Wet age related macular degeneration (wet AMD) is a highly debilitating retinal disease, the third leading cause of blindness in the world and one the most expensive ocular conditions to care for. Wet AMD is characterised by the proliferation of neovasculature through the retinal posterior and theorised to be, at least in part, induced and driven by excess vascular endothelial growth factor (VEGF). Many current treatments for wet AMD utilise anti-VEGF macromolecules that bind to VEGF. The retina, however, remains a largely inaccessible, and delicate, anatomical region. Due to difficulties in collecting clinical and experimental data, mathematical modelling is playing an increasingly prominent role in understanding the distribution (Pharmacokinetics, PK) and drug-to-target interactions (Pharmacodynamics, PD) for treatments of wet AMD. This thesis will focus on ordinary/partial differential equation (ODE/PDE) models for the PK/PD of anti-VEGF therapeutics, administered via intravitreal (IVT) injection into the mammalian eye. We start in Chapter 2 with a 2-compartment PK/PD ODE model of drug-VEGF interactions in the eye, analysing a clinical dataset to estimate key binding parameters between VEGF and the typical anti-VEGF molecule, ranibizumab. In Chapter 3, we extend the PK ODE framework of the 2-compartment model to include a mechanistic description of the retina, to estimate retinal permeability to macromolecules used for treating wet AMD. In Chapter 4, using the retinal PK model, we reintroduce VEGF to predict concentrations of free VEGF in the retina post-IVT injection. Chapters 5 and 6 model a hypothetical class of anti-VEGF molecules designed to bind not only VEGF but also existing vitreal superstructures, analysing how dose and binding kinetics impact ocular retention. Alongside these models we present analogous PDE models, addressing whether the assumption that concentrations are homogeneous across anatomical regions, as implicit in ODE models, is appropriate for macromolecular PK/PD in the mammalian eye.

Clustered damage to DNA is a signature mark of radiation-induced damage, which involves damage to the nucleobases and/or DNA backbone. Double-strand breaks created by damaging agents are detrimental to cell survival leading to chromosomal translocations. Normal cells employ Non-homologous end-joining because of its faster kinetics, to suppress chromosomal translocations. However, the presence of complex DNA ends constitutes a significant challenge to NHEJ. Location of Thymine glycol (Tg) at DSB ends was a potential hindrance to end joining. The substrate with Tg at the third position (Tg3) from the DSB joined better than when present at the fifth position (Tg5). However, hNTH1 assay showed Tg5 to be a better substrate than Tg3 for BER, potentially explaining the increased Tg removal and decreased end joining of Tg5 in extracts. Nonetheless, there appeared to be no preference in the susceptibility of 5’-Tg substrates with Tg at the second and third positions from DSB ends. Polynucleotide kinase phosphatase is crucial in restoring the 3′ hydroxyl, and 5′ phosphate ends at strand breaks. No other enzyme is known to possess PNKP’s activity in mammalian cells at DSBs. Experiments done with PNKP knockout cells have shown some activity similar to PNKP, which appeared to be a part of NHEJ and was not pharmacologically inhibited by PNKP inhibitor. Additionally, core NHEJ factors XRCC4 and XLF influenced the activities of PNKP. Overall, these experiments suggest that Tg repair is dependent on the position from DSB and an alternative enzyme processes 3′- PO, and 5′-OH ends.

Le fil conducteur des recherches que j'ai effectuées depuis 1995 est la compréhension de la réactivité de surface des oxy-hydroxydes métalliques et de son implication dans les processus de sorption et d'adhésion. J'ai débuté ces recherches par une thèse sur l'étude des interactions des ions iodure avec plusieurs composés du cuivre (oxydes, carbonates et sulfures) par des méthodes spectroscopiques (XPS, Raman) et électrochimiques pour caractériser les composés formés. L'application de ces recherches au stockage souterrain des déchets radioactifs (l'iode étant un vecteur potentiel de contamination) a justifié leur financement par l'ANDRA. Ces premiers travaux m'ont dévoilé l'étendue des études nécessaires à l'avancée des connaissances dans le domaine des interfaces oxydes/solution. Mon embauche au CNRS m'a permis de mettre en œuvre un programme de recherche basé sur une approche multiéchelle (des colloïdes aux substrats massifs) et multitechnique (caractérisation en masse et en surface). Dans une première étape, j'ai utilisé des solides de référence pour améliorer les méthodes de caractérisation acido-basiques et les modèles de complexation de surface. La plate-forme expérimentale du CECM, laboratoire spécialisé dans les matériaux, a permis de réaliser une caractérisation approfondie des solides, au-delà des analyses réalisées habituellement par des chercheurs n'ayant pas un accès direct à ces moyens analytiques (MET, XRD, ATG, XPS,...). J'ai ainsi mis en évidence l'instabilité de la surface de l'alumine gamma en solution, alors que ce composé était utilisé depuis plusieurs dizaines d'années comme un solide de référence. Aidé d'un stagiaire, j'ai synthétisé un hydroxyde d'aluminium (bayerite) avec différentes morphologies pour prendre en compte la cristallographie sur la réactivité de surface, en accord avec les modèles les plus récents. La sorption des anions reste une problématique importante pour le stockage souterrain des déchets radioactifs puisqu'ils seraient les principaux vecteurs de contamination dans la géosphère. Avec une doctorante, nous avons travaillé sur le système sélénite/hématite pour aboutir à la publication de la première étude approfondie sur la sorption de cette espèce anionique du sélénium sur ce minéral. A cette occasion, la nécessité de disposer d'informations spectroscopiques en présence de solution m'a conduit à développer un système permettant de réaliser des spectres infrarouges en mode ATR (réflexion totale atténuée). J'ai ainsi analysé plusieurs systèmes (sulfate, carbonate, uranyle/hématite, uranyle/rutile,...) pour lesquels j'ai obtenu la spéciation des espèces sorbées, notamment en distinguant les complexes de sphère interne et externe. Ces expériences m'ont permis de publier la première étude française avec ce moyen d'investigation de la sorption. Ces études ont été suivies par un séjour de près d'un an à EDF R&D, résultat de la volonté de cette entreprise de développer ses activités de recherche sur la réactivité des produits de corrosion colloïdaux dans les circuits de refroidissement des réacteurs à eau pressurisée (REP), et de mon souhait de renforcer ma connaissance du milieu industriel et de la recherche finalisée. De retour dans un laboratoire CNRS, j'ai appliqué mes compétences sur la sorption aux phénomènes d'adhésion, de la mise en place d'essais en laboratoire jusqu'à l'analyse des retours d'expérience des centrales nucléaires. De manière étonnante, les interactions entre particules colloïdales et matériaux de structure ont fait l'objet de peu d'études, à l'inverse des systèmes modèles (latex/verre, mica,...) dont les conditions expérimentales sont très éloignées des applications. En parallèle à mes activités dédiées à la sorption, j'ai alors porté mes efforts sur cette thématique. Un premier volet a été consacré à la caractérisation acido-basique des matériaux, colloïdaux ou massifs, avec acquisition d'instruments commerciaux ou développement de méthodes originales de mesure de l'adhésion. Cette approche a permis de dégager les processus majeurs à la base de la déposition des particules (interactions électrostatiques et hydrodynamique). La caractérisation de la réactivité des produits de corrosion colloïdaux envers les ion dissous (sulfate, nickel,...) ainsi que la détermination du point de charge nulle ont été réalisées en conditions simplifiés (température ambiante) jusqu'aux conditions industrielles (320°C, présence d'hydrogène).

En la actualidad, la CIM asume un papel fundamental en el cálculo de los parámetros farmacocinéticos/farmacodinámicos, T>CIM; AUC/CIM y Cmax/CIM, considerados como predictores de la eficacia antimicrobiana. Sin embargo, la importancia de la CIM como parámetro de la eficacia in vivo de un antimicrobiano es controversial. Las condiciones estandarizadas de la prueba (tamaño de inóculo definido, medios artificiales y concentraciones estáticas) son realmente diferentes de las esperadas en el sitio de infección. Dichas controversias han obligado a los investigadores ha diseñar modelos experimentales in vivo. Sin embargo los modelos diseñados hasta el momento no poseen enfoques adecuados para una correcta evaluación de lo que ocurre durante el tratamiento antimicrobiano de un proceso infeccioso, limitándose a conclusiones de eventos particulares y estáticos. Basado en lo expuesto, en la actualidad se carece de un modelo in vivo aceptable que permita estudiar de forma integrada la farmacocinética y farmacodinamia de los antimicrobianos, que produzca información de calidad científica y al mismo tiempo respete el bienestar de los animales experimentales. En la presente tesis se propuso el desarrollo y la validación de un modelo de estudio in vivo completamente novedoso, que podría subsanar las debilidades encontradas en los modelos anteriores. Para cumplir este objetivo, se diseñó un dispositivo de implantación subcutánea (DIS) que permitió el estudio in vivo del crecimiento bacteriano y su modificación por la aplicación de diferentes estrategias terapéuticas. El modelo permitió la integración PK/PD y la identificación de correlaciones entre los diferentes parámetros farmacocinéticos y las curvas de muerte bacteriana. En resumen, el modelo experimental presentado en el presente trabajo de tesis resultaría adaptable para el estudio de la mayoría de los componentes del proceso infeccioso, como ser formación de biofilm, persistencia bacteriana, efecto inóculo, etc. A su vez es un modelo que ofrece la posibilidad de trabajar con animales sanos sin producir septicemia y respetando el bienestar de los mismos. / Nowadays, MIC is considered fundamental for parmacokinetic/ pharmacodynamic parameter calculation, T>CIM; AUC/CIM y Cmax/CIM, consider as efficacy predictors. However, the importance of MIC as an in vitro efficacy parameter for antimicrobials is controversial. Standardized conditions on MIC test (inoculums size, artificial culture mediums and static concentrations) are really different to that expected at the site of infection. Mentioned controversies have forced researches to develop in vivo experimental models. However, models designed so far lack of appropriate focus for a proper evaluation of the scenario during an antimicrobial treatment of an infectious process; conclusions, then, are limited to particular and static events. Based on the previously presented information, there is not an acceptable in vivo model allowing the integrated study of antimicrobials pharmacokinetics and pharmacodynamics, which would produce high quality scientific information, and at the same time, sustain animal welfare. In the present Thesis, for covering the weaknesses of older models, the development and validation of a novel and original in vivo model was proposed. For achieving this goal, a device for subcutaneous implantation was designed and validated. This device allowed the in vivo study of bacterial growing together with its modification by different therapeutic interventions. The model allowed PK/PD integration and identification of correlation between PK parameters and bacterial death curves. In summary, the experimental model presented in this thesis is flexible and can be adapted for studying most of the components of the infectious process, such as, biofilm formation, bacterial persistence, inoculum-effect, etc. Also, the model allows to work with healthy experimental animals, avoiding septicaemia induction and then, sustaining welfare.

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Modeling and simulation are becoming indispensable elements in drug development. Mechanistic modeling is susceptible to impacting several drug development and regulatory decisions through extrapolations beyond clinically researched scenarios by using its capacity to incorporate diverse data to provide a detailed and comprehensive understanding of a physiological and biological system. Physiologically based pharmacokinetic (PBPK) modeling is the fastest-growing Model-informed drug development subfield, and regulatory authorities currently demand or advocate its usage for specific applications. Shiny is based on the open-source software R, which is widely used in the statistics and data science communities, including finance, medicine, and pharmaceuticals. Shiny conveys complex models to non-technical audiences via interactive graphics and sensitivity analysis. The Shiny R package is a crucial development that opens up PBPK models developed in R to a wider audience. This project's main goal is to create a framework and, a user-friendly tool for PBPK model evaluations and performance comparisons during model development, customized for the Open System Pharmacology Suite. To develop the PBPK framework, a PBPK model was retrieved from the open system pharmacology repository on GitHub, and based on the model and parameter identification inputs, the shiny framework was coded in R.Principal diagnostic techniques such as visual predictive checks to match and correlate model-simulated concentration-time profiles with clinical data, the goodness of fit (GOF) analysis (e.g., residuals over time, residuals against predictions, etc.), and extensive precision and bias measures were used to assess and validate the performance robustness of the model. Various quantitative metrics such as root mean square error, mean absolute error, and concordance correlation coefficient were used to assess and evaluate the model performance. The PBPK-QSP shiny framework was developed, allowing users to do the model evaluation with minimal effort. Using frameworks such as Shiny can expedite and automate the PBPK procedure, saving a significant amount of money and time in the evaluation of model performance.

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La protéine kinase dépendante de l’ADN (DNA-PK) est une sérine-thréonine kinase qui est un élément essentiel dans la voie de réparation de l’ADN endommagé par recombinaison non-homologue (non-homologous end-joining; NHEJ). DNA-PK est également impliquée dans de nombreux processus cellulaires autre que la réparation de l'ADN. Plusieurs travaux ont montré que les protéines impliquées dans la réparation des dommages de l'ADN tels que BRCA-1, MRN-11, PARP-1 et également de DNA-PK jouent un rôle important dans la métastase du cancer. Dans ce travail, nous nous sommes concentrées sur le rôle de DNA-PK dans les métastases du mélanome. Dans un premier temps, en utilisant les molécules Dbait 32Hc comme un moyen d'activer DNA-PK dans le noyau et le cytoplasme, nous avons identifié plusieurs nouvelles cibles cytoplasmiques de DNA-PK, dont la vimentine. Nous avons montré que DNA-PK phosphoryle la vimentine sur Ser459 et que cette forme phosphorylée est la plupart du temps située au niveau des protrusion cellulaires des cellules migratrices. Nous avons ensuite démontré que la vimentine-Ser459-P induite par le traitement de Dbait32Hc participe à l'inhibition de l'adhésion et la migration cellulaire. Ainsi, cette approche a conduit à l'identification de nouvelles cibles cytoplasmiques de DNA-PK et a révélé un lien entre la signalisation des dommages de l'ADN et le cytosquelette. Ensuite, nous avons montré que DNA-PK joue un rôle important dans la migration et invasion cellules en régulant la sécrétion des facteurs associés à la métastase. Nous avons montré que l'absence ou l’inhibition de DNA-PK conduit à une régulation négative des facteurs pro-métastatique sécrétés et à la régulation positive de facteurs anti-métastatiques sécrétés tels que les inhibiteurs des métalloprotéinases matricielles. Nous avons confirmé le rôle de DNA-PK in vivo dans l'implantation de la tumeur primaire et dans la formation des métastases. Ainsi, nos études ont évalué le rôle de DNA-PK sur le contrôle du microenvironnement de la tumeur par le contrôle de la sécrétion de facteurs importants pour la métastase. En résumé, nos résultats mettent en évidence l'importance de la DNA-PK comme cible de traitement anti-métastatique. / The DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) is a serine/threonine protein kinase, which is a critical component of the DNA-damage repair pathways through non-homologous end-joining (NHEJ). Besides DNA repair, it is also involved in numerous cellular pathways. Emerging results show that proteins involved in DNA damage repair such as BRCA-1, MRN-11, PARP-1 and also DNA-PK could play a role in cancer metastasis. In the current study, we demonstrated the role of DNA-PK in melanoma metastasis. Firstly using Dbait 32Hc molecules as a tool for specifically activating DNA-PK in a nucleus and cytoplasm, we identified several new cytoplasmic targets of DNA-PK including vimentin. We established that DNA-PK phosphorylates vimentin on Ser459 and that this phosphorylation was mostly located at cell protrusions of melanoma migratory cells. Following this, we confirmed that vimentin-Ser459-P induced by Dbait 32Hc treatment participates to the inhibition of cell adhesion and migration. Thus, this approach led to the identification of downstream cytoplasmic targets of DNA-PK and revealed a connection between DNA damage signaling and the cytoskeleton. Secondly, we show that DNA-PK plays an important role in cell migration and melanoma cell invasion through the regulation of secretion of metastasis-associated factors. Absence or inhibition of DNA-PK leads to down-regulation of pro-metastatic secreted factors and up-regulation of anti-metastatic secreted factors such as inhibitors of matrix metalloproteinases. We confirmed in vivo, that DNA-PK is required for efficient primary tumor implantation and metastases formation. Thus, our studies demonstrate for the first time that DNA-PK acts on tumor microenvironment by controlling secretion of important factors for cell migration and invasion. In summary, our findings highlight the importance of DNA-PK as a target of anti-metastatic treatment.

L’acide mycophénolique (MPA) est un immunosuppresseur très prometteur dans le traitement des maladies auto-immunes (MAI) telles que le lupus érythémateux disséminé (LED) et les vascularites à ANCA, et disponible sous deux formes pharmaceutiques : le mycophénolate mofétil (MMF) et le mycophénolate sodique (EC-MPS). Les études menées chez les patients transplantés recommandent le dosage plasmatique et le suivi pharmacocinétique (PK) du MPA, dans un objectif d’optimisation thérapeutique. A ce jour, ce suivi est encore inexistant dans les MAI, et les données de corrélation concentrations-efficacité thérapeutique, sur lesquelles se base l’optimisation, demeurent toujours rares dans ce domaine. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans l’étude des corrélations PK/pharmacodynamie (PD) du MPA dans les MAI. Ces travaux ont permis de proposer des schémas et des outils d’optimisation des traitements à base de MPA pour ces patients. Pour cela, les concentrations plasmatiques du MPA et de son métabolite 7-O-glucuronide (MPAG) ont été déterminées pour 53 patients présentant de manifestations extra-rénales de MAI à l’aide d’une méthode de chromatographie couplée à la spectrométrie de masse. Les paramètres PK ont été estimés pour MMF et EC-MPS dans les deux groupes de MAI. D’après ces travaux, l’optimisation du MMF chez les patients atteints de MAI peut reposer sur le suivi de la concentration à 12 h (C12) en MPA. Un seuil de 3 mg/L est proposé afin de maintenir la rémission dans le LED, mais reste à définir dans les vascularites. Pour EC-MPS, une stratégie de prélèvements limités basée sur la mesure de la concentration maximale et la C12 est nécessaire pour estimer l’aire sous la courbe des concentrations entre 0 et 12 h du MPA. / Mycophenolic acid (MPA), the active form of both mycophenolate mofetil (MMF) and enteric-coated mycophenolate sodium (EC-MPS), is an immunosuppressant increasingly used in the treatment of autoimmune diseases such as systemic lupus erythematosus (SLE) and ANCA-associated vasculitis. In transplant recipients, therapeutic drug monitoring (TDM) of MPA is widely used to prevent acute organ rejection. However, MPA TDM is currently not available in autoimmune diseases, as data on the pharmacokinetic (PK)/pharmacodynamic (PD) relationships are very sparse in this indication. Our aim was to study the possible PK/PD relationships of MPA in patients with non-renal manifestations of SLE or ANCA-associated vasculitis. An assay based on liquid chromatography coupled with mass spectrometry was applied to the PK study of MPA and its major glucuronide metabolite (MPAG) in 53 SLE and vasculitis patients receiving either MMF or EC-MPS. According to our results, in SLE patients with non-renal manifestations, TDM based on the measurement of MPA 12-h trough concentration (C12) would allow optimizing therapies with MMF. A 3-mg/L efficacy threshold could be proposed to prevent clinical flares under MMF maintenance therapy. For EC-MPS, a limited sampling strategy including MPA maximum concentration and C12 is necessary to estimate the area under the curve between 0 and 12-h of MPA.