Le canal Kv11.1, dont l’inhibition occasionne une prolongation de l’intervalle QT, est directement impliqué dans des cas d’effets secondaires cardiotoxiques. Depuis 2006, Santé Canada exige que les nouvelles molécules et leurs métabolites soient évalués en phase préclinique pour le risque d’allongement de l’intervalle QT. La méthode de référence évalue l’électrophysiologie des cardiomyocytes en culture lors d’une courte exposition au médicament (<30min). Bien que cette méthode soit la plus fiable actuellement, elle permet seulement d’identifier les molécules qui bloquent directement le passage des ions dans le pore du canal (effet aigu). La méthode HERG-BRET vise à identifier les molécules susceptibles d’interagir avec le canal Kv11.1 par le moyen d’une altération du trafic vésiculaire (effet chronique). Ce type d’interaction est considéré comme un biomarqueur de la capacité à bloquer l’activité de ce canal. L’étude présentée tente de déterminer si un test de localisation cellulaire de hERG basé sur le BRET permettra un criblage à haut débit et une meilleure évaluation de l’affinité d’interaction avec hERG, comparativement aux méthodes alternatives actuelles. Dans le modèle HERG-BRET, la protéine hERG fusionnée à la luciférase de renilla (donneur d’énergie) est exprimée dans une lignée cellulaire HEK293. Cette même lignée exprime également une protéine verte fluorescente modifiée (accepteur d’énergie) qui est ancrée à la membrane plasmique. L’échange d’énergie entre le donneur et l’accepteur est un indice de la localisation de hERG à la membrane plasmique. Les fluctuations de ratio BRET suite à une exposition de 16h à un composé pharmaceutique reflètent donc l’effet du composé sur la translocation de Kv11.1. Vingt-cinq composés pharmaceutiques déjà caractérisés dans la littérature scientifique ont été testés : 12 ont été classés comme chaperons pharmacologiques, 4 comme inhibiteurs du trafic, 1 comme inhibiteur ayant les deux effets mentionnés et 8 n’ont pas pu être classés. Le comportement du biosenseur à l’égard des composés testés suggère que la méthode HERG-BRET ne peut pas être utilisée seule pour évaluer le risque cardiotoxique des médicaments. Toutefois, elle peut fournir des informations complémentaires pertinentes quand à la nature de l’interaction entre un composé pharmaceutique et la sous unité hERG du canal Kv11.1. / The Kv11.1 channel is directly involved in cardiotoxic adverse effects since its inhibition is responsible for a prolongation of the QT interval. In 2006, Health Canada established a guideline that constrains drug developers to a preclinical evaluation of QT prolongation risks for new molecules and their metabolites. The gold standard method (patch-clamp) consists in electrophysiology measurements on cultured cardiomyocytes for a brief exposition to the tested compound (<30min). Even though this method is the most reliable, it only allows the identification of molecules that inhibit the channel by preventing ions from traveling through the pore (acute effect). The HERG-BRET method aims to identify molecules that can interact with Kv11.1 and alter its vesicular transport as a proxy for inhibiting the activity of the channel (chronic effects). This study attemps to determine if a BRET-based cellular localization assay will allow a high throughput screening and a better evaluation of the affinity of pharmaceuticals compounds with hERG, in comparison to alternative methods. In the HERG-BRET model, a fusion protein generated with the gene sequence for hERG and the one for the renilla luciferase (energy donor) is stably expressed in a HEK 293 cell line. The same cell line also stably expresses a green fluorescent protein (energy acceptor) that is anchored at the plasma membrane. The energy transfer that occurs between the donor and the acceptor suggests that hERG is located at the membrane. Variations of BRET ratios following a 16 hours inucabtion with a compound reflects the compound’s effects on Kv11.1’s translocation. Twenty-five compounds that have been previously characterized in the literature were tested: 12 were categorized as pharmacological chaperones, 4 as traffic inhibitors, 1 as an inhibitor that undergoes both effects and 8 remain uncategorized. The biosensor’s behavior towards the tested compounds suggests that the HERG-BRET method cannot be used alone to assess cardiotoxic liability, but it can bring interesting facts to our attention regarding the nature of the interaction between the hERG subunits of Kv11.1 and a tested compound.

Un enjeu majeur en cancérologie est de réduire le risque de développement métastatique et de rechute. La transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), processus physiologique au cours de l'embryogenèse, est un mécanisme central de la carcinogenèse, contribuant de façon précoce à la transformation et la dissémination des cellules tumorales via l'inhibition de la surveillance cellulaire (apoptose et senescence) et l'acquisition de capacités migratoires et invasives. Une autre caractéristique des cancers est la capacité d'échapper à la réponse immunitaire, puissante barrière anti-tumorale. Mais les cellules tumorales entretiennent des relations complexes avec le système immunitaire. Alors que la propension de l'inflammation et des cellules immunitaires innées à favoriser le développement tumoral et l'échappement immunitaire, via l'induction de l'EMT et le maintien d'un microenvironnement immuno-suppresseur, a été bien étudiée, le rôle éventuel de la réponse immunitaire adaptative dans la promotion de l'EMT est quant à lui peu connu. Grâce au développement d'un modèle murin de lignée tumorale mammaire plastique surexprimant l'oncogène Her2/Neu, ce travail démontre in vivo la capacité des cellules tumorales à subir l'EMT, induite par la réponse immunitaire médiée par les lymphocytes T. La déplétion spécifique des lymphocytes T (LT) CD4 restaure le phénotype épithélial de la tumeur, indiquant que les LT CD4 médient une réponse immunitaire induisant l'EMT. En retour, l'EMT confère aux cellules tumorales la capacité de modeler l'immunité comme le recrutement de neutrophiles. Ce travail apporte un nouvel éclairage sur les interactions entre cellules tumorales et système immunitaire / Current clinical challenge in many carcinomas is to reduce the risk of metastasis development and cancer recurrence. Epithelial-mesenchymal transition (EMT), a physiological process during embryogenesis, is a central mechanism in oncogenesis. EMT induction contributes to early transformation and dissemination through inhibition of cellular surveillance (apoptosis and senescence) and increased migrative and invasive behavior. Another necessary hallmark of cancer is the ability of tumor cells to evade immune surveillance, a powerful barrier against tumor progression. But cancer cells enjoy intricate relations with the immune system. Whereas inclination of inflammation and innate immune cells to favor tumor development and immune escape, via EMT induction and immunosuppressive microenvironment maintenance, has been well investigated, the role of adaptive immune response in EMT promotion is understudied. Based on the development of a plastic murine mammary tumor cell line model overexpressing Her2/Neu oncogene, this study demonstrate in vivo that tumor cells keep an epithelial phenotype in adaptive immunodeficient mice but undergo EMT under the pressure of T-cell mediated immune response, characterized by loss of epithelial EpCAM marker and acquisition of mesenchymal features and EMT transcriptomic signature. CD4 T cell depletion but not CD8 restores the epithelial phenotype of tumors, suggesting that CD4 T cells mediate an immune response that could lead ton EMT induction. In return, EMT confers the ability of tumor cells to shape immunity like intra-tumor neutrophil infiltration. This work shed a new light on interactions between tumor cells and immune system

Malgré les progrès réalisées en matière de traitement et de diagnostic, le cancer du poumon demeure le plus répandu et le plus mortel dans le monde. La chimiothérapie conventionnelle, associant un composé de platine (cisplatine ou carboplatine) à un autre agent antinéoplasique est utilisée à quasiment tous les stades. Comme celle-ci est administrée par voie intraveineuse (IV), elle entraîne des effets secondaires systémiques importants dont certains sont dose- limitant (DLT) comme la néphrotoxicité pour le cisplatine ou la myélotoxicité pour le doublet carboplatine-paclitaxel. Par conséquent, ces agents sont administrés selon des cycles bien espacés pendant lesquels les tissus se rétablissent, et ce incluant la tumeur ;conduisant à une repopulation tumorale. En effet, une corrélation significative a été établie entre la concentration de platine dans les tumeurs pulmonaires et l’efficacité du traitement. Le but de ce travail était d’évaluer le potentiel de combiner une poudre sèche pour inhalation (CIS-DPI-50) avec le traitement de chimiothérapie IV, afin d’exposer la tumeur à l’agent cytotoxique de manière continue.La première partie de ce travail a permis de développer le CIS-DPI-50. Afin d’éviter qu’une haute concentration en cisplatine ne soit complètement solubilisée une fois dans les poumons, et afin d’assurer une exposition suffisante, il était essentiel de développer des formulations à libération contrôlée et à rétention pulmonaire suffisante. Ceci consistait en l’optimisation d’une formulation à base de microparticules lipidiques solides (CIS-DPI-TS) préalablement développée par Levet et al. Cette formulation a été reproduite afin d’évaluer son efficacité chez des souris greffées avec le modèle M109-HiFR (0.5 mg/kg, trois fois par cycle pendant deux cycles) et a démontré une survie similaire au CIS-IV (1.5 mg/kg, une fois par cycle pendant deux cycles). Cela a été effectué en (i) utilisant des excipients de grade pharmaceutique, reconnus comme sûrs (GRAS) (49,5 % (w/w) d’HCO et 0,5 % (w/w) de TPGS) selon un processus facilement transposable, et (ii) en augmentant la libération initiale afin d’améliorer la réponse antitumorale. Le CIS-DPI-50 a montré une performance aérodynamique prometteuse à des débits d’air différents (100 et 40 L/min) avec une fraction de particules fines par rapport à la dose délivrée (FPF_d) de 86 ± 1 % et de 74 ± 1 %, respectivement. La reproductibilité du procédé a été démontrée sur 3 lots différents et la stabilité maintenue pendant les 6 mois de stockage avec une FPF_d variant de 81,0 ± 0,6 % au T0 à 81 ± 2 % après 6 mois. Ceci était lié à (i) la stabilisation de la forme β de HCO et de l’état cristallin du cisplatine, et (ii) à la faible teneur en solvant résiduel (< 0,2 % w/w). De plus, cette formulation était caractérisée par une libération initiale plus marquée qu’avec CIS-DPI-TS ainsi que par des propriétés de libération contrôlée in vitro puisque 48 ± 2% ont été dissous en 2 h, vs. 35 ± 11 % pour CIS-DPI-TS et 76 ± 5 % pour les microcristaux de cisplatine non enrobés. Cela a été confirmé in vivo et a prouvé que le changement vers HCO a diminué le Tmax dans le sang de 120 min pour CIS-DPI- TS à 1 min pour le CIS-DPI-50. De plus, la rétention pulmonaire a été maintenue pendant 4 heures avec une aire sous la courbe (AUC) dans les poumons de 4 611 ± 932 ng.min.mg1 vs. 6 072 ng.min.mg-1 pour CIS-DPI-TS. Par conséquent, cette formulation a été choisie pour la suite des investigations.La deuxième partie de ce travail visait tout d’abord à évaluer la biodistribution après l’administration de CIS-DPI-50 à 0.5 mg/kg chez des souris greffées avec le modèle LLC1- Luc. Suite à cette administration, une exposition plus soutenue et dix fois plus élevée a été retrouvée dans les tumeurs par rapport au tissu sain (AUC0-∞ de 10 683 ± 5 826 ng.min.mg-1, vs. 1 071 ± 825 ng.min.mg-1, respectivement). Le deuxième objectif était de sélectionner le schéma d’administration du CIS-DPI-50 le plus adapté à sa combinaison avec la chimiothérapie IV. Le CIS-DPI-50 a été administrée 5 fois par cycle pendant deux cycles à 0,3, 0,5 et 1 mg/kg, ou à 0,5 mg/kg 3 fois par cycle pendant deux cycles. Après le premier cycle de traitement, aucune différence en termes de concentrations en platine n’a été observée dans les tumeurs ou dans les organes sains entre les groupes traités de manière répétée et ceux administrés une seule fois. Cependant, un cycle plus tard, toutes les concentrations en platine ont augmenté dans les organes sains et diminué dans les tumeurs. Ceci était lié à une augmentation de la taille tumorale d’un facteur de 23 entre les deux cycles (533 ± 23 mg vs. 23 ± 3 mg), ainsi qu’à la dégradation de l’état général des animaux. De plus, aucun des schémas n’a démontré une toxicité pulmonaire ou une efficacité. Cette efficacité limitée était liée à la faible sensibilité du modèle LLC1-Luc au cisplatine. Par conséquent, les schémas caractérisés par la plus faible dose cumulée (0,5 mg/kg trois fois par cycle et 0,3 mg/kg cinq fois par cycle) ont été sélectionnés afin d’évaluer leur efficacité chez des souris greffées avec le modèle M109-HiFR-Luc2. Une réduction significative de la taille tumorale dans les groupes traités (p < 0,0001) par rapport au groupe non traité a été observée ;confirmant la réponse de ce modèle au cisplatine. Cependant, aucune différence en termes de croissance tumorale (tendances similaires), de proportion de répondeurs (33 % pour les deux groupes) ou de survie (31 jours pour les groupes traités vs. 23 jours pour le groupe non traité) n’a été rapportée entre ces deux groupes. Par conséquent, le schéma le moins fréquent a été choisi pour éviter une éventuelle accumulation de platine et une atteinte rénale aigue (AKI).La troisième partie de ce travail avait pour but d’étudier la tolérance pulmonaire et rénale du CIS-DPI-50, du CIS-IV et de leurs combinaisons. Les résultats de quantification des cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-1β) dans le fluide de lavage bronchoalvéolaire (BALF) ont montré une meilleure tolérance pour le CIS-DPI-50 par rapport au CIS-IV. Les neutrophiles granulocytes (NT-GRA) ont augmenté proportionnellement à la dose pour tous les groupes traités avec le CIS-DPI-50. Ces augmentations étaient réversibles une semaine plus tard uniquement pour les monothérapies et le groupe combiné, dont les administrations ont été espacées de 24h. Compte tenu des résultats d’inflammation et de cytotoxicité, l’ajout de CIS- DPI-50 au CIS-IV à sa dose maximale tolérée (MTD) semblait avoir un plus grand impact que si CIS-DPI-50 était ajouté à une dose IV réduite de 25%. Les résultats de quantification des biomarqueurs AKI plasmatiques (NGAL, cystatine C et créatinine) ont augmentés lorsque les deux monothérapies ont été administrées à leur DMT le même jour ou 24 heures plus tard. Par conséquent, la MTD du CIS-IV devait être réduite de 25% et les administrations séparées de 24h pour préserver la tolérance. L’efficacité de ce schéma a été évaluée sur des souris greffées avec le modèle M109-HiFR-Luc2 en combinant le CIS-DPI-50 au doublet IV cisplatine- paclitaxel. Malgré le fait que ces résultats n’étaient pas significativement différents, des tendances intéressantes en termes de réduction de la croissance tumorale, de survie (31 jours pour le groupe combiné vs. 26 pour le doublet IV, vs. 21 jours pour le groupe non traité) et de proportion de répondeurs (67 % pour le groupe combiné, vs. 50 % pour le doublet IV) ont été observés pour le groupe combiné.Comme les différentes adaptations ont probablement pu entraver le potentiel des combinaisons, il était intéressant d’étudier l’association de CIS-DPI-50 avec un doublet moins néphrotoxique (carboplatine-paclitaxel), et qui nécessiterait éventuellement moins d’ajustements. Compte tenu de la DLT du carboplatine et du paclitaxel, l’évaluation de la myélotoxicité était incluse dans cette étude. Les résultats ont montré que l’ajout de CIS-DPI-50 au doublet carboplatine- paclitaxel IV le même jour à leur MTD ont induit une augmentation du nombre de globules blancs et de cellules totales dans le BALF, une proportion plus élevée de NT-GRA dans le BALF et une anémie régénérative plus précoce qu’avec le doublet IV. Ces effets étaient réversibles. La stratégie de réduction de la dose IV de 25 % et la séparation des administrations par 24h ont permis d’éviter le développement d’une anémie régénérative et/ou l’augmentation de globules blancs ou du nombre de cellules totales dans le BALF par rapport aux doublets IV. De plus, toutes les combinaisons ont induit une cytotoxicité non réversible tout en étant mieux tolérées que celles avec le CIS-IV. Leurs efficacités devraient donc être testées sur des modèles de cancer pulmonaire murin seuls ou en combinaison avec l’immunothérapie (inhibiteurs de checkpoint).Ce travail a démontré la faisabilité de combiner une modalité de traitement locorégionale avec les traitements de chimiothérapie conventionnelle par voie IV à base de cisplatine et de carboplatine contre les tumeurs pulmonaires. Ceci a été effectué en optimisant les combinaisons afin d’éviter des toxicités pulmonaire, rénale et hématologique (pour la chimiothérapie à base de carboplatine) tout en démontrant une tendance vers une efficacité (pour le doublet cisplatine- paclitaxel) dans un modèle préclinique agressif. Par conséquent, ces résultats ouvrent la voie à plusieurs autres possibilités de combinaisons (traitements localisés et inhibiteurs de checkpoint) qui doivent être investiguées afin de sélectionner les indications pour lesquelles ce traitement serait le plus efficace. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La micro-tomodensitométrie à rayons X (dite micro-CT, CT = Computed Tomography), est une technique d’imagerie de haute résolution qui consiste d’une part à mesurer l’absorption des rayons X par les tissus, et d’autre part de reconstruire les images et les structures anatomiques en 3 dimensions par traitement informatique. L’agent de contraste est une substance capable d’améliorer la visibilité des structures d’un organe ou d’un liquide organique in vivo. Ce travail de thèse a eu pour objectif le développement d’agents de contraste iodés sous formes de nano-émulsions pour des applications précliniques en imagerie biomédicale. Nous nous sommes proposés d’étudier d’une part des nano-émulsions iodées afin d’avoir une longue rémanence vasculaire in vivo, une meilleure biocompatibilité et d’autre part de mettre au point une synthèse et une formulation plus simples que celles des agents de contraste nanoparticulaires commercialisés. Trois différentes huiles iodées ont été synthétisées et utilisées comme partie contrastante dans les nano-émulsions. Enfin, les nano-émulsions de l’α-tocophérol iodé nous ont permis d’atteindre l’objectif de cette thèse. Ces nano-émulsions iodées ont montré une très bonne biocompatibilité et combinent à la fois les propriétés d’un agent de contraste à longue rémanence vasculaire et un agent de contraste spécifique du foie. / The X-ray microtomography (called mico-CT, CT = Computed Tomography) is a high-resolution X-ray tomography, uses X-rays to create cross-sections of a 3D-object that later can be used to recreate a virtual model without destroying the original model. The contrast agent is a substance used to enhance the contrast of structures or fluids within the body in medical imaging. The purposes of the thesis were the development of iodine-containing nano-emulsion based contrast for preclinical applications in biomedical imaging. We proposed to study blood pool contrast agents based on iodine-containing nano-emulsions and to develop simpler procedure for the preparation of these iodine-containing nano-emulsions. Three different iodinated oils were synthesized and used as the contrasting part in the nano-emulsions. Finally, nano-emulsions of iodinated α-tocopherol have been enabled us to achieve the purpose of the thesis. These iodinated nano-emulsions demonstrated very good biocompatibility and showed prolonged and significant contrast enhancement in both bloodstream and liver tissues.

En février, 2009 un rapport de PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmait que plus de 300 médicaments pour le traitement des maladies cardiaques étaient en phase d’essais cliniques ou en révision par les agences règlementaires. Malgré cette abondance de nouvelles thérapies cardiovasculaires, le nombre de nouveaux médicaments approuvés chaque année (toutes indications confondues) est en déclin avec seulement 17 et 24 nouveaux médicaments approuvés en 2007 et 2008, respectivement. Seulement 1 médicament sur 5000 sera approuvé après 10 à 15 ans de développement au coût moyen de 800 millions $. De nombreuses initiatives ont été lancées par les agences règlementaires afin d’augmenter le taux de succès lors du développement des nouveaux médicaments mais les résultats tardent. Cette stagnation est attribuée au manque d’efficacité du nouveau médicament dans bien des cas mais les évaluations d’innocuité remportent la palme des causes d’arrêt de développement. Primum non nocere, la maxime d’Hippocrate, père de la médecine, demeure d’actualité en développement préclinique et clinique des médicaments. Environ 3% des médicaments approuvés au cours des 20 dernières années ont, par la suite, été retirés du marché suite à l’identification d’effets adverses. Les effets adverses cardiovasculaires représentent la plus fréquente cause d’arrêt de développement ou de retrait de médicament (27%) suivi par les effets sur le système nerveux. Après avoir défini le contexte des évaluations de pharmacologie de sécurité et l’utilisation des bio-marqueurs, nous avons validé des modèles d’évaluation de l’innocuité des nouveaux médicaments sur les systèmes cardiovasculaires, respiratoires et nerveux. Évoluant parmi les contraintes et les défis des programmes de développements des médicaments, nous avons évalué l’efficacité et l’innocuité de l’oxytocine (OT), un peptide endogène à des fins thérapeutiques. L’OT, une hormone historiquement associée à la reproduction, a démontré la capacité d’induire la différentiation in vitro de lignées cellulaires (P19) mais aussi de cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes battants. Ces observations nous ont amené à considérer l’utilisation de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Afin d’arriver à cet objectif ultime, nous avons d’abord évalué la pharmacocinétique de l’OT dans un modèle de rat anesthésié. Ces études ont mis en évidence des caractéristiques uniques de l’OT dont une courte demi-vie et un profil pharmacocinétique non-linéaire en relation avec la dose administrée. Ensuite, nous avons évalué les effets cardiovasculaires de l’OT sur des animaux sains de différentes espèces. En recherche préclinique, l’utilisation de plusieurs espèces ainsi que de différents états (conscients et anesthésiés) est reconnue comme étant une des meilleures approches afin d’accroître la valeur prédictive des résultats obtenus chez les animaux à la réponse chez l’humain. Des modèles de rats anesthésiés et éveillés, de chiens anesthésiés et éveillés et de singes éveillés avec suivi cardiovasculaire par télémétrie ont été utilisés. L’OT s’est avéré être un agent ayant d’importants effets hémodynamiques présentant une réponse variable selon l’état (anesthésié ou éveillé), la dose, le mode d’administration (bolus ou infusion) et l’espèce utilisée. Ces études nous ont permis d’établir les doses et régimes de traitement n’ayant pas d’effets cardiovasculaires adverses et pouvant être utilisées dans le cadre des études d’efficacité subséquentes. Un modèle porcin d’infarctus du myocarde avec reperfusion a été utilisé afin d’évaluer les effets de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Dans le cadre d’un projet pilote, l’infusion continue d’OT initiée immédiatement au moment de la reperfusion coronarienne a induit des effets cardiovasculaires adverses chez tous les animaux traités incluant une réduction de la fraction de raccourcissement ventriculaire gauche et une aggravation de la cardiomyopathie dilatée suite à l’infarctus. Considérant ces observations, l’approche thérapeutique fût révisée afin d’éviter le traitement pendant la période d’inflammation aigüe considérée maximale autour du 3ième jour suite à l’ischémie. Lorsqu’initié 8 jours après l’ischémie myocardique, l’infusion d’OT a engendré des effets adverses chez les animaux ayant des niveaux endogènes d’OT élevés. Par ailleurs, aucun effet adverse (amélioration non-significative) ne fût observé chez les animaux ayant un faible niveau endogène d’OT. Chez les animaux du groupe placebo, une tendance à observer une meilleure récupération chez ceux ayant des niveaux endogènes initiaux élevés fût notée. Bien que la taille de la zone ischémique à risque soit comparable à celle rencontrée chez les patients atteints d’infarctus, l’utilisation d’animaux juvéniles et l’absence de maladies coronariennes sont des limitations importantes du modèle porcin utilisé. Le potentiel de l’OT pour le traitement de l’infarctus du myocarde demeure mais nos résultats suggèrent qu’une administration systémique à titre de thérapie de remplacement de l’OT devrait être considérée en fonction du niveau endogène. De plus amples évaluations de la sécurité du traitement avec l’OT dans des modèles animaux d’infarctus du myocarde seront nécessaires avant de considérer l’utilisation d’OT dans une population de patients atteint d’un infarctus du myocarde. En contre partie, les niveaux endogènes d’OT pourraient posséder une valeur pronostique et des études cliniques à cet égard pourraient être d’intérêt. / In february 2009, a report from PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmed that more than 300 drugs for treatment of cardiovascular diseases were in clinical trials or under review by regulatory agencies. Despite the abundance of new cardiovascular therapies, the number of new drugs approved each year (all indications combined) is declining steadily with only 17 and 24 new drugs approved in 2007 and 2008, respectively. Only 1 drug out of 5000 candidates will be approved after 10 to 15 years of development with an average cost of $800 millions. Several initiatives have been launched by regulatory agencies to increase the success rate in drug development but results are still awaited. This stagnation is attributed to the lack of efficacy of several drug candidates but safety assessments are the leading cause of drug development discontinuation. Primum non nocere, the maxim from Hippocrate, father of medicine, remains of major relevance in preclinical and clinical drug development. Over the past 20 years, approximately 3% of approved drugs were subsequently withdrawn from the market due to adverse effects. Cardiovascular adverse effects represent the most frequent cause of drug development discontinuation or withdrawal (27%) followed by effects on the nervous system. After defining the context of safety pharmacology evaluations and the use of biomarkers in drug development, we validated safety pharmacology models to investigate drug-induced cardiovascular, respiratory and neurological effects. As we progressed within constraints and challenges of drug development, we evaluated the efficacy and safety of oxytocin, an endogenous peptide with therapeutic potential. Oxytocin (OT), a hormone historically associated with reproduction, demonstrated the ability to induce in vitro differentiation of cell lines (P19) but also embryonic stem cells into beating cardiomyocytes. These observations lead us to consider the use of OT as a treatment for myocardial infarct. To achieve this ultimate goal, we first evaluated the pharmacokinetic of OT in an anesthetized rat model. These investigations highlighted the unique characteristics of OT including a very short half-life and a non-linear pharmacokinetic profile in response to the dose. Cardiovascular effects of OT in healthy animals were then evaluated in various species. In preclinical research, the use of various animal species and state of consciousness (conscious or anesthetized) is recognized as one of the best strategies to increase the predictive value of results obtained in animals to the human response. Our initial investigations of OT treatment regimens used various animal models including conscious and anesthetized rats, anesthetized pigs, conscious dogs with indirect blood pressure monitoring and diuresis and conscious monkeys with cardiovascular telemetry monitoring. These studies confirmed OT to have significant hemodynamic effects with variable responses depending on the state of consciousness (conscious or anesthetized), the dose, the administration protocol (bolus or infusion) and the species that were used. These screening studies enabled selection of a treatment regimen and dose without adverse effects that could subsequently be tested in efficacy studies. A porcine myocardial infarct (MI) model with reperfusion was used to evaluate the effects of OT following myocardial ischemia. In a pilot project, continuous infusion of OT initiated immediately at coronary reperfusion induced cardiovascular adverse effects in all treated animals including a reduction of left ventricular fraction shortening and worsening of dilated cardiomyopathy which is typical following MI. Considering these observations, the therapeutic strategy was revised to avoid OT treatment during the inflammatory phase which was considered maximal around day 3 post-ischemia. When initiated 8 days after MI, OT infusion induced adverse effects in animals with elevated endogenous levels of OT. In contrast, no significant effects (not statistically significant improvement) were observed in animals with low endogenous OT baseline. In placebo treated animals, a trend to observe a better recovery was noted in animals with high endogenous OT baseline. While the size of the ischemic zone was comparable to human patients with MI, the use of juvenile animals and the absence of coronary disease are important limitations of the porcine model. The potential of OT for treatment of MI remains but our results suggest that systemic administration of OT by continuous infusion as part of a replacement therapy should be investigated further in relation to endogenous levels. Further investigations on safety of the treatment with OT on animal MI models are warranted before the use of OT can be considered in the patient population after myocardial infarct. On the other hand, endogenous levels of OT may have a prognostic value and clinical trials to investigate this hypothesis may be of interest.

En février, 2009 un rapport de PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmait que plus de 300 médicaments pour le traitement des maladies cardiaques étaient en phase d’essais cliniques ou en révision par les agences règlementaires. Malgré cette abondance de nouvelles thérapies cardiovasculaires, le nombre de nouveaux médicaments approuvés chaque année (toutes indications confondues) est en déclin avec seulement 17 et 24 nouveaux médicaments approuvés en 2007 et 2008, respectivement. Seulement 1 médicament sur 5000 sera approuvé après 10 à 15 ans de développement au coût moyen de 800 millions $. De nombreuses initiatives ont été lancées par les agences règlementaires afin d’augmenter le taux de succès lors du développement des nouveaux médicaments mais les résultats tardent. Cette stagnation est attribuée au manque d’efficacité du nouveau médicament dans bien des cas mais les évaluations d’innocuité remportent la palme des causes d’arrêt de développement. Primum non nocere, la maxime d’Hippocrate, père de la médecine, demeure d’actualité en développement préclinique et clinique des médicaments. Environ 3% des médicaments approuvés au cours des 20 dernières années ont, par la suite, été retirés du marché suite à l’identification d’effets adverses. Les effets adverses cardiovasculaires représentent la plus fréquente cause d’arrêt de développement ou de retrait de médicament (27%) suivi par les effets sur le système nerveux. Après avoir défini le contexte des évaluations de pharmacologie de sécurité et l’utilisation des bio-marqueurs, nous avons validé des modèles d’évaluation de l’innocuité des nouveaux médicaments sur les systèmes cardiovasculaires, respiratoires et nerveux. Évoluant parmi les contraintes et les défis des programmes de développements des médicaments, nous avons évalué l’efficacité et l’innocuité de l’oxytocine (OT), un peptide endogène à des fins thérapeutiques. L’OT, une hormone historiquement associée à la reproduction, a démontré la capacité d’induire la différentiation in vitro de lignées cellulaires (P19) mais aussi de cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes battants. Ces observations nous ont amené à considérer l’utilisation de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Afin d’arriver à cet objectif ultime, nous avons d’abord évalué la pharmacocinétique de l’OT dans un modèle de rat anesthésié. Ces études ont mis en évidence des caractéristiques uniques de l’OT dont une courte demi-vie et un profil pharmacocinétique non-linéaire en relation avec la dose administrée. Ensuite, nous avons évalué les effets cardiovasculaires de l’OT sur des animaux sains de différentes espèces. En recherche préclinique, l’utilisation de plusieurs espèces ainsi que de différents états (conscients et anesthésiés) est reconnue comme étant une des meilleures approches afin d’accroître la valeur prédictive des résultats obtenus chez les animaux à la réponse chez l’humain. Des modèles de rats anesthésiés et éveillés, de chiens anesthésiés et éveillés et de singes éveillés avec suivi cardiovasculaire par télémétrie ont été utilisés. L’OT s’est avéré être un agent ayant d’importants effets hémodynamiques présentant une réponse variable selon l’état (anesthésié ou éveillé), la dose, le mode d’administration (bolus ou infusion) et l’espèce utilisée. Ces études nous ont permis d’établir les doses et régimes de traitement n’ayant pas d’effets cardiovasculaires adverses et pouvant être utilisées dans le cadre des études d’efficacité subséquentes. Un modèle porcin d’infarctus du myocarde avec reperfusion a été utilisé afin d’évaluer les effets de l’OT dans le traitement de l’infarctus du myocarde. Dans le cadre d’un projet pilote, l’infusion continue d’OT initiée immédiatement au moment de la reperfusion coronarienne a induit des effets cardiovasculaires adverses chez tous les animaux traités incluant une réduction de la fraction de raccourcissement ventriculaire gauche et une aggravation de la cardiomyopathie dilatée suite à l’infarctus. Considérant ces observations, l’approche thérapeutique fût révisée afin d’éviter le traitement pendant la période d’inflammation aigüe considérée maximale autour du 3ième jour suite à l’ischémie. Lorsqu’initié 8 jours après l’ischémie myocardique, l’infusion d’OT a engendré des effets adverses chez les animaux ayant des niveaux endogènes d’OT élevés. Par ailleurs, aucun effet adverse (amélioration non-significative) ne fût observé chez les animaux ayant un faible niveau endogène d’OT. Chez les animaux du groupe placebo, une tendance à observer une meilleure récupération chez ceux ayant des niveaux endogènes initiaux élevés fût notée. Bien que la taille de la zone ischémique à risque soit comparable à celle rencontrée chez les patients atteints d’infarctus, l’utilisation d’animaux juvéniles et l’absence de maladies coronariennes sont des limitations importantes du modèle porcin utilisé. Le potentiel de l’OT pour le traitement de l’infarctus du myocarde demeure mais nos résultats suggèrent qu’une administration systémique à titre de thérapie de remplacement de l’OT devrait être considérée en fonction du niveau endogène. De plus amples évaluations de la sécurité du traitement avec l’OT dans des modèles animaux d’infarctus du myocarde seront nécessaires avant de considérer l’utilisation d’OT dans une population de patients atteint d’un infarctus du myocarde. En contre partie, les niveaux endogènes d’OT pourraient posséder une valeur pronostique et des études cliniques à cet égard pourraient être d’intérêt. / In february 2009, a report from PHRMA (Pharmaceutical Research and Manufacturers of America) confirmed that more than 300 drugs for treatment of cardiovascular diseases were in clinical trials or under review by regulatory agencies. Despite the abundance of new cardiovascular therapies, the number of new drugs approved each year (all indications combined) is declining steadily with only 17 and 24 new drugs approved in 2007 and 2008, respectively. Only 1 drug out of 5000 candidates will be approved after 10 to 15 years of development with an average cost of $800 millions. Several initiatives have been launched by regulatory agencies to increase the success rate in drug development but results are still awaited. This stagnation is attributed to the lack of efficacy of several drug candidates but safety assessments are the leading cause of drug development discontinuation. Primum non nocere, the maxim from Hippocrate, father of medicine, remains of major relevance in preclinical and clinical drug development. Over the past 20 years, approximately 3% of approved drugs were subsequently withdrawn from the market due to adverse effects. Cardiovascular adverse effects represent the most frequent cause of drug development discontinuation or withdrawal (27%) followed by effects on the nervous system. After defining the context of safety pharmacology evaluations and the use of biomarkers in drug development, we validated safety pharmacology models to investigate drug-induced cardiovascular, respiratory and neurological effects. As we progressed within constraints and challenges of drug development, we evaluated the efficacy and safety of oxytocin, an endogenous peptide with therapeutic potential. Oxytocin (OT), a hormone historically associated with reproduction, demonstrated the ability to induce in vitro differentiation of cell lines (P19) but also embryonic stem cells into beating cardiomyocytes. These observations lead us to consider the use of OT as a treatment for myocardial infarct. To achieve this ultimate goal, we first evaluated the pharmacokinetic of OT in an anesthetized rat model. These investigations highlighted the unique characteristics of OT including a very short half-life and a non-linear pharmacokinetic profile in response to the dose. Cardiovascular effects of OT in healthy animals were then evaluated in various species. In preclinical research, the use of various animal species and state of consciousness (conscious or anesthetized) is recognized as one of the best strategies to increase the predictive value of results obtained in animals to the human response. Our initial investigations of OT treatment regimens used various animal models including conscious and anesthetized rats, anesthetized pigs, conscious dogs with indirect blood pressure monitoring and diuresis and conscious monkeys with cardiovascular telemetry monitoring. These studies confirmed OT to have significant hemodynamic effects with variable responses depending on the state of consciousness (conscious or anesthetized), the dose, the administration protocol (bolus or infusion) and the species that were used. These screening studies enabled selection of a treatment regimen and dose without adverse effects that could subsequently be tested in efficacy studies. A porcine myocardial infarct (MI) model with reperfusion was used to evaluate the effects of OT following myocardial ischemia. In a pilot project, continuous infusion of OT initiated immediately at coronary reperfusion induced cardiovascular adverse effects in all treated animals including a reduction of left ventricular fraction shortening and worsening of dilated cardiomyopathy which is typical following MI. Considering these observations, the therapeutic strategy was revised to avoid OT treatment during the inflammatory phase which was considered maximal around day 3 post-ischemia. When initiated 8 days after MI, OT infusion induced adverse effects in animals with elevated endogenous levels of OT. In contrast, no significant effects (not statistically significant improvement) were observed in animals with low endogenous OT baseline. In placebo treated animals, a trend to observe a better recovery was noted in animals with high endogenous OT baseline. While the size of the ischemic zone was comparable to human patients with MI, the use of juvenile animals and the absence of coronary disease are important limitations of the porcine model. The potential of OT for treatment of MI remains but our results suggest that systemic administration of OT by continuous infusion as part of a replacement therapy should be investigated further in relation to endogenous levels. Further investigations on safety of the treatment with OT on animal MI models are warranted before the use of OT can be considered in the patient population after myocardial infarct. On the other hand, endogenous levels of OT may have a prognostic value and clinical trials to investigate this hypothesis may be of interest.

Des développements technologiques récents concernant les photodiodes à effet avalanche (PDA) ont mené à la conception et la fabrication d'un tout nouveau module de détection de radiation TEP (tomographie d'émission par positrons) destiné à l'imagerie moléculaire préclinique. Il est basé sur une matrice de 8 par 8 scintillateurs LYSO (ortho-silicate de lutétium dopé au cérium, cerium-doped lutetium yttrium orthosilicate ) individuellement couplés aux pixels de deux matrices monolithiques de 4 par 8 PDA. Cette avancée, pouvant amener la résolution spatiale d'un scanner à passer sous la barrière du mm, exige la conception d'un tout nouveau système d'acquisition de données. En effet, il faut adapter le système de lecture individuelle de chacun des pixels du bloc de détection de façon à satisfaire la multiplication par ~8, relativement à une version antérieure (le LabPET[indice supérieur TM] I), de la densité de pixels du futur scanner LabPET[indice supérieur TM] II. Conséquemment, le traitement de signal numérique ne peut être exclusivement embarqué dans les matrices de portes logiques programmable (field-programmable gate array , FPGA) du système d'acquisition, en considérant les aspects monétaires, d'espace occupé et de puissance consommée de l'ensemble du projet LabPET[indice supérieur TM] II. De façon à s'adapter à cette nouvelle réalité, un nouveau circuit intégré à application spécifique (application specific integrated circuit, ASIC) à signaux mixtes avec 64 canaux d'acquisition, fabriqué avec la technologie TSMC CMOS 0,18 [micromètre], a été conçu. L'ASIC utilise la méthode de temps au-dessus d'un seuil (time over threshold , ToT), déjà implantée dans des applications de physique des hautes-énergies, de manière à extraire numériquement l'information relative à un rayonnement interagissant avec la matrice de détection (l'énergie, le temps et le numéro de pixel de l'événement). Dans le cadre de ce projet, une architecture complexe de machines à états-finis, cadencée par une horloge de 100 MHz, a été implantée et elle permet à l'ASIC d'identifier le taux anticipé de 3 000 événements par seconde par canal. Ceci est réalisé en calculant en temps réel le paramètre ToT tout en assurant la calibration adéquate de chacune des chaînes d'acquisition. Le circuit intégré peut caractériser jusqu'à 2 Mévénements/s malgré son unique lien différentiel à bas voltage (low-voltage differential signaling, LVDS) de transfert de données et consomme environ 600 mW. L'ASIC a été développé en suivant un processus de conception de circuits intégrés à signaux mixtes. Il permet notamment de minimiser et de vérifier l'impact des indésirables effets parasites sur la circuiterie analogique et numérique de l'ensemble avant que les dessins de masques ne soient envoyés vers la fonderie pour fabriquer le circuit désiré.

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.