Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du comportement d'ADN en solution et aux interfaces : actuellement, l'objectif de parvenir à une plus grande efficacité dans les processus de compaction de l'ADN, dans l'innovation des capteurs d'ADN et dans l'étude des changements dans les propriétés interfaciales générés entre les surfaces métalliques et les molécules d'ADN, est devenue un grand domaine d'intérêt en bioingénierie. Cette section de la thèse propose le couplage des techniques rhéométriques, électrochimiques et optiques afin d'effectuer une étude détaillée du comportement de molécules d'ADN en solution et aux interfaces, en fonction de la température, de la concentration en ADN et du potentiel électrique. Tout d'abord, le comportement rhéologique des solutions d'ADN, ainsi que la détection des concentrations critiques (C* et Ce), est discuté à partir d’expériences de rhéométrie en cisaillement permanent et harmonique. Après avoir étudié les propriétés des solutions d'ADN, des techniques électrochimiques et optiques ont été utilisés pour identifier les changements structurels aux interfaces Au/ADN et Pt/ADN, ainsi que pour décrire l'arrangement des chaînes d'ADN dans la double couche électrochimique pour les régimes dilué et semi-dilués. La réponse obtenue par Spectroscopie d'Impédance Électrochimique (EIS), Modulation Interfaciale de la Capacitance (MIC) et Résonance des Plasmons de Surface (SPR) reflète un processus d'adsorption des molécules d'ADN sur les surfaces métalliques. Finalement, en utilisant des concentrations d’ADN dans le régime dilué, on a étudié la formation de nanoparticules de chitosane-ADN avec stœchiométrie définie pour le transfert de gènes.Le rôle de la dynamique micellaire et la rhéologie dans la libération contrôlée de médicaments: le transfert ciblé d'ingrédients actifs (vectorisation) est un grand défi pour la recherche thérapeutique. Ce procédé est utilisé pour contrôler le transfert des protéines, des gènes et des médicaments vers une cellule cible en l'associant à un vecteur. Les molécules pour la chimiothérapie sont souvent hydrophobes et ont besoin d’un vecteur pour être transférées. Dans cette section de la thèse, on cherche à comprendre les dynamiques d'échange collectives (fusion et fission) entre micelles de copolymères triblocs amphiphiles à l'équilibre et hors équilibre. Ensuite, on étudie les dynamiques d'échange collectives entre ces micelles, choisies comme vecteurs, et des liposomes, choisis comme cellules modèles. On utilise une technique de fluorescence avec un dérivé de pyrène hydrophobe pour suivre les processus de fusion et de fission. Après avoir caractérisé la structure des copolymères amphiphile et avoir étudié leur dynamique à l'équilibre et hors l'équilibre, nous proposons une technique de fluorescence qui permet de quantifier les dynamiques collectives de vectorisation entre les micelles et les liposomes. Les effets de la variation de la concentration de liposomes et de l’adsorption du chitosane sur la membrane du liposome et sur les micelles ont été étudiés. / Nowadays, the target for reaching a greater efficiency in DNA compaction processes, the innovation ofDNA sensors development and the study of changes in the interfacial properties generated between metalsurfaces and DNA molecules has become an area of great interest in bioengineering. This section of thethesis proposes the coupling of rheological, electrochemical and optical techniques to perform a detailedstudy of DNA molecules behavior in the bulk state of the solution and at the interface with two differentmetallic surfaces, as a function of parameters such as temperature, DNA concentration and electricpotential. Firstly, the rheological behavior of DNA/buffer solutions, as well as the evidence of the criticalconcentrations (C★ and Ce) is discussed from simple steady state and oscillatory dynamic shearexperiments. After studying DNA solutions properties, electrochemical and optical techniques are used toidentify structural changes in Au/DNA and Pt/DNA interfaces and to describe the arrangement of DNAchains in the electrochemical double-layer as a function of concentration and within each characteristicregime, i.e. dilute and semi-dilute regimes. The obtained response trough Electrochemical ImpedanceSpectroscospy (EIS), Modulation Interfacial of the Capacitance (MIC) and Surface Plasmon Resonance(SPR) techniques reflects an adsorption process of DNA molecules taking place onto the metal surfaces.Finally, by selecting DNA concentrations in the dilute regime, we studied the formation of chitosan-DNAnanoparticles with defined stoichiometry for gene transfer.The specific delivery of active ingredients, known as vectorization, has actually become a greatchallenge in therapeutic research. This process has been used to control the distribution of activeingredients such as proteins, genes for gene therapy and drugs, to a target by associating it with avector. Molecules for chemotherapy are frequently hydrophobic and require vectorization to betransported to the target cell. In this section of the thesis, we look up to understand the collectiveexchange dynamics (fusion and fission) between amphiphilic block copolymer micelles at the equilibriumand out of the equilibrium, and the exchange dynamics between these micelles (representing vectors)and the simplest model of cells (liposomes). We used a fluorescent technique with hydrophobic pyrenederivative to probe the fusion and fission of micelles at equilibrium. After characterizing amphiphilicblock copolymers structure and studying their dynamics in and out of equilibrium, we proposed a timescan fluorescence technique to quantify the collective vectorization dynamics between amphiphilic blockcopolymer micelles and liposomes. The effect of the variation of several parameters such as liposomeconcentration and a chitosan adsorption were investigated in order to control the vectorizationdynamics between these vectors and cells models.

L’administration par voie orale des médicaments reste encore de nos jours la voie royale de la prise des médicaments car moins onéreuse et plus adaptée au confort du patient. Mais cette voie reste toujours inaccessible pour certains médicaments comme les médicaments biologiques et les bio similaires voir certains anticancéreux et antirétroviraux.Le but de ce travail est d’améliorer la biodisponibilité par voie orale des médicaments à faible biodisponibilité par la mise au point d’un promoteur d’absorption. Pour y arriver nous avons adopté comme stratégie de développer un promoteur qui agit à la fois sur le passage passif et sur le passage actif des médicaments. Les études in vitro ont été réalisées en chambre de perméation d’Ussing adaptées par la société Biomécatronics SAS (BéthuneFrance). Dans la première partie de ce travail (Brevet), nous avons montré que l’utilisation d’une composition pharmaceutique et/ou diététique comprenant un extrait de plante(Hibiscus sabdariffa) pouvait augmenter la biodisponibilité in vitro des médicaments et des xénobiotiques qui passent par la voie paracellulaire comme le cisplatine (21 fois),l’oxaliplatine (11fois), la fluorescéine isothiocyanate-Dextran 4000 (3 fois), mais également les médicaments connus pour leur transport actif par la voie transcellulaire comme l’Efavirenz (7 fois) et l’Atazanavir (4 fois). Dans la seconde partie de ce travail, nous avons cherché à vérifier si notre promoteur d’absorption des médicaments a un effet sur la couche de mucus intestinale.Cette couche peut être un facteur limitant de passage des médicaments au travers de la barrière intestinale.Dans un premier temps (article 1), nous avons induit l’augmentation de la couche mucus au niveau du colon de rat après un prétraitement pendant une semaine avec le métronidazole. Puis nous avions confirmé (article 2) que l’administration par voie orale de deux antibiotiques le Cotrimoxazole (CTX) et le métronidazole (MTZ) pendant une semaine augmente la couche de mucus au niveau du côlon ; aussi nous avons montré qu’il existe une relation entre l’augmentation de la couche de mucus et la diminution de la conductance qui est l’index de transport passif des ions, des électrolytes et de certaines molécules à faibles poids moléculaires.De plus l’augmentation de la couche de mucus au niveau de l’intestin est responsable de la diminution du passage transépithélial des deux antirétroviraux dont l’utilisation est recommandée en première ligne par l’OMS (le.Ritonavir et l’Atazanavir) surles sujets porteurs du VIH (virus de l’immunodéficience humain). Après les traitements auMTZ et au CTX la sécrétion de l’Atazanavir augmente respectivement dans le côlon proximal de 2 et 4 fois et dans le côlon distal de 3 et 5 fois. On obtient également une sécrétion du Ritonavir de 5 et 10 fois dans le proximal et de 2 et 5 fois plus dans le distal.Le travail se poursuit par l’étude de l’effet de notre promoteur d’absorption des médicaments sur la couche de mucus intestinal.En conclusion, ce travail montre que l’on peut augmenter la biodisponibilité in vitroen utilisant les promoteurs de l’absorption des xénobiotiques qui agissent à la fois au niveau du transport passif et actif. / Oral dosing is still seen as the silver bullet of drug administration, as it is cheaper andbetter adapted to patient comfort. However, oral route is still inaccessible to many drugssuch as biologics and biosimilars respectively certain anticancer drugs and antiretrovirals(ARV).The aim of this present study was to find new drugs enhancers that improve the oralbioavailability of drugs and xenobiotics. All the studies were realized in vitro using Ussingchambers technic. To achieve the set objective we used the strategy to develop drugenhancer which can modulate at the same time transcellular and paracellular pathways.In the first part of this study (patent) we have shown that the use of a pharmaceutical and /or a dietetic formulation containing a plant extract (Hibiscus sabdariffa) could increase thebioavailability in vitro in rats not only of cisplatin (21 fold), oxaliplatin (11 fold) andFluorescein Isothiocyanate-Dextran 4000 (FD4, 3 fold). All that drugs were transportedthrough intestinal barrier using paracellular pathway. In addition the study showed thatthis formulated enhancer can increased the bioavailability of Efavirenz (7 fold) andAtazanavir (4 fold) which are active transported.In order to assess the effect of new drugs enhancer on mucus thickness that limits thetransport of xenobiotic through intestinal barrier, we decide to evaluate his effect on passiveand active transport of drugs.In the second part of this study we have shown that after a week of pre-treatment of ratswith Metronidazole (MTZ, publication 1) and Cotrimoxazole (CTX, publication 2), the twomost commonly used antibiotics in the prophylaxis against opportunistic infections in HIV /AIDS, both increase colonic mucus thickness that affect directly passive intestinalpermeability by reducing conductance an index of passive transport through intestinalepithelium. In addition those antibiotics also entail a change in the transepithelialconductance and ARV fluxes. After MTZ and CTX treatment the secretion of Atazanavir(ATZ) increases respectively in the proximal colon by 2 to 4 fold and in the distal colon by 3to 5 fold respectively. Ritonavir (RTV) is poorly absorbed in control, after a week of pretreatmentwith MTZ and CTX one rather notices a secretion of RTV 5 to 10 fold higher in theproximal and 2 to 5 fold higher in the distal colon. The next study will be conducted toevaluate the effect of new drugs enhancer on mucus thickness layer.In conclusion, oral bioavailability of drugs and xenobiotics can be enhanced bypharmaceutical composition that contains herbal extract which increase passive and activetransport of drugs through intestinal barrier.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) affecte 13 % de la population américaine et son incidence ne cesse d’augmenter. Malgré un ajustement des doses de médicaments administrés en fonction du taux de filtration glomérulaire du patient urémique, près de 40 % des patients reçoivent une dose trop élevée en raison de modifications de l’élimination extrarénale des médicaments chez ces patients. Il est connu que l’IRC affecte l’élimination métabolique des médicaments par les cytochromes P450 et les enzymes de biotransformation de phase II. Nous avons aussi démontré, chez le rat, que l’IRC affecte l’expression et l’activité de transporteurs de médicaments intestinaux entraînant une augmentation de la biodisponibilité de certains médicaments. On retrouve des transporteurs de médicaments dans de nombreux organes comme le foie, les reins et la barrière hématoencéphalique (BHE) où ils jouent des rôles importants dans les éliminations biliaire et rénale et la pénétration des médicaments au cerveau. Le but de ce travail était de mesurer, chez des rats néphrectomisés, les impacts de l’IRC sur l’expression protéique et génique et l’activité des transporteurs de médicaments hépatiques, rénaux et cérébraux. Les transporteurs étudiés sont de la famille des transporteurs ABC (P-glycoprotéine, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) ou des solute carriers (organic anion transporter, organic anion transporting protein). Aussi, une étude réalisée chez l’humain visait à évaluer la pharmacocinétique de deux médicaments : la fexofénadine, un médicament majoritairement transporté, et le midazolam, un substrat du cytochrome P450 3A4, chez des sujets dialysés. Nos résultats montrent que, chez le rat, l’IRC entraîne des modulations de l’expression des transporteurs d’influx et d’efflux hépatiques pouvant entraîner des diminutions du métabolisme hépatique et de l’excrétion biliaire des médicaments. Dans le rein, nous avons démontré des modulations de l’expression des transporteurs de médicaments. Nous avons aussi démontré que l’IRC diminue l’élimination urinaire de la rhodamine 123 et favorise l’accumulation intrarénale de médicaments transportés comme la benzylpénicilline et la digoxine. À la BHE, nous avons démontré des diminutions de l’expression des transporteurs de médicaments. Toutefois, nous n’avons pas observé d’accumulation intracérébrale de trois substrats utilisés (digoxine, doxorubicine et vérapamil) et même une diminution de l’accumulation intracérébrale de la benzylpénicilline. Il semble donc que, malgré les modulations de l’expression des différents transporteurs de médicaments, l’intégrité et la fonction de la BHE soient conservées en IRC. Chez l’humain, nous avons démontré une augmentation de la surface sous la courbe de la fexofénadine chez les sujets dialysés, comparativement aux témoins, suggérant une altération des mécanismes de transport des médicaments chez ces patients. Nous n’avons, toutefois, pas observé de modification de la pharmacocinétique du midazolam chez les patients dialysés, suggérant une activité métabolique normale chez ces patients. Un ou des facteurs s’accumulant dans le sérum des sujets urémiques semblent responsables des modulations de l’expression et de l’activité des transporteurs de médicaments observées chez le rat et l’humain. Ces travaux mettent en évidence une nouvelle problématique chez les sujets urémiques. Nous devons maintenant identifier les mécanismes impliqués afin d’éventuellement développer des stratégies pour prévenir la toxicité et la morbidité chez ces patients. / Chronic renal failure (CRF) affects 13% of the American population and its incidence is rising. Despite dose adjustment of drugs administered to CRF patients according to their glomerular filtration rate, nearly 40% of patients receive up to 6,45-times the recommended dose due to modifications in the extra-renal elimination of drugs. It is known that CRF affects the metabolic elimination of drugs via cytochrome P450s and Phase II biotransformation enzymes. Also, we showed modulations in the expression and activity of intestinal drug transporters in CRF rats that could lead to increases in the bioavailability of drugs. Drug transporters are expressed in various organs including the liver, the kidneys and the blood-brain barrier (BBB) where they play important roles in the biliary and renal elimination, and the brain penetration of drugs. The objective of this work was to measure, using a rat model of CRF, the impacts of CRF on the protein and mRNA expression and the activity of liver, kidney and brain drug transporters. We studied ABC transporters (P-glycoprotein, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) and solute carriers (organic anion transporters, organic anion transporting proteins). Also, a study conducted in human aimed to evaluate the pharmacokinetics of two drugs: fexofenadine, a transported drug, and midazolam, a substrate of cytochrome P450 3A4, in dialyzed patients. In rats, our results show modulations in the expression and activity of hepatic influx and efflux drug transporters that could lead to decreases in the hepatic metabolism and biliary excretion of drugs. In the kidney, we demonstrated modulations in the expression of drug transporters in CRF rats. We also demonstrated that CRF causes a reduction of the urinary elimination of rhodamine 123, a P-glycoprotein substrate, and the intra-renal accumulation of at least two transported drugs: benzylpenicillin and digoxin. Finally, we demonstrated decreases in the expression of influx and efflux drug transporters at the BBB of CRF rats. However, these decreases did not correlate with in vivo changes since BBB permeability of benzylpenicillin was decreased in CRF rats while digoxin, doxorubicin and verapamil permeabilities were unchanged. It thus appears that, even with decreased drug transporters, BBB integrity and function is conserved in CRF. In human, we showed an increase in the area under the curve of fexofenadine in dialyzed subjects compared to healthy controls, suggesting alterations of drug transport mechanisms in these patients. However, we observed no modifications in the pharmacokinetics of midazolam in dialyzed patients, suggesting a normal metabolic activity in these patients. Results from in vitro studies suggest that one or many uremic factors accumulating in the serum of uremic rats and patients are responsible for the observed modulations in drug transporter expression and activity observed in rat and human. This work demonstrates the impacts of CRF on the expression and activity of drug transporters and how they could affect drug pharmacokinetics in patients. Now, the mechanisms leading to these modulations need to be identified in order to eventually develop strategies to prevent drug toxicity and morbidity in uremic patients.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) affecte 13 % de la population américaine et son incidence ne cesse d’augmenter. Malgré un ajustement des doses de médicaments administrés en fonction du taux de filtration glomérulaire du patient urémique, près de 40 % des patients reçoivent une dose trop élevée en raison de modifications de l’élimination extrarénale des médicaments chez ces patients. Il est connu que l’IRC affecte l’élimination métabolique des médicaments par les cytochromes P450 et les enzymes de biotransformation de phase II. Nous avons aussi démontré, chez le rat, que l’IRC affecte l’expression et l’activité de transporteurs de médicaments intestinaux entraînant une augmentation de la biodisponibilité de certains médicaments. On retrouve des transporteurs de médicaments dans de nombreux organes comme le foie, les reins et la barrière hématoencéphalique (BHE) où ils jouent des rôles importants dans les éliminations biliaire et rénale et la pénétration des médicaments au cerveau. Le but de ce travail était de mesurer, chez des rats néphrectomisés, les impacts de l’IRC sur l’expression protéique et génique et l’activité des transporteurs de médicaments hépatiques, rénaux et cérébraux. Les transporteurs étudiés sont de la famille des transporteurs ABC (P-glycoprotéine, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) ou des solute carriers (organic anion transporter, organic anion transporting protein). Aussi, une étude réalisée chez l’humain visait à évaluer la pharmacocinétique de deux médicaments : la fexofénadine, un médicament majoritairement transporté, et le midazolam, un substrat du cytochrome P450 3A4, chez des sujets dialysés. Nos résultats montrent que, chez le rat, l’IRC entraîne des modulations de l’expression des transporteurs d’influx et d’efflux hépatiques pouvant entraîner des diminutions du métabolisme hépatique et de l’excrétion biliaire des médicaments. Dans le rein, nous avons démontré des modulations de l’expression des transporteurs de médicaments. Nous avons aussi démontré que l’IRC diminue l’élimination urinaire de la rhodamine 123 et favorise l’accumulation intrarénale de médicaments transportés comme la benzylpénicilline et la digoxine. À la BHE, nous avons démontré des diminutions de l’expression des transporteurs de médicaments. Toutefois, nous n’avons pas observé d’accumulation intracérébrale de trois substrats utilisés (digoxine, doxorubicine et vérapamil) et même une diminution de l’accumulation intracérébrale de la benzylpénicilline. Il semble donc que, malgré les modulations de l’expression des différents transporteurs de médicaments, l’intégrité et la fonction de la BHE soient conservées en IRC. Chez l’humain, nous avons démontré une augmentation de la surface sous la courbe de la fexofénadine chez les sujets dialysés, comparativement aux témoins, suggérant une altération des mécanismes de transport des médicaments chez ces patients. Nous n’avons, toutefois, pas observé de modification de la pharmacocinétique du midazolam chez les patients dialysés, suggérant une activité métabolique normale chez ces patients. Un ou des facteurs s’accumulant dans le sérum des sujets urémiques semblent responsables des modulations de l’expression et de l’activité des transporteurs de médicaments observées chez le rat et l’humain. Ces travaux mettent en évidence une nouvelle problématique chez les sujets urémiques. Nous devons maintenant identifier les mécanismes impliqués afin d’éventuellement développer des stratégies pour prévenir la toxicité et la morbidité chez ces patients. / Chronic renal failure (CRF) affects 13% of the American population and its incidence is rising. Despite dose adjustment of drugs administered to CRF patients according to their glomerular filtration rate, nearly 40% of patients receive up to 6,45-times the recommended dose due to modifications in the extra-renal elimination of drugs. It is known that CRF affects the metabolic elimination of drugs via cytochrome P450s and Phase II biotransformation enzymes. Also, we showed modulations in the expression and activity of intestinal drug transporters in CRF rats that could lead to increases in the bioavailability of drugs. Drug transporters are expressed in various organs including the liver, the kidneys and the blood-brain barrier (BBB) where they play important roles in the biliary and renal elimination, and the brain penetration of drugs. The objective of this work was to measure, using a rat model of CRF, the impacts of CRF on the protein and mRNA expression and the activity of liver, kidney and brain drug transporters. We studied ABC transporters (P-glycoprotein, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) and solute carriers (organic anion transporters, organic anion transporting proteins). Also, a study conducted in human aimed to evaluate the pharmacokinetics of two drugs: fexofenadine, a transported drug, and midazolam, a substrate of cytochrome P450 3A4, in dialyzed patients. In rats, our results show modulations in the expression and activity of hepatic influx and efflux drug transporters that could lead to decreases in the hepatic metabolism and biliary excretion of drugs. In the kidney, we demonstrated modulations in the expression of drug transporters in CRF rats. We also demonstrated that CRF causes a reduction of the urinary elimination of rhodamine 123, a P-glycoprotein substrate, and the intra-renal accumulation of at least two transported drugs: benzylpenicillin and digoxin. Finally, we demonstrated decreases in the expression of influx and efflux drug transporters at the BBB of CRF rats. However, these decreases did not correlate with in vivo changes since BBB permeability of benzylpenicillin was decreased in CRF rats while digoxin, doxorubicin and verapamil permeabilities were unchanged. It thus appears that, even with decreased drug transporters, BBB integrity and function is conserved in CRF. In human, we showed an increase in the area under the curve of fexofenadine in dialyzed subjects compared to healthy controls, suggesting alterations of drug transport mechanisms in these patients. However, we observed no modifications in the pharmacokinetics of midazolam in dialyzed patients, suggesting a normal metabolic activity in these patients. Results from in vitro studies suggest that one or many uremic factors accumulating in the serum of uremic rats and patients are responsible for the observed modulations in drug transporter expression and activity observed in rat and human. This work demonstrates the impacts of CRF on the expression and activity of drug transporters and how they could affect drug pharmacokinetics in patients. Now, the mechanisms leading to these modulations need to be identified in order to eventually develop strategies to prevent drug toxicity and morbidity in uremic patients.