Towards the validation of "in silico" models and physicochemical filters to identify and characterize new chemical entities

Summary: Lipophilicity plays an important role in the determination and the comprehension of the pharmacokinetic behavior of drugs. It is usually expressed by the partition coefficient (log P) in the n-octanol/water system. The use of an additional solvent system (1,2-dichlorethane/water) is necessary to obtain complementary information, as the log Poct values alone are not sufficient to explain ail biological properties. The aim of this thesis is to develop tools allowing to predict lipophilicity of new drugs and to analyze the information yielded by those log P values. Part I presents the development of theoretical models used to predict lipophilicity. Chapter 2 shows the necessity to extend the existing solvatochromic analyses in order to predict correctly the lipophilicity of new and complex neutral compounds. In Chapter 3, solvatochromic analyses are used to develop a model for the prediction of the lipophilicity of ions. A global model was obtained allowing to estimate the lipophilicity of neutral, anionic and cationic solutes. Part II presents the detailed study of two physicochemical filters. Chapter 4 shows that the Discovery RP Amide C16 stationary phase allows to estimate lipophilicity of the neutral form of basic and acidic solutes, except of lipophilic acidic solutes. Those solutes present additional interactions with this particular stationary phase. In Chapter 5, 4 different IANI stationary phases are investigated. For neutral solutes, linear data are obtained whatever the IANI column used. For the ionized solutes, their retention is due to a balance of electrostatic and hydrophobie interactions. Thus no discrimination is observed between different series of solutes bearing the same charge, from one column to an other. Part III presents two examples illustrating the information obtained thanks to Structure-Properties Relationships (SPR). Comparing graphically lipophilicity values obtained in two different solvent systems allows to reveal the presence of intramolecular effects .such as internai H-bond (Chapter 6). SPR is used to study the partitioning of ionizable groups encountered in Medicinal Chemistry (Chapter7). Résumé La lipophilie joue un .rôle important dans la détermination et la compréhension du comportement pharmacocinétique des médicaments. Elle est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) d'un composé dans le système de solvants n-octanol/eau. L'utilisation d'un deuxième système de solvants (1,2-dichloroéthane/eau) s'est avérée nécessaire afin d'obtenir des informations complémentaires, les valeurs de log Poct seules n'étant pas suffisantes pour expliquer toutes les propriétés biologiques. Le but de cette thèse est de développer des outils permettant de prédire la lipophilie de nouveaux candidats médicaments et d'analyser l'information fournie par les valeurs de log P. La Partie I présente le développement de modèles théoriques utilisés pour prédire la lipophilie. Le chapitre 2 montre la nécessité de mettre à jour les analyses solvatochromiques existantes mais inadaptées à la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés neutres. Dans le chapitre 3, la même méthodologie des analyses solvatochromiques est utilisée pour développer un modèle permettant de prédire la lipophilie des ions. Le modèle global obtenu permet la prédiction de la lipophilie de composés neutres, anioniques et cationiques. La Partie II présente l'étude approfondie de deux filtres physicochimiques. Le Chapitre 4 montre que la phase stationnaire Discovery RP Amide C16 permet la détermination de la lipophilie de la forme neutre de composés basiques et acides, à l'exception des acides très lipophiles. Ces derniers présentent des interactions supplémentaires avec cette phase stationnaire. Dans le Chapitre 5, 4 phases stationnaires IAM sont étudiées. Pour les composés neutres étudiés, des valeurs de rétention linéaires sont obtenues, quelque que soit la colonne IAM utilisée. Pour les composés ionisables, leur rétention est due à une balance entre des interactions électrostatiques et hydrophobes. Donc aucune discrimination n'est observée entre les différentes séries de composés portant la même charge d'une colonne à l'autre. La Partie III présente deux exemples illustrant les informations obtenues par l'utilisation des relations structures-propriétés. Comparer graphiquement la lipophilie mesurée dans deux différents systèmes de solvants permet de mettre en évidence la présence d'effets intramoléculaires tels que les liaisons hydrogène intramoléculaires (Chapitre 6). Cette approche des relations structures-propriétés est aussi appliquée à l'étude du partage de fonctions ionisables rencontrées en Chimie Thérapeutique (Chapitre 7) Résumé large public Pour exercer son effet thérapeutique, un médicament doit atteindre son site d'action en quantité suffisante. La quantité effective de médicament atteignant le site d'action dépend du nombre d'interactions entre le médicament et de nombreux constituants de l'organisme comme, par exemple, les enzymes du métabolisme ou les membranes biologiques. Le passage du médicament à travers ces membranes, appelé perméation, est un paramètre important à optimiser pour développer des médicaments plus puissants. La lipophilie joue un rôle clé dans la compréhension de la perméation passive des médicaments. La lipophilie est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) dans le système de solvants (non miscibles) n-octanol/eau. Les valeurs de log Poct seules se sont avérées insuffisantes pour expliquer la perméation à travers toutes les différentes membranes biologiques du corps humain. L'utilisation d'un système de solvants additionnel (le système 1,2-dichloroéthane/eau) a permis d'obtenir les informations complémentaires indispensables à une bonne compréhension du processus de perméation. Un grand nombre d'outils expérimentaux et théoriques sont à disposition pour étudier la lipophilie. Ce travail de thèse se focalise principalement sur le développement ou l'amélioration de certains de ces outils pour permettre leur application à un champ plus large de composés. Voici une brève description de deux de ces outils: 1)La factorisation de la lipophilie en fonction de certaines propriétés structurelles (telle que le volume) propres aux composés permet de développer des modèles théoriques utilisables pour la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés ou médicaments. Cette approche est appliquée à l'analyse de la lipophilie de composés neutres ainsi qu'à la lipophilie de composés chargés. 2)La chromatographie liquide à haute pression sur phase inverse (RP-HPLC) est une méthode couramment utilisée pour la détermination expérimentale des valeurs de log Poct.

Glioprotective impact of cell-permeable peptides in preclinical models of amyotrophic lateral sclerosis

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder characterized by progressive degeneration of upper and lower motor neurons. It is mostly sporadic, but about 2% of cases are associated with mutations in the gene encoding the enzyme superoxide dismutase 1 (SOD1). A major constraint to the comprehension of the pathogenesis of ALS has been long represented by the conviction that this disorder selectively affects motor neurons in a cell-autonomous manner. However, the failure to identify the events underlying the neurodegenerative process and the increased knowledge of the complex cellular interactions necessary for the correct functioning of the CNS has recently focused the attention on the contribution to neurodegeneration of glial cells, including astrocytes. Astrocytes can hurt motor neurons directly by secreting neurotoxic factors, but they can also play a deleterious role indirectly by losing functions that are supportive for neurons. Recently, we reported that a subpopulation of astrocytes degenerates in the spinal cord of hSOD1G93A transgenic mouse model of ALS. Mechanistic studies in cultured astrocytes revealed that such effect is mediated by the excitatory amino acid glutamate.On the bsis of these observations, we next used the established cell culture model as a tool to screen the glioprotective effect of innovative drugs, namely cell-permeable therapeutics. These consist of peptidic effector moieties coupled to the selective intracellular peptide transporter TAT protein. We initially validated the usefulness of these molecules demonstrating that a control fluorescent peptide enters astrocytes in culture and is retained within the cells up to 24-48 h, according to the timing of our cytotoxicity experiments. We then tested the impact of specific intracellular peptides with antiapoptotic properties on glutamate-treated hSOD1G93A- expressing astrocytes and we identified one molecule that protects the cells from death. Chronic treatment of ALS mice with this peptide had a positive impact on the outcome of the disease.

Analyse systématique et permanente de la délinquance sérielle : place des statistiques criminelles ; apport des approches situationnelles pour un système de classification ; perspectives en matière de coopération

Résumé de la thèse L'évolution des systèmes policiers donne une place prépondérante à l'information et au renseignement. Cette transformation implique de développer et de maintenir un ensemble de processus permanent d'analyse de la criminalité, en particulier pour traiter des événements répétitifs ou graves. Dans une organisation aux ressources limitées, le temps consacré au recueil des données, à leur codification et intégration, diminue le temps disponible pour l'analyse et la diffusion de renseignements. Les phases de collecte et d'intégration restent néanmoins indispensables, l'analyse n'étant pas possible sur des données volumineuses n'ayant aucune structure. Jusqu'à présent, ces problématiques d'analyse ont été abordées par des approches essentiellement spécialisées (calculs de hot-sports, data mining, ...) ou dirigées par un seul axe (par exemple, les sciences comportementales). Cette recherche s'inscrit sous un angle différent, une démarche interdisciplinaire a été adoptée. L'augmentation continuelle de la quantité de données à analyser tend à diminuer la capacité d'analyse des informations à disposition. Un bon découpage (classification) des problèmes rencontrés permet de délimiter les analyses sur des données pertinentes. Ces classes sont essentielles pour structurer la mémoire du système d'analyse. Les statistiques policières de la criminalité devraient déjà avoir répondu à ces questions de découpage de la délinquance (classification juridique). Cette décomposition a été comparée aux besoins d'un système de suivi permanent dans la criminalité. La recherche confirme que nos efforts pour comprendre la nature et la répartition du crime se butent à un obstacle, à savoir que la définition juridique des formes de criminalité n'est pas adaptée à son analyse, à son étude. Depuis près de vingt ans, les corps de police de Suisse romande utilisent et développent un système de classification basé sur l'expérience policière (découpage par phénomène). Cette recherche propose d'interpréter ce système dans le cadre des approches situationnelles (approche théorique) et de le confronter aux données « statistiques » disponibles pour vérifier sa capacité à distinguer les formes de criminalité. La recherche se limite aux cambriolages d'habitations, un délit répétitif fréquent. La théorie des opportunités soutien qu'il faut réunir dans le temps et dans l'espace au minimum les trois facteurs suivants : un délinquant potentiel, une cible intéressante et l'absence de gardien capable de prévenir ou d'empêcher le passage à l'acte. Ainsi, le délit n'est possible que dans certaines circonstances, c'est-à-dire dans un contexte bien précis. Identifier ces contextes permet catégoriser la criminalité. Chaque cas est unique, mais un groupe de cas montre des similitudes. Par exemple, certaines conditions avec certains environnements attirent certains types de cambrioleurs. Deux hypothèses ont été testées. La première est que les cambriolages d'habitations ne se répartissent pas uniformément dans les classes formées par des « paramètres situationnels » ; la deuxième que des niches apparaissent en recoupant les différents paramètres et qu'elles correspondent à la classification mise en place par la coordination judiciaire vaudoise et le CICOP. La base de données vaudoise des cambriolages enregistrés entre 1997 et 2006 par la police a été utilisée (25'369 cas). Des situations spécifiques ont été mises en évidence, elles correspondent aux classes définies empiriquement. Dans une deuxième phase, le lien entre une situation spécifique et d'activité d'un auteur au sein d'une même situation a été vérifié. Les observations réalisées dans cette recherche indiquent que les auteurs de cambriolages sont actifs dans des niches. Plusieurs auteurs sériels ont commis des délits qui ne sont pas dans leur niche, mais le nombre de ces infractions est faible par rapport au nombre de cas commis dans la niche. Un système de classification qui correspond à des réalités criminelles permet de décomposer les événements et de mettre en place un système d'alerte et de suivi « intelligent ». Une nouvelle série dans un phénomène sera détectée par une augmentation du nombre de cas de ce phénomène, en particulier dans une région et à une période donnée. Cette nouvelle série, mélangée parmi l'ensemble des délits, ne serait pas forcément détectable, en particulier si elle se déplace. Finalement, la coopération entre les structures de renseignement criminel opérationnel en Suisse romande a été améliorée par le développement d'une plateforme d'information commune et le système de classification y a été entièrement intégré.

Evolutionary and convergence stability for continuous phenotypes in finite populations derived from two-allele models.

The evolution of a quantitative phenotype is often envisioned as a trait substitution sequence where mutant alleles repeatedly replace resident ones. In infinite populations, the invasion fitness of a mutant in this two-allele representation of the evolutionary process is used to characterize features about long-term phenotypic evolution, such as singular points, convergence stability (established from first-order effects of selection), branching points, and evolutionary stability (established from second-order effects of selection). Here, we try to characterize long-term phenotypic evolution in finite populations from this two-allele representation of the evolutionary process. We construct a stochastic model describing evolutionary dynamics at non-rare mutant allele frequency. We then derive stability conditions based on stationary average mutant frequencies in the presence of vanishing mutation rates. We find that the second-order stability condition obtained from second-order effects of selection is identical to convergence stability. Thus, in two-allele systems in finite populations, convergence stability is enough to characterize long-term evolution under the trait substitution sequence assumption. We perform individual-based simulations to confirm our analytic results.

Lipid composition of fingermark residue and donor classification using GC/MS

Lipids available in fingermark residue represent important targets for enhancement and dating techniques. While it is well known that lipid composition varies among fingermarks of the same donor (intra-variability) and between fingermarks of different donors (inter-variability), the extent of this variability remains uncharacterised. Thus, this worked aimed at studying qualitatively and quantitatively the initial lipid composition of fingermark residue of 25 different donors. Among the 104 detected lipids, 43 were reported for the first time in the literature. Furthermore, palmitic acid, squalene, cholesterol, myristyl myristate and myristyl myristoleate were quantified and their correlation within fingermark residue was highlighted. Ten compounds were then selected and further studied as potential targets for dating or enhancement techniques. It was shown that their relative standard deviation was significantly lower for the intra-variability than for the inter-variability. Moreover, the use of data pretreatments could significantly reduce this variability. Based on these observations, an objective donor classification model was proposed. Hierarchical cluster analysis was conducted on the pre-treated data and the fingermarks of the 25 donors were classified into two main groups, corresponding to "poor" and "rich" lipid donors. The robustness of this classification was tested using fingermark replicates of selected donors. 86% of these replicates were correctly classified, showing the potential of such a donor classification model for research purposes in order to select representative donors based on compounds of interest.

Warming experiments underpredict plant phenological responses to climate change.

Warming experiments are increasingly relied on to estimate plant responses to global climate change. For experiments to provide meaningful predictions of future responses, they should reflect the empirical record of responses to temperature variability and recent warming, including advances in the timing of flowering and leafing. We compared phenology (the timing of recurring life history events) in observational studies and warming experiments spanning four continents and 1,634 plant species using a common measure of temperature sensitivity (change in days per degree Celsius). We show that warming experiments underpredict advances in the timing of flowering and leafing by 8.5-fold and 4.0-fold, respectively, compared with long-term observations. For species that were common to both study types, the experimental results did not match the observational data in sign or magnitude. The observational data also showed that species that flower earliest in the spring have the highest temperature sensitivities, but this trend was not reflected in the experimental data. These significant mismatches seem to be unrelated to the study length or to the degree of manipulated warming in experiments. The discrepancy between experiments and observations, however, could arise from complex interactions among multiple drivers in the observational data, or it could arise from remediable artefacts in the experiments that result in lower irradiance and drier soils, thus dampening the phenological responses to manipulated warming. Our results introduce uncertainty into ecosystem models that are informed solely by experiments and suggest that responses to climate change that are predicted using such models should be re-evaluated.

What do we gain from simplicity versus complexity in species distribution models?

Species distribution models (SDMs) are widely used to explain and predict species ranges and environmental niches. They are most commonly constructed by inferring species' occurrence-environment relationships using statistical and machine-learning methods. The variety of methods that can be used to construct SDMs (e.g. generalized linear/additive models, tree-based models, maximum entropy, etc.), and the variety of ways that such models can be implemented, permits substantial flexibility in SDM complexity. Building models with an appropriate amount of complexity for the study objectives is critical for robust inference. We characterize complexity as the shape of the inferred occurrence-environment relationships and the number of parameters used to describe them, and search for insights into whether additional complexity is informative or superfluous. By building 'under fit' models, having insufficient flexibility to describe observed occurrence-environment relationships, we risk misunderstanding the factors shaping species distributions. By building 'over fit' models, with excessive flexibility, we risk inadvertently ascribing pattern to noise or building opaque models. However, model selection can be challenging, especially when comparing models constructed under different modeling approaches. Here we argue for a more pragmatic approach: researchers should constrain the complexity of their models based on study objective, attributes of the data, and an understanding of how these interact with the underlying biological processes. We discuss guidelines for balancing under fitting with over fitting and consequently how complexity affects decisions made during model building. Although some generalities are possible, our discussion reflects differences in opinions that favor simpler versus more complex models. We conclude that combining insights from both simple and complex SDM building approaches best advances our knowledge of current and future species ranges.

Structured output SVM for remote sensing image classification

In the recent years, kernel methods have revealed very powerful tools in many application domains in general and in remote sensing image classification in particular. The special characteristics of remote sensing images (high dimension, few labeled samples and different noise sources) are efficiently dealt with kernel machines. In this paper, we propose the use of structured output learning to improve remote sensing image classification based on kernels. Structured output learning is concerned with the design of machine learning algorithms that not only implement input-output mapping, but also take into account the relations between output labels, thus generalizing unstructured kernel methods. We analyze the framework and introduce it to the remote sensing community. Output similarity is here encoded into SVM classifiers by modifying the model loss function and the kernel function either independently or jointly. Experiments on a very high resolution (VHR) image classification problem shows promising results and opens a wide field of research with structured output kernel methods.