) Risks of selection of bacteria resistant to colistin, in conjunction with the discovery by the end of 2015 of a plasmid-mediated resistance gene (mcr-1). Thus, the impact of oral use of colistin in pigs was assessed in vivo and no selection was observed in our experimental conditions. Similarly, the use of colistin in human medicine for selective digestive decontamination was studied thanks to human flora‐associated rats. Preliminary results were also neither in favour of a selective effect of colistin.(ii) development of a physiologically-based pharmacokinetic model (PBPK) in pigs for the systemic use of colistin and its prodrug, the colistimethate sodium (CMS). This model provided a further insight into CMS and colistin tissue distribution, especially in kidneys where toxic effects are frequent. As a model application, the withdrawal period after use of CMS in pigs was estimated. Then, we used the ability of PBPK models to carry out intra and inter-species extrapolations in order to adapt this model in adults and children and eventually predict the plasmatic concentrations of colistin during a treatment with CMS.

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Kr'alov'e Department of Biophysics and Physical Chemistry Candidate: Yestay Rakhimov Supervisor: doc. Erik Jurjen Duintjer Tebbens, Ph.D. Title of diploma thesis: Mathematics and implementations of physiologically based phar- macokinetic modeling The thesis addresses some basic aspects of pharmacokinetic modeling, which is used to describe pharmacokinetic processes. Understanding these processes is important for example to determine optimal concentrations of drugs dosing. The thesis focuses on mathematical proofs of a number of pharmacokinetic equa- tions, which are often not given in standard books. The derived equations are illustrated with numerical experiments for a particular drug in the software PharmCalcCl and MAT- LAB. 4

Drei Verteilungskoeffizienten, die für physiologie-basierte Pharmakokinetik (PBPK)-Modelle relevant sind, wurden mit verschiedenen Ansätzen modelliert. Für den Blut/Luft-Verteilungskoeffizienten wurde ein auf linearen Solvatations-Energie-Beziehungen (LSER) beruhendes Literaturmodell angewendet und diskutiert. Mit einer schematischen Aufteilung des Blutkompartiments in Wasser und einen organischen Teil wurde der Blut/Luft-Verteilungskoeffizient mit einer linearen Regression von anderen Verteilungskoeffizienten vorhergesagt. Zusätzlich wurde ein Fragmentmodell entwickelt. Der Fett/Luft-Verteilungskoeffizient wurde mit dem LSER-Ansatz und mit anderen Verteilungskoeffizienten modelliert. Der Koeffizient Fett/Blut wurde aus den ersten beiden errechnet. Da der inverse dimensionslose Henry-Koeffizient Wasser/Luft-Verteilungskoeffizient bei der Blut/Luft-Modellierung zum Einsatz kommt und dieser aus dem Dampfdruck und der Wasserlöslichkeit gewonnen werden kann, wurde der Dampfdruck ebenfalls modelliert.

Antibiotic treatment failure might be due to bacterial resistance or suboptimal exposure at target site and there is a lack of knowledge on the interaction between antimicrobial pharmacodynamics (PD) and the immune response to bacterial infections. Therefore, it is crucial to develop tools to increase the understanding of drug disposition to better evaluate antibiotic candidates in drug development and to elucidate the role of the immune system in bacterial infections. Colistin is used as salvage therapy against multidrug resistant Gram-negative infections. In this work, a whole-body physiologically based pharmacokinetic model (WBPBPK) was developed to characterize the pharmacokinetics (PK) of colistin and its prodrug colistin methanesulfonate (CMS) in animal and human. The scalability of the model from animal to human was assessed with satisfactory predictive performance for CMS and demonstrating the need for a mechanistic understanding of colistin elimination. The WBPBPK model was applied to investigate the impact of pathophysiological changes commonly observed in critically ill patients on tissue distribution of colistin and to evaluate different dosing strategies. Model predicted concentrations in tissue were used in combination with a semi-mechanistic PKPD model to predict bacterial killing in tissue for two strains of Pseudomonas aeruginosa. Finally, a toxicokinetic (TK) model was constructed to describe the time course of E. coli endotoxin concentrations in plasma and the effect on pro-inflammatory cytokine release. The model adequately described the concentration-time profiles of endotoxin and its stimulation of IL-6 and TNF-α production using an indirect response model combined with a transit compartment chain with a tolerance component to endotoxemia. The WBPBPK model developed in this work increased the knowledge on colistin tissue exposure under various conditions and could be used in drug development process to assess antibiotic efficacy or to test new drug combinations. The model describing endotoxin TK and its effect on cytokines is a new tool to be further applied in longitudinal studies to explore the immune response cascade induced by bacterial infections. The methodology applied in this thesis contributes to the development of an integrated modeling framework including physiology, drug distribution, bacterial growth and killing as well as the immune response to infection.