Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing plasma and cellular antiretroviral drug disposition

Abstract: The improvement in antiretroviral drug therapy has transformed HIV infection into a chronic disease. However, treatment failure and drug toxicity are frequent. Inadequate response to treatment is clearly multifactorial and, therefore, dosage individualisation based on demographic factors, genetic markers and measurement of cellular and plasma drug level may enhance both drug efficacy and tolerability. At present, antiretroviral drugs levels are monitored in plasma, whereas only drugs penetrating into cells are able to exert an antiviral activity, suggesting that cellular drug determination may more confidently reflect drug exposure at the site of pharmacological action. The overall objective of this thesis is to provide a better understanding of the Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing the plasma and cellular disposition of antiretroviral drugs. To that endeavour, analytical methods for the measurements of plasma and cellular drug levels have been developed and validated using liquid chromatography methods coupled with ultraviolet and tandem mass spectrometry detection, respectively. Correlations between plasma and cellular exposures were assessed during observational and experimental studies. Cytochrome (CYP) 2B6, efflux transporters (ABCB1, ABCC1, ABCC2 and ABCG2) and orosomucoid (ORM) polymorphisms were determined and were related to plasma and cellular exposures, as well as toxicity of antiretroviral drugs. A Pharmacokinetic population model was developed to characterise inter- and intra-patient variability of atazanavir pharmacokinetics, and to identify covariates influencing drug disposition. In that context, a Pharmacokinetic interaction study between atazanavir and lopinavir, both boosted with ritonavir, has beén conducted to assess the safety and pharmacokinetics of this boosted double-protease inhibitors regimen. Well to moderately-correlated cellular and plasma drug levels are .observed or protease inhibitors, whereas for efavirenz and nevirapine these correlations are weak. Cellular exposure, and CYP2B6 genotype (516G>T) are predictors of efavirenz neuropsychological toxicity. Nevirapine plasma exposure is also influenced by CYPZB6 polymorphism. Nelfinavir cellular exposure appears to be significantly associated only with ABCB1 genotype (3435C>T and intron 26 + 80T>C). Indinavir and lopinavir clearance and lopinavir cellular/plasma exposure ratio are influenced by the concentration of the variant S of ORM, suggesting-a specific binding of these drugs to this variant. Nelfinavir and efavirenz are not influenced by ORM concentration and phenotype. The Pharmacokinetic parameters of atazanavir are adequately described by our population model. The atazanavir-lopinavir interaction study indicates no influence on plasma and cellular atazanavir pharmacokinetics, while limited decrease in lopinavir concentrations was observed after atazanavir addition. The residual variability unexplained by the considered variables suggests that other covariates either uncontrolled at present or remaining to be identified, such as genetic and environmental factors influence antiretroviral drug pharmacokinetics, with substantial impact on treatment efficacy and tolerability. In that context, a comprehensive approach taking into account drug pharmacokinetics and patient genetic background is expected to contribute to increase treatment success, and to reduce the occurrence of adverse drug reactions by stratifying patients in an individualised antiretroviral therapy approach. Résumé Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une affection mortelle à une maladie chronique. En dépit de ce succès, l'échec thérapeutique et la toxicité médicamenteuse restent fréquents. Une réponse inadéquate au traitement est clairement multifactorielle et une individualisation de la posologie des médicaments qui se baserait sur les facteurs démographiques et génétiques des patients et sur les taux sanguins des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie. Par ailleurs, seules les concentrations plasmatiques sont actuellement considérées pour le suivi thérapeutique des médicaments, alors que les taux cellulaires pourraient mieux refléter l'activité de ses médicaments qui agissent au niveau intracellulaire. L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques et pharmacocénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des médicaments antirétroviraux. A cet effet, des méthodes pour quantifier les concentrations plasmatiques et cellulaires des antirétroviraux ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide couplée à la détection ultraviolette et la spectrométrie de masse en tandem, respectivement. La corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique de ces médicaments a été étudiée lors d'études observationnelles et expérimentales. Les polymorphismes du cytochrome (CYP) 2B6, ainsi que des transporteurs d'efflux (ABCB1, ABCC1, ABCC2 et ABCG2) et de l'orosomucoïde (ORM) ont été déterminés et corrélés avec l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux, ainsi qu'à leur toxicité. Un modèle de pharmacocinétique de population a été établi afin de caractériser la variabilité inter- et intra-individuelle de l'atazanavir, et d'identifier les covariables pouvant influencer le devenir de ce médicament. Dans ce contexte, une étude d'interaction entre l'atazanavir et le lopinavir a été effectuée afin de déterminer la sécurité et le profil pharmacocinétique de ce régime thérapeutique. Des corrélations modérées à bonnes ont été observées entre les taux cellulaires et plasmatiques des inhibiteurs de protéase, alors que pour l'efavirenz et la névirapine ces corrélations sont faibles. L'exposition cellulaire, ainsi que le génotype du CYP2B6 (516G>T) sont des indices de la toxicité neuropsychologique de l'efavirenz. L'exposition plasmatique de la névirapine est également influencée par le polymorphisme du CYPZB6. L'exposition cellulaire du nelfinavir est significativement associée au génotype du ABCB1 (3435C>T et intron 26 + 80T>C). La clairance de l'indinavir et du lopinavir, ainsi que le rapport entre exposition cellulaire et plasmatique du lopinavir sont influencés par la concentration du variant S de l'ORM, suggérant une liaison spécifique de ces médicaments à ce variant. La clairance du nelfinavir et de l'efavirenz n'est pas influencée ni par la concentration ni par le phénotype de l'ORM. Les paramètres pharmacocinétiques de l'atazanavir ont été décrits de façon adéquate par le modèle de population proposé. De plus, le lopinavir n'influence pas les concentrations plasmatiques et cellulaires de l'atazanavir; alors que celui-ci conduit à une baisse limitée des taux de lopinavir. L'importante variabilité pharmacocinétique des antirétroviraux suggère que d'autres facteurs génétiques et environnementaux -qui restent encore à découvrir- influencent également leur disponibilité. Dans un proche futur, une prise en charge qui tienne. compte de la pharmacocinétique des médicaments et des caractéristiques génétiques du patient devrait permettre d'individualiser le traitement, contribuant certainement à une amélioration de la réponse thérapeutique et à une diminution de la toxicité. Résumé grand public Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de l'immunodéficience humaine acquise (VIH), ont permis de transformer une maladie avec un pronostic sombre, en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, de nombreux patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement et/ou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant fréquemment une modification de leur thérapie. Actuellement, le suivi de la réponse au traitement s'effectue par la mesure chez les patients de la quantité de virus et du nombre des cellules immunitaires dans le sang, ainsi que par la concentration sanguine des médicaments administrés. Cependant, comme le virus se réplique à l'intérieur de la cellule, la mesure des concentrations médicamenteuses au niveau intracellulaire pourrait mieux refléter l'activité pharmacologique au site d'action. De plus, il a été possible de mettre en évidence la grande variabilité des concentrations plasmatiques de médicaments chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Comme cette variabilité est notamment due à des facteurs génétiques qui sont susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral, des analyses génétiques ont été également effectuées chez ces patients. Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'activité et la toxicité des médicaments antirétroviraux afin de réduire la variabilité de la réponse thérapeutique. A cet effet, une méthode de dosage permettant la quantification des médicaments anti-HIV au niveau intracellulaire a été développée. Par ailleurs, nos études ont également porté .sur les variations génétiques influençant la quantité et l'activité des protéines impliquées dans le métabolisme et dans le transport des médicaments antirétroviraux. Enfin, les conséquences de ces variations sur la réponse clinique et la toxicité du traitement ont été évaluées. Nos études ont mis en évidence des associations significatives entre les variations génétiques considérées et la concentration sanguine, cellulaire et la toxicité de quelques médicaments antirétroviraux. La complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales pourrait aboutir à une stratégie globale permettant d'individualiser le traitement et la dose administrée, en fonction des caractéristiques propres de chaque patient. Cette approche pourrait contribuer à une optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'une meilleure- efficacité thérapeutique à long terme et d'une diminution des effets indésirables rencontrés.

Exome sequencing identifies recurrent somatic MAP2K1 and MAP2K2 mutations in melanoma.

We performed exome sequencing to detect somatic mutations in protein-coding regions in seven melanoma cell lines and donor-matched germline cells. All melanoma samples had high numbers of somatic mutations, which showed the hallmark of UV-induced DNA repair. Such a hallmark was absent in tumor sample-specific mutations in two metastases derived from the same individual. Two melanomas with non-canonical BRAF mutations harbored gain-of-function MAP2K1 and MAP2K2 (MEK1 and MEK2, respectively) mutations, resulting in constitutive ERK phosphorylation and higher resistance to MEK inhibitors. Screening a larger cohort of individuals with melanoma revealed the presence of recurring somatic MAP2K1 and MAP2K2 mutations, which occurred at an overall frequency of 8%. Furthermore, missense and nonsense somatic mutations were frequently found in three candidate melanoma genes, FAT4, LRP1B and DSC1.

Comparison of different methods for thin section EM analysis of Mycobacterium smegmatis.

Bacteria are generally difficult specimens to prepare for conventional resin section electron microscopy and mycobacteria, with their thick and complex cell envelope layers being especially prone to artefacts. Here we made a systematic comparison of different methods for preparing Mycobacterium smegmatis for thin section electron microscopy analysis. These methods were: (1) conventional preparation by fixatives and epoxy resins at ambient temperature. (2) Tokuyasu cryo-section of chemically fixed bacteria. (3) rapid freezing followed by freeze substitution and embedding in epoxy resin at room temperature or (4) combined with Lowicryl HM20 embedding and ultraviolet (UV) polymerization at low temperature and (5) CEMOVIS, or cryo electron microscopy of vitreous sections. The best preservation of bacteria was obtained with the cryo electron microscopy of vitreous sections method, as expected, especially with respect to the preservation of the cell envelope and lipid bodies. By comparison with cryo electron microscopy of vitreous sections both the conventional and Tokuyasu methods produced different, undesirable artefacts. The two different types of freeze-substitution protocols showed variable preservation of the cell envelope but gave acceptable preservation of the cytoplasm, but not lipid bodies, and bacterial DNA. In conclusion although cryo electron microscopy of vitreous sections must be considered the 'gold standard' among sectioning methods for electron microscopy, because it avoids solvents and stains, the use of optimally prepared freeze substitution also offers some advantages for ultrastructural analysis of bacteria.

Update on skin cancer incidence and mortality in Europe

The epidemiology of skin cancer shows interplay between host susceptibility, (ultraviolet) environment, socioeconomical conditions and behavioural patterns. Its etiology is not yet fully elucidated and reveals intriguing questions. Fair-skinned populations have experienced over the last 60 years a rapid increase in the incidence of melanoma which is unparalleled by any other cancer, although signs of levelling off and stabilization in incidence have recently been observed in some countries. Despite many primary prevention and early detection campaigns over the last decades in Europe, decreases in melanoma mortality are modest and limited to a few countries. Further, reduction in the incidence of thick melanomas has not yet been evidenced. In this presentation, drivers for the incidence and mortality trends of skin cancer, with a strong focus on melanoma, its most lethal form, will be discussed.

Risk of prostate, breast and colorectal cancer after skin cancer diagnosis.

Ultraviolet radiation is the major cause of skin cancer, but promotes vitamin D synthesis, and vitamin D has been inversely related to the risk of several common cancers including prostate, breast and colorectum. We therefore computed the incidence of prostate, breast and colorectal cancer following skin cancer using the datasets of the Swiss cancer Registries of Vaud and Neuchâtel. Between 1974 and 2005, 6,985 histologically confirmed squamous cell skin cancers, 21,046 basal cell carcinomas and 3,346 cutaneous malignant melanomas were registered, and followed up to the end of 2005 for the occurrence of second primary cancer of the prostate, breast and colorectum. Overall, 680 prostate cancers were observed versus 568.3 expected (standardized incidence ratio (SIR) = 1.20; 95% confidence interval (CI): 1.11-1.29), 440 breast cancers were observed versus 371.5 expected (SIR = 1.18; 95% CI: 1.08-1.30) and 535 colorectal cancers were observed versus 464.6 expected (SIR = 1.15; 95% CI: 1.06-1.25). When basal cell, squamous cell and skin melanoma were considered separately, all the SIRs for prostate, breast and colorectal cancers were around or slightly above unity. Likewise, the results were consistent across strata of age at skin cancer diagnosis and location (head and neck versus others), and for male and female colorectal cancers. These findings, based on a population with a long tradition of systematic histologic examination of all surgically treated skin lesions, do not support the hypothesis that prostate, breast and colorectal cancer risk is decreased following skin cancer.

Left-sided excess of melanoma occurrence but not of other skin cancers: additional evidence.

Comment on: Butler ST, Fosko SW. Increased prevalence of left-sided skin cancers. J Am Acad Dermatol. 2010 Dec;63(6):1006-10. PMID: 20226568.

Analysis of hemoglobin-based oxygen carriers by CE-UV/Vis and CE-ESI-TOF/MS.

Blood doping involves the use of products that enhance the uptake, transport, or delivery of oxygen to the blood. One approach uses artificial oxygen carriers, known as hemoglobin-based oxygen carriers (HBOCs). This study describes an analytical strategy based on CE for detecting intact HBOCs in plasma samples collected for doping control. On-capillary detection was performed by UV/Vis at 415 nm, which offered detection selectivity for hemoproteins (such as hemoglobin and HBOCs). On-line ESI-MS detection with a TOF analyzer was further used to provide accurate masses on CE peaks and to confirm the presence of HBOCs. An immunodepletion sample preparation step was mandatory prior to analysis, in order to remove most abundant proteins that interfered with CE separation and altered the ESI process. This analytical method was successfully applied to plasma samples enriched with Oxyglobin, a commercially available HBOC used for veterinary purposes. Detection limits of 0.20 and 0.45 g/dL were achieved in plasma for CE-UV/Vis at 415 nm and CE-ESI-TOF/MS, respectively.

Plumage ornaments, bacterial colonisation and signalling in european starling, "Sturnus vulgaris"

Abstract Animal behaviours or structures are used by senders as signals to try to increase their fitness by altering the behaviour of receivers. A large fraction of studies on sexual selection have focussed on male ornaments and have demonstrated that these ornaments signal the quality of their owner and are used by female for mate choice. Although females can also exhibit conspicuous traits, studies on female ornaments are markedly lacking. In chapter 1, we show that female starlings are showier on chest whiteness than males and that females' whiteness may potentially indicate female condition at the start of breeding and provide fitness advantages to breeding birds. Furthermore we point out that feather density and abrasion are important factors shaping the expression of chest whiteness. This suggests that further understanding of the evolution of chest whiteness in Starlings requires to examine the environmental and physiological factors that shape feather condition. Plumage may suffer from damage through abrasion and bacterial activity. In chapter 2, we focus on factors that influence feather-degrading bacterial communities. Within the hypothesis that parental care can be trade-off against the demands of self-maintenance, we show that a brood size manipulation modifies the structure of feather-degrading bacterial communities and the density of free- living bacteria. Thus we have pointed out a potentially poorly known cost of reproduction. In the same context of a trade-off between reproductive activities and individual self-maintenance, chapter 3 shows that at a proximate level in females but not in males, the individual variation in time and/or energy allocated in reproductive activities is associated with prolactin hormone levels. Our study provides evidence for the existence of a sex related difference in the relationship between brood size and prolactin levels. Birds have evolved sanitation behaviours and preen gland secretions to preserve the condition of their plumage. In chapter 4, we describe a method that allows to measure preen gland in situ. Then we use this method to characterize a number of phenotypic and ecological factors that explain variation in preen gland size in free-living individuals. In parent-offspring interactions, parents use offspring signals to provision their brood. In chapter 5, we demonstrate that nestling flanges and body skin reflect in the ultra-violet (UV) wavelengths ant that parents use this UV reflectance in food allocation decisions. Résumé Certains comportements et structures chez les animaux agissent, pour ceux qui les émettent, comme des signaux permettant d'augmenter leur fitness en altérant les comportements de ceux qui les perçoivent. Une grande partie des études sur la sélection sexuelle s'est focalisée sur les ornements mâles. Ces études ont démontré que ces ornements pouvaient signaler la qualité de celui qui les porte et influencer le choix des femelles. Bien que les femelles puissent aussi présenter des traits voyants, les études sur leurs ornements font défaut. Dans le chapitre 1 de ce travail, nous montrons que les étourneaux femelles sont plus voyantes que les mâles sur la base de la blancheur de la poitrine. De plus la blancheur des femelles peut signaler leur condition au début de la saison de reproduction et ainsi être corrélée avec leur fitness. Nous mettons aussi en évidence que la densité et l'abrasion des plumes sont des facteurs importants, contrôlant l'expression de la blancheur de la poitrine. Ceci suggère que des études futures pourraient examiner le rôle des facteurs environnementaux et physiologiques qui influencent la condition des plumes pour mieux comprendre l'évolution de la blancheur chez les étourneaux. Le plumage subit des dommages à travers l'abrasion et probablement aussi par l'activité de dégradation de bactéries. Dans le chapitre 2 de ce travail, nous nous intéressons aux facteurs qui influencent les communautés de bactéries dégradant les plumes. Nous basant sur l'hypothèse selon laquelle il existe un compromis entre les soins parentaux et la maintenance corporelle, nous montrons qu'une manipulation de la taille de nichée modifie la structure des communautés de bactéries dégradant les plumes ainsi que les densités de bactéries libres présentes sur le plumage. Ainsi nous mettons en évidence un coût encore peu connu des activités de reproduction. Dans le même contexte, nous montrons, dans le chapitre 3, que des variations individuelles dans l'énergie et/ou le temps alloué dans les activités de reproduction sont associés, chez les femelles, à un niveau proximal à l'hormone prolactine. Cette relation n'est pas présente chez les mâles. Cette étude montre que la relation entre la taille de nichée et les niveaux de prolactine diffère avec le sexe des individus. Les oiseaux utilisent des comportements de nettoyage associés aux sécrétions de la glande uropygiale afin de préserver la condition de leurs plumes. Dans le chapitre 4 de ce travail, nous décrivons une méthode qui permet de mesurer la taille de la glande in situ. Puis nous caractérisons certains facteurs écologiques et physiologiques qui expliquent les variations de la taille de la glande chez des individus capturés dans leur environnement. Les parents nourrissent leur progéniture en réponse à des signaux émis par ceux-ci. Dans le chapitre 5 de ce travail, nous démontrons que les commissures et la peau sur le corps des oisillons reflètent la lumière dans l'ultraviolet. Nous montrons que les parents utilisent cette réflexion dans l'ultraviolet lors de l'allocation de nourriture pour leurs jeunes.

Expression of intercellular adhesion molecule-1 in UVA-irradiated human skin cells in vitro and in vivo.

Ultraviolet A (UVA) radiation represents an important oxidative stress to human skin and certain forms of oxidative stress have been shown to modulate intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) expression. ICAM-1 has been shown to play an important part in many immune reactions and the perturbations of this molecule by ultraviolet radiation could have implications in many inflammatory responses. An enhancement immunohistochemical method with avidin/biotin was used for analysing the early effects of UVA radiation on human cell cultures and human skin (340-400 nm). Both in vitro and in vivo data show that ICAM-1 staining in epidermal keratinocytes, which was expressed constitutively, decreased in a UVA dose-dependent manner. The decrease was most noted at 3-6 h following UVA radiation with some ICAM-1 staining returning by 48 h post-UVA. ICAM-1 positive staining in the dermis was specific for vascular structures and was increased 24 h after UVA radiation. Cultured dermal fibroblasts exhibited ICAM-1 staining which increased slightly within 6-48 h post-UVA radiation. As epidermal ICAM-1 expression is depleted following UVA radiation and dermal expression increases due to an increase in the vascular structures, ICAM-1 provides a valuable marker following UVA radiation in human skin that can be readily measured in situ.

Therapeutic drug monitoring of seven psychotropic drugs and four metabolites in human plasma by HPLC-MS.

A simple and sensitive LC-MS method was developed and validated for the simultaneous quantification of aripiprazole (ARI), atomoxetine (ATO), duloxetine (DUL), clozapine (CLO), olanzapine (OLA), sertindole (STN), venlafaxine (VEN) and their active metabolites dehydroaripiprazole (DARI), norclozapine (NCLO), dehydrosertindole (DSTN) and O-desmethylvenlafaxine (OVEN) in human plasma. The above mentioned compounds and the internal standard (remoxipride) were extracted from 0.5 mL plasma by solid-phase extraction (mix mode support). The analytical separation was carried out on a reverse phase liquid chromatography at basic pH (pH 8.1) in gradient mode. All analytes were monitored by MS detection in the single ion monitoring mode and the method was validated covering the corresponding therapeutic range: 2-200 ng/mL for DUL, OLA, and STN, 4-200 ng/mL for DSTN, 5-1000 ng/mL for ARI, DARI and finally 2-1000 ng/mL for ATO, CLO, NCLO, VEN, OVEN. For all investigated compounds, good performance in terms of recoveries, selectivity, stability, repeatability, intermediate precision, trueness and accuracy, was obtained. Real patient plasma samples were then successfully analysed.