Contribution of isotope ratio mass spectrometry to the investigation of improvised explosives: isotopic study of black powders ans ammonium nitrates

The establishment of legislative rules about explosives in the eighties has reduced the illicit use of military and civilian explosives. However, bomb-makers have rapidly taken advantage of substances easily accessible and intended for licit uses to produce their own explosives. This change in strategy has given rise to an increase of improvised explosive charges, which is moreover assisted by the ease of implementation of the recipes, widely available through open sources. While the nature of the explosive charges has evolved, instrumental methods currently used in routine, although more sensitive than before, have a limited power of discrimination and allow mostly the determination of the chemical nature of the substance. Isotope ratio mass spectrometry (IRMS) has been applied to a wide range of forensic materials. Conclusions drawn from the majority of the studies stress its high power of discrimination. Preliminary studies conducted so far on the isotopic analysis of intact explosives (pre-blast) have shown that samples with the same chemical composition and coming from different sources could be differentiated. The measurement of stable isotope ratios appears therefore as a new and remarkable analytical tool for the discrimination or the identification of a substance with a definite source. However, much research is still needed to assess the validity of the results in order to use them either in an operational prospect or in court. Through the isotopic study of black powders and ammonium nitrates, this research aims at evaluating the contribution of isotope ratio mass spectrometry to the investigation of explosives, both from a pre-blast and from a post-blast approach. More specifically, the goal of the research is to provide additional elements necessary to a valid interpretation of the results, when used in explosives investigation. This work includes a fundamental study on the variability of the isotopic profile of black powder and ammonium nitrate in both space and time. On one hand, the inter-variability between manufacturers and, particularly, the intra-variability within a manufacturer has been studied. On the other hand, the stability of the isotopic profile over time has been evaluated through the aging of these substances exposed to different environmental conditions. The second part of this project considers the applicability of this high-precision technology to traces and residues of explosives, taking account of the characteristics specific to the field, including their sampling, a probable isotopic fractionation during the explosion, and the interferences with the matrix of the site.

Isotope ratio mass spectrometry as a tool for source inference in forensic science: a critical review

Isotope ratio mass spectrometry (IRMS) has been used in numerous fields of forensic science in a source inference perspective. This review compiles the studies published on the application of isotope ratio mass spectrometry (IRMS) to the traditional fields of forensic science so far. It completes the review of Benson et al. [1] and synthesises the extent of knowledge already gathered in the following fields: illicit drugs, flammable liquids, human provenancing, microtraces, explosives and other specific materials (packaging tapes, safety matches, plastics, etc.). For each field, a discussion assesses the state of science and highlights the relevance of the information in a forensic context. Through the different discussions which mark out the review, the potential and limitations of IRMS, as well as the needs and challenges of future studies are emphasized. The paper elicits the various dimensions of the source which can be obtained from the isotope information and demonstrates the transversal nature of IRMS as a tool for source inference.

Evaluation of steroidomics by liquid chromatography hyphenated to mass spectrometry as a powerful analytical strategy for measuring human steroid perturbations.

This review presents the evolution of steroid analytical techniques, including gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS), immunoassay (IA) and targeted liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS), and it evaluates the potential of extended steroid profiles by a metabolomics-based approach, namely steroidomics. Steroids regulate essential biological functions including growth and reproduction, and perturbations of the steroid homeostasis can generate serious physiological issues; therefore, specific and sensitive methods have been developed to measure steroid concentrations. GC-MS measuring several steroids simultaneously was considered the first historical standard method for analysis. Steroids were then quantified by immunoassay, allowing a higher throughput; however, major drawbacks included the measurement of a single compound instead of a panel and cross-reactivity reactions. Targeted LC-MS methods with selected reaction monitoring (SRM) were then introduced for quantifying a small steroid subset without the problems of cross-reactivity. The next step was the integration of metabolomic approaches in the context of steroid analyses. As metabolomics tends to identify and quantify all the metabolites (i.e., the metabolome) in a specific system, appropriate strategies were proposed for discovering new biomarkers. Steroidomics, defined as the untargeted analysis of the steroid content in a sample, was implemented in several fields, including doping analysis, clinical studies, in vivo or in vitro toxicology assays, and more. This review discusses the current analytical methods for assessing steroid changes and compares them to steroidomics. Steroids, their pathways, their implications in diseases and the biological matrices in which they are analysed will first be described. Then, the different analytical strategies will be presented with a focus on their ability to obtain relevant information on the steroid pattern. The future technical requirements for improving steroid analysis will also be presented.

Systematic evaluation of matrix effects in hydrophilic interaction chromatography versus reversed phase liquid chromatography coupled to mass spectrometry.

Reversed phase liquid chromatography (RPLC) coupled to mass spectrometry (MS) is the gold standard technique in bioanalysis. However, hydrophilic interaction chromatography (HILIC) could represent a viable alternative to RPLC for the analysis of polar and/or ionizable compounds, as it often provides higher MS sensitivity and alternative selectivity. Nevertheless, this technique can be also prone to matrix effects (ME). ME are one of the major issues in quantitative LC-MS bioanalysis. To ensure acceptable method performance (i.e., trueness and precision), a careful evaluation and minimization of ME is required. In the present study, the incidence of ME in HILIC-MS/MS and RPLC-MS/MS was compared for plasma and urine samples using two representative sets of 38 pharmaceutical compounds and 40 doping agents, respectively. The optimal generic chromatographic conditions in terms of selectivity with respect to interfering compounds were established in both chromatographic modes by testing three different stationary phases in each mode with different mobile phase pH. A second step involved the assessment of ME in RPLC and HILIC under the best generic conditions, using the post-extraction addition method. Biological samples were prepared using two different sample pre-treatments, i.e., a non-selective sample clean-up procedure (protein precipitation and simple dilution for plasma and urine samples, respectively) and a selective sample preparation, i.e., solid phase extraction for both matrices. The non-selective pretreatments led to significantly less ME in RPLC vs. HILIC conditions regardless of the matrix. On the contrary, HILIC appeared as a valuable alternative to RPLC for plasma and urine samples treated by a selective sample preparation. Indeed, in the case of selective sample preparation, the compounds influenced by ME were different in HILIC and RPLC, and lower and similar ME occurrence was generally observed in RPLC vs. HILIC for urine and plasma samples, respectively. The complementary of both chromatographic modes was also demonstrated, as ME was observed only scarcely for urine and plasma samples when selecting the most appropriate chromatographic mode.

Pharmacokinetics and pharmacogenomics of once-daily raltegravir and atazanavir in healthy volunteers.

Atazanavir inhibits UDP-glucuronyl-transferase-1A1 (UGT1A1), which metabolizes raltegravir, but the magnitude of steady-state inhibition and role of the UGT1A1 genotype are unknown. Sufficient inhibition could lead to reduced-dose and -cost raltegravir regimens. Nineteen healthy volunteers, age 24 to 51 years, took raltegravir 400 mg twice daily (arm A) and 400 mg plus atazanavir 400 mg once daily (arm B), separated by ?3 days, in a crossover design. After 1 week on each regimen, raltegravir and raltegravir-glucuronide plasma and urine concentrations were measured by liquid chromatography-tandem mass spectrometry in multiple samples obtained over 12 h (arm A) or 24 h (arm B) and analyzed by noncompartmental methods. UGT1A1 promoter variants were detected with a commercially available kit and published primers. The primary outcome was the ratio of plasma raltegravir C(tau), or concentration at the end of the dosing interval, for arm B (24 h) versus arm A (12 h). The arm B-to-arm A geometric mean ratios (95% confidence interval, P value) for plasma raltegravir C(tau), area under the concentration-time curve from 0 to 12 h (AUC(0-12)), and raltegravir-glucuronide/raltegravir AUC(0-12) were 0.38 (0.22 to 0.65, 0.001), 1.32 (0.62 to 2.81, 0.45), and 0.47 (0.38 to 0.59, <0.001), respectively. Nine volunteers were heterozygous and one was homozygous for a UGT1A1 reduction-of-function allele, but these were not associated with metabolite formation. Although atazanavir significantly reduced the formation of the glucuronide metabolite, its steady-state boosting of plasma raltegravir did not render the C(tau) with a once-daily raltegravir dose of 400 mg similar to the C(tau) with the standard twice-daily dose. UGT1A1 promoter variants did not significantly influence this interaction.

Proteomic and Metabolomic Analyses of Mitochondrial Complex I-deficient Mouse Model Generated by Spontaneous B2 Short Interspersed Nuclear Element (SINE) Insertion into NADH Dehydrogenase (Ubiquinone) Fe-S Protein 4 (Ndufs4) Gene.

Eukaryotic cells generate energy in the form of ATP, through a network of mitochondrial complexes and electron carriers known as the oxidative phosphorylation system. In mammals, mitochondrial complex I (CI) is the largest component of this system, comprising 45 different subunits encoded by mitochondrial and nuclear DNA. Humans diagnosed with mutations in the gene NDUFS4, encoding a nuclear DNA-encoded subunit of CI (NADH dehydrogenase ubiquinone Fe-S protein 4), typically suffer from Leigh syndrome, a neurodegenerative disease with onset in infancy or early childhood. Mitochondria from NDUFS4 patients usually lack detectable NDUFS4 protein and show a CI stability/assembly defect. Here, we describe a recessive mouse phenotype caused by the insertion of a transposable element into Ndufs4, identified by a novel combined linkage and expression analysis. Designated Ndufs4(fky), the mutation leads to aberrant transcript splicing and absence of NDUFS4 protein in all tissues tested of homozygous mice. Physical and behavioral symptoms displayed by Ndufs4(fky/fky) mice include temporary fur loss, growth retardation, unsteady gait, and abnormal body posture when suspended by the tail. Analysis of CI in Ndufs4(fky/fky) mice using blue native PAGE revealed the presence of a faster migrating crippled complex. This crippled CI was shown to lack subunits of the "N assembly module", which contains the NADH binding site, but contained two assembly factors not present in intact CI. Metabolomic analysis of the blood by tandem mass spectrometry showed increased hydroxyacylcarnitine species, implying that the CI defect leads to an imbalanced NADH/NAD(+) ratio that inhibits mitochondrial fatty acid β-oxidation.

Simultaneous LC-MS/MS quantification of P-glycoprotein and cytochrome P450 probe substrates and their metabolites in DBS and plasma.

BACKGROUND: An LC-MS/MS method has been developed for the simultaneous quantification of P-glycoprotein (P-gp) and cytochrome P450 (CYP) probe substrates and their Phase I metabolites in DBS and plasma. P-gp (fexofenadine) and CYP-specific substrates (caffeine for CYP1A2, bupropion for CYP2B6, flurbiprofen for CYP2C9, omeprazole for CYP2C19, dextromethorphan for CYP2D6 and midazolam for CYP3A4) and their metabolites were extracted from DBS (10 µl) using methanol. Analytes were separated on a reversed-phase LC column followed by SRM detection within a 6 min run time. RESULTS: The method was fully validated over the expected clinical concentration range for all substances tested, in both DBS and plasma. The method has been successfully applied to a PK study where healthy male volunteers received a low dose cocktail of the here described P-gp and CYP probes. Good correlation was observed between capillary DBS and venous plasma drug concentrations. CONCLUSION: Due to its low-invasiveness, simple sample collection and minimal sample preparation, DBS represents a suitable method to simultaneously monitor in vivo activities of P-gp and CYP.

Optimisation of antiretroviral therapy : pharmacokinetic and pharmacogenetic approaches

Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une condition inévitablement fatale 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 totaux, libres et/ou cellulaires des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie, cette dernière étant certainement un enjeu majeur pour un traitement qui se prend à vie.L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques (PK) et pharmacogénétiques (PG) influençant l'exposition aux médicaments antirétroviraux (ARVs) nous offrant ainsi une base rationnelle pour l'optimisation du traitement antiviral et pour l'ajustement posologique des médicaments chez les patients VIH-positifs. Une thérapie antirétrovirale adaptée au patient est susceptible d'augmenter la probabilité d'efficacité et de tolérance à ce traitement, permettant ainsi une meilleure compliance à long terme, et réduisant le risque d'émergence de résistance et d'échec thérapeutique.A cet effet, des méthodes de quantification des concentrations plasmatiques totales, libres et cellulaires des ARVs ainsi que de certains de leurs métabolites ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide coupée à la spectrométrie de masse en tandem. Ces méthodes ont été appliquées pour la surveillance des taux d'ARVs dans diverses populations de patients HIV-positifs. Une étude clinique a été initiée dans le cadre de l'étude VIH Suisse de cohorte mère-enfant afin de déterminer si la grossesse influence la cinétique des ARVs. Les concentrations totales et libres du lopînavir, de l'atazanavir et de la névirapine ont été déterminées chez les femmes enceintes suivies pendant leur grossesse, et celles-ci ont été trouvées non influencées de manière cliniquement significative par la grossesse. Un ajustement posologique de ces ARVs n'est donc pas nécessaire chez les femmes enceintes. Lors d'une petite étude chez des patients HIV- positifs expérimentés, la corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique des nouveaux ARVs, notamment le raltégravir, a été déterminée. Une bonne corrélation a été obtenue entre taux plasmatiques et cellulaires de raltégravir, suggérant que la surveillance des taux totaux est un substitut satisfaisant. Cependant, une importante variabilité inter¬patient a été observée dans les ratios d'accumulation cellulaire du raltégravir, ce qui devrait encourager des investigations supplémentaires chez les patients en échec sous ce traitement. L'efficacité du suivi thérapeutique des médicaments (TDM) pour l'adaptation des taux d'efavirenz chez des patients avec des concentrations au-dessus de la cible thérapeutique recommandée a été évaluée lors d'une étude prospective. L'adaptation des doses d'efavirenz basée sur le TDM s'est montrée efficace et sûre, soutenant l'utilisation du TDM chez les patients avec concentrations hors cible thérapeutique. L'impact des polymorphismes génétiques des cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 et 3A4/5 sur la pharmacocinétique de l'efavirenz et de ces métabolites a été étudié : un modèle de PK de population intégrant les covariats génétiques et démographiques a été construit. Les variations génétiques fonctionnelles dans les voies de métabolisation principales (CYP2B6) et accessoires {CYP2A6et 3A4/S) de l'efavirenz ont un impact sur sa disposition, et peuvent mener à des expositions extrêmes au médicament. Un? ajustement des doses guidé par le TDM est donc recommandé chez ces patients, en accord avec les polymorphismes génétiques.Ainsi, nous avons démonté qu'en utilisant une approche globale tenant compte à la fois des facteurs PK et PG influençant l'exposition aux ARVs chez les patients infectés, il est possible, si nécessaire, d'individualiser la thérapie antirétrovirale dans des situations diverses. L'optimisation du traitement antirétroviral contribue vraisemblablement à une meilleure efficacité thérapeutique à iong terme tout en réduisant la survenue d'effets indésirables.Résumé grand publicOptimisation de la thérapie antirétrovirale: approches pharmacocinétiques et pharmacogénétiquesLes progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de llmmunodéficienoe humaine acquise (VIH) ont permis de transformer une affection mortelle en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, un certain nombre de patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement etyou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant de fréquentes modifications dans leur thérapie. Il a été possible de mettre en évidence que l'efficacité d'un traitement antirétroviral est dans la plupart des cas corrélée aux concentrations de médicaments mesurées dans le sang des patients. Cependant, le virus se réplique dans la cellule, et seule la fraction des médicaments non liée aux protéines du plasma sanguin peut entrer dans la cellule et exercer l'activité antirétrovirale au niveau cellulaire. Il existe par ailleurs une importante variabilité des concentrations sanguines de médicament chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Cette variabilité peut être due à des facteurs démographiques et/ou génétiques susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral.Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'efficacité et ta toxicité des médicaments antirétroviraux, dans le but d'individualiser la thérapie antivirale et d'améliorer le suivi des patients HIV-positifs.A cet effet, des méthodes de dosage très sensibles ont été développées pour permettre la quantification des médicaments antirétroviraux dans le sang et les cellules. Ces méthodes analytiques ont été appliquées dans le cadre de diverses études cliniques réalisées avec des patients. Une des études cliniques a recherché s'il y avait un impact des changements physiologiques liés à la grossesse sur les concentrations des médicaments antirétroviraux. Nous avons ainsi pu démontrer que la grossesse n'influençait pas de façon cliniquement significative le devenir des médicaments antirétroviraux chez les femmes enceintes HIV- positives. La posologie de médicaments ne devrait donc pas être modifiée dans cette population de patientes. Par ailleurs, d'autres études ont portés sur les variations génétiques des patients influençant l'activité enzymatique des protéines impliquées dans le métabolisme des médicaments antirétroviraux. Nous avons également étudié l'utilité d'une surveillance des concentrations de médicament (suivi thérapeutique) dans le sang des patients pour l'individualisation des traitements antiviraux. Il a été possible de mettre en évidence des relations significatives entre l'exposition aux médicaments antirétroviraux et l'existence chez les patients de certaines variations génétiques. Nos analyses ont également permis d'étudier les relations entre les concentrations dans le sang des patients et les taux mesurés dans les cellules où le virus HIV se réplique. De plus, la mesure des taux sanguins de médicaments antirétroviraux et leur interprétation a permis d'ajuster la posologie de médicaments chez les patients de façon efficace et sûre.Ainsi, la complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales s'inscrit dans l'optique d'une stratégie globale de prise en charge du patient et vise à l'individualisation de la thérapie antirétrovirale en fonction des caractéristiques propres de chaque individu. Cette approche contribue ainsi à l'optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'un succès du traitement à long terme tout en réduisant la probabilité des effets indésirables rencontrés. - The improvement in antirétroviral therapy has transformed HIV infection from an inevitably fatal condition to a chronic, manageable 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 total, free and/or cellular drug level may increase both drug efficacy and tolerability. Drug tolerability is certainly a major issue for a treatment that must be taken indefinitely.The global objective of this thesis aimed at increasing our current understanding of pharmacokinetic (PK) and pharmacogenetic (PG) factors influencing the exposition to antirétroviral drugs (ARVs) in HIV-positive patients. In turn, this should provide us with a rational basis for antiviral treatment optimisation and drug dosage adjustment in HIV- positive patients. Patient's tailored antirétroviral regimen is likely to enhance treatment effectiveness and tolerability, enabling a better compliance over time, and hence reducing the probability of emergence of viral resistance and treatment failure.To that endeavour, analytical methods for the measurement of total plasma, free and cellular concentrations of ARVs and some of their metabolites have been developed and validated using liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. These assays have been applied for the monitoring of ARVs levels in various populations of HIV- positive patients. A clinical study has been initiated within the frame of the Mother and Child Swiss HIV Cohort Study to determine whether pregnancy influences the exposition to ARVs. Free and total plasma concentrations of lopinavir, atazanavir and nevirapine have been determined in pregnant women followed during the course of pregnancy, and were found not influenced to a clinically significant extent by pregnancy. Dosage adjustment for these drugs is therefore not required in pregnant women. In a study in treatment- experienced HIV-positive patients, the correlation between cellular and total plasma exposure to new antirétroviral drugs, notably the HIV integrase inhibitor raltegravir, has been determined. A good correlation was obtained between total and cellular levels of raltegravir, suggesting that monitoring of total levels are a satisfactory. However, significant inter-patient variability was observed in raltegravir cell accumulation which should prompt further investigations in patients failing under an integrase inhibitor-based regimen. The effectiveness of therapeutic drug monitoring (TDM) to guide efavirenz dose reduction in patients having concentrations above the recommended therapeutic range was evaluated in a prospective study. TDM-guided dosage adjustment of efavirenz was found feasible and safe, supporting the use of TDM in patients with efavirenz concentrations above therapeutic target. The impact of genetic polymorphisms of cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 and 3A4/5 on the PK of efavirenz and its metabolites was studied: a population PK model was built integrating both genetic and demographic covariates. Functional genetic variations in main (CYP2B6) and accessory (2A6, 3A4/5) metabolic pathways of efavirenz have an impact on efavirenz disposition, and may lead to extreme drug exposures. Dosage adjustment guided by TDM is thus required in those patients, according to the pharmacogenetic polymorphism.Thus, we have demonstrated, using a comprehensive approach taking into account both PK and PG factors influencing ARVs exposure in HIV-infected patients, the feasibility of individualising antirétroviral therapy in various situations. Antiviral treatment optimisation is likely to increase long-term treatment success while reducing the occurrence of adverse drug reactions.

Validation and long-term evaluation of a modified on-line chiral analytical method for therapeutic drug monitoring of (R,S)-methadone in clinical samples.

Matrix effects, which represent an important issue in liquid chromatography coupled to mass spectrometry or tandem mass spectrometry detection, should be closely assessed during method development. In the case of quantitative analysis, the use of stable isotope-labelled internal standard with physico-chemical properties and ionization behaviour similar to the analyte is recommended. In this paper, an example of the choice of a co-eluting deuterated internal standard to compensate for short-term and long-term matrix effect in the case of chiral (R,S)-methadone plasma quantification is reported. The method was fully validated over a concentration range of 5-800 ng/mL for each methadone enantiomer with satisfactory relative bias (-1.0 to 1.0%), repeatability (0.9-4.9%) and intermediate precision (1.4-12.0%). From the results obtained during validation, a control chart process during 52 series of routine analysis was established using both intermediate precision standard deviation and FDA acceptance criteria. The results of routine quality control samples were generally included in the +/-15% variability around the target value and mainly in the two standard deviation interval illustrating the long-term stability of the method. The intermediate precision variability estimated in method validation was found to be coherent with the routine use of the method. During this period, 257 trough concentration and 54 peak concentration plasma samples of patients undergoing (R,S)-methadone treatment were successfully analysed for routine therapeutic drug monitoring.

Clinical and pharmacogenetic study on smoking and smoking cessation

Currently, smoking cessation represents one of the main strategies to reduce the incidence of tobacco-related diseases in the population. Smoking can also influence pharmacotherapy through several pharmacokinetic or pharmacodynamic interactions. Some of the most concerned drugs are those metabolized by the cytochrome P450 (CYP) 1A2 enzyme (e.g. caffeine, theophylline, clozapine, olanzapine, duloxetine), whose activity is induced by the polycyclic aromatic hydrocarbons found in tobacco smoke. This can result in a clinically significant decrease in the pharmacological effect of the drugs and the need of higher doses in smokers. Conversely, upon smoking cessation, toxic plasma levels of the drugs can be reached. The main objective of this thesis was to study the interindividual variability in CYP1A2 induction in a large cohort of smokers, by measuring CYP1A2 activity before smoking cessation and one month later in continuously abstinent subjects. For this purpose, a clinical study was conducted, including 194 smokers from the general population who wished to participate in a smoking cessation program and therefore received medical counseling and substitution therapy (nicotine or varenicline). An analytical method for the simultaneous quantification of nicotine, its metabolites and varenicline in plasma was developed and validated using ultra performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. This method was used to confirm abstinence at different time points during the follow-up. Moreover, it was used to determine plasma levels of the smoking cessation drugs, to be used in the study of their pharmacogenetics, which was the secondary objective of this thesis. High interindividual variability in CYP1A2 induction by smoking was observed, ranging from no change to approximately 7 times decreased CYP1A2 activity after smoking cessation. Several clinical and genetic factors were investigated in an attempt to explain this variability. Firstly, a significant influence of CYP1A2*1F and *1D alleles, of contraceptive use and of the number of cigarettes smoked per day on CYP1A2 induced activity was observed, and of CYP1A2*1F and the use of contraceptives on the basal activity. But no influence of these factors was found on CYP1A2 inducibility. Given that known genetic polymorphisms in CYP1A2 gene were shown to explain only poorly the observed variations in activity, additional genetic factors were studied. SNPs in the CYP oxidoreductase (POR) gene were found to influence CYP1A2 basal activity, but not the induction. Finally, a pathway-based approach allowed to identify SNPs in genes coding for nuclear receptors (CAR, RXRa, VDR, PXR) and induction-mediating receptors (AhR), which significantly influenced CYP1A2 inducibility and basal activity (SNPs in the gene coding for CAR and RXRa). As secondary objective of the study, the pharmacogenetics of nicotine and varenicline is being investigated. Therefore, the nicotine metabolite ratio is used in the attempt to better explain nicotine dependence and the failure/success of quitting smoking. A population pharmacokinetic model is being developed for varenicline, integrating clinical and genetic factors (genes coding for its metabolizing enzymes and transporters), with the purpose of trying to predict efficacy and side effects. These findings suggest that the influence of smoking on pharmacotherapy could be better managed by including clinical and possibly in the future genetic factors, in the assessment of the adaptations needed when a person starts or stops smoking.  - L'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci. Le tabagisme peut influencer la thérapie médicamenteuse par des interactions pharmacocinétiques ou pharmacodynamiques. Parmi les médicaments concernés, il y a ceux métabolisés par le cytochrome P450 (CYP) 1A2 (caféine, théophylline, clozapine, olanzapine, duloxétine, etc), dont l'activité enzymatique est induite par les hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans la fumée de cigarette. Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet pharmacologique du traitement et la nécessité d'augmenter les doses d'entretien chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, les taux plasmatiques des médicaments peuvent devenir toxiques. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 dans une large cohorte de fumeurs, par la mesure de l'activité du CYP1A2 avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement pharmacologique (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique pour la quantification simultanée de la nicotine, ses métabolites et la varénicline dans le plasma par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem à été développée et validée. Cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude et déterminer les taux plasmatiques des médicaments, dans le but d'étudier leur pharmacogénétique. Une grande variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 par la fumée a été observée, parfois sans changement et pouvant aller jusqu'à une diminution d'environ 7 fois l'activité du CYP1A2 après l'arrêt de la cigarette. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Tout d'abord, on a observé une influence significative: des allèles CYP1A2*1F et *1D, des contraceptifs et du nombre de cigarettes fumées par jour sur l'activité induite du CYP1A2, ainsi que l'influence de l'allèle *1F et des contraceptifs sur l'activité basale. Cependant, aucune influence de ces facteurs n'a été démontrée sur l'inductibilité du CYP1A2. Étant donné que les polymorphismes génétiques du CYP1A2 apportent peu de renseignements sur la variabilité de son activité, des facteurs génétiques supplémentaires ont été étudiés. Des polymorphismes dans le gène POR (CYP oxidoreductase) ont été associés à l'activité basale du CYP1A2, mais pas à l'induction. Finalement, une approche basée sur la voie de signalisation du CYP1A2 a permis d'identifier des polymorphismes dans des gènes codant pour des récepteurs nucléaires (CAR, RXRa, VDR, PXR) et d'autres liés à l'induction (AhR) qui influencent significativement l'inductibilité et l'activité basale (les SNPs du CAR et RXRa). L'objectif secondaire de cette étude était d'investiguer la pharmacogénétique de la nicotine et de la varénicline. Le ratio métabolique de la nicotine est utilisé pour mieux expliquer la dépendance à la nicotine et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Un modèle pharmacocinétique de population est en cours de développement pour la varénicline, intégrant des facteurs cliniques et génétiques (gènes codant pour ses enzymes de métabolisme et transporteurs), pour tenter de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la pharmacothérapie serait mieux gérée par l'inclusion des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, génétiques, dans l'évaluation des adaptations nécessaires lorsqu'une personne fume ou arrête de fumer.  - l'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci dans la population. Le tabagisme peut influencer les traitements médicamenteux, soit en modifiant leur élimination par l'organisme, soit en agissant sur leur mode d'action. Parmi les médicaments les plus concernés, on retrouve par exemple: la caféine, la théophylline, la clozapine, l'olanzapine, la duloxétine, dont l'élimination est accélérée par la fumée de cigarette (induction enzymatique). Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet du traitement et la nécessité d'en augmenter les doses chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, on observe un ralentissement de la fonction enzymatique, qui a pour conséquence une augmentation du taux de médicament dans le sang, pouvant devenir toxique. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier comment cette induction par le tabac varie dans une population de fumeurs, par la mesure de l'activité de l'enzyme avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement médicamenteux (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique a été mise au point pour mesurer la quantité de nicotine, de ses produits de dégradation et de la varénicline dans le sang des participants à l'étude. De plus, cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude. Une grande variabilité interindividuelle a été observée dans l'induction de l'enzyme par la fumée; il en résulte aucun changement d'activité chez certains sujets après l'arrêt de la cigarette, alors que pour d'autres elle peut être diminuée jusqu'à 7 fois. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Premièrement, une influence sur l'activité de l'enzyme a été observée pour les contraceptifs hormonaux et le nombre de cigarettes fumées par jour, ainsi que pour certaines variations génétiques dans le gène codant pour l'enzyme d'intérêt, mais il η y a pas eu d'influence sur l'induction. Par la suite, des variations génétiques dans d'autres gènes influençant le fonctionnement de l'enzyme ont été associées soit avec son activité, soit avec son induction par le tabac. Finalement, l'étude propose également d'investiguer si le métabolisme de la nicotine a une influence sur la dépendance, les symptômes de sevrage et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Des variations génétiques dans les gènes du métabolisme de la varénicline sont également étudiées en lien avec les quantités de varénicline mesurées dans le sang ainsi que les effets du médicament. Ceci permettra peut-être de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la thérapie médicamenteuse serait mieux gérée en tenant compte des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, de la génétique dans l'adaptation des traitements, que la personne soit fumeuse ou en phase d'arrêt.

Intérêt de l'éthylglucuronide comme marqueur d'abus d'alcool, aspects analytiques, diagnostiques et médico-légaux

RESUMEUne consommation excessive et chronique d'alcool est associée à une augmentation significative de la morbidité et de la mortalité. L'identification de marqueurs biologiques fiables, permettant de mettre en évidence une consommation excessive et chronique, présente donc un intérêt certain pour prévenir les conséquences néfastes de l'abus d'alcool. L'approche couramment employée consiste à mesurer les marqueurs biologiques indirects dans le sang, tels que les marqueurs hépatiques dont l'augmentation peut résulter d'une consommation chronique et excessive d'alcool. Cependant, leur valeur diagnostique est souvent limitée par leur manque de sensibilité et/ou de spécificité et leur combinaison est généralement recommandée pour améliorer le diagnostic. A ce jour, il n'existe pas de marqueur biologique permettant le diagnostic fiable d'une consommation chronique et excessive d'alcool.L'objectif principal de cette thèse était d'évaluer la pertinence de l'éthylglucuronide (EtG), un métabolite direct de l'éthanol présentant la particularité d'être incorporé dans les cheveux, comme marqueur d'une consommation chronique et excessive d'alcool. Dans un premier temps, une revue de la littérature a permis de dresser un état des lieux de l'usage de l'EtG et d'identifier les axes de réflexion. L'EtG s'est révélé être un marqueur efficace pour identifier une consommation chronique et excessive d'alcool. Cependant, l'absence de seuil de positivité fiable et une méconnaissance des facteurs influençant l'incorporation de l'EtG dans les cheveux ont été mises en évidence. Afin d'investiguer ces différents points, deux études ont été conduites : (1) une étude chez le rat pour tenter de comprendre les facteurs influençant l'incorporation de l'EtG dans les cheveux et étudier la relation entre la quantité d'alcool administrée et la concentration d'EtG mesurée dans les cheveux; et (2) une étude clinique afin de déterminer les performances diagnostiques de l'EtG comme marqueur d'une consommation excessive et chronique d'alcool. Une méthode analytique sensible et sélective par chromatographic gazeuse couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée et appliquée à l'analyse de l'EtG dans les cheveux.Le sang semblait jouer un rôle majeur dans l'incorporation de l'EtG dans les poils. Son incorporation n'était pas influencée par la pigmentation. La concentration d'EtG mesurée dans les poils de rats reflétait la dose d'éthanol administrée. De plus, la mesure de l'EtG dans les cheveux humains a démontré de très bonnes performances diagnostiques pour détecter une consommation excessive et chronique d'alcool. Les performances diagnostiques de l'EtG surpassaient celles des marqueurs hépatiques usuels seuls ou combinés. L'EtG n'était pas influencé par l'âge, le sexe ou l'indice de masse corporelle. Un seuil de positivité de 25 pg/mg permettait de détecter les consommateurs à usage nocif avec une grande fiabilité. Un seuil de positivité de 9 pg/mg permettait de détecter les consommateurs à risque.SUMMARYChronic and excessive alcohol consumption is associated with a significant increase of morbidity and mortality. The identification of a reliable biomarker to detect chronic and excessive alcohol consumers would be valuable to prevent alcohol's harmful effects. The combined analysis of 2 or more hepatic biomarkers, which are known to be increased following sustained alcohol consumption, is usually applied to enhance the diagnostic performance in identifying chronic and excessive alcohol consumers. However, their diagnostic value is often limited by their lack of sensitivity and / or specificity and their combination is generally recommended to improve diagnosis. To date, there are no reliable biomarkers available for diagnosing chronic and excessive alcohol consumption.The main objective of this research was to evaluate the relevance of EtG, a direct alcohol metabolite, as a biomarker of chronic and excessive alcohol consumption, thanks to its characteristic to incorporate into hair. First, a review of literature on the use of EtG was carried out. EtG demonstrated strong potential in detecting chronic and excessive alcohol consumption. However, the lack of reliable cutoff and the unawareness of factors that affect the EtG incorporation into hair were stressed. To investigate these points, two studies have been conducted: (1) a nonclinical study in rats to determine the factors affecting the incorporation of EtG into hair as well as to investigate the relationship between the amount of alcohol administered and the EtG concentration measured in hair; and (2) a clinical study to determine the diagnostic performance of EtG as a biomarker for the identification of chronic and excessive alcohol consumers. A sensitive and specific Gas Chromatography-Mass Spectrometry coupled to tandem Mass Spectrometry method has been developed and applied to hair EtG analysis.Bloodstream seemed to play a major role in the EtG incorporation into hair. EtG incorporation into rat hair was not affected by hair pigmentation. EtG concentration in rat hair appeared to reflect the EtG concentration in blood. Besides, EtG demonstrated strong diagnostic performance in detecting both heavy alcohol consumption and at-risk alcohol consumption, and clearly outperformed diagnostic performance of hepatic biomarkers. In contrast with hepatic biomarkers, EtG was not associated with age, gender or body mass index. A reliable cutoff value of 25 pg/mg allowed to detect heavy drinkers; a reliable cutoff value of 9 pg/mg allowed to detect at-risk drinkers.

A one-year monitoring of nicotine use in sport: frontier between potential performance enhancement and addiction issues.

Tobacco consumption is a global epidemic responsible for a vast burden of disease. With pharmacological properties sought-after by consumers and responsible for addiction issues, nicotine is the main reason of this phenomenon. Accordingly, smokeless tobacco products are of growing popularity in sport owing to potential performance enhancing properties and absence of adverse effects on the respiratory system. Nevertheless, nicotine does not appear on the 2011 World Anti-Doping Agency (WADA) Prohibited List or Monitoring Program by lack of a comprehensive large-scale prevalence survey. Thus, this work describes a one-year monitoring study on urine specimens from professional athletes of different disciplines covering 2010 and 2011. A method for the detection and quantification of nicotine, its major metabolites (cotinine, trans-3-hydroxycotinine, nicotine-N'-oxide and cotinine-N-oxide) and minor tobacco alkaloids (anabasine, anatabine and nornicotine) was developed, relying on ultra-high pressure liquid chromatography coupled to triple quadrupole mass spectrometry (UHPLC-TQ-MS/MS). A simple and fast dilute-and-shoot sample treatment was performed, followed by hydrophilic interaction chromatography-tandem mass spectrometry (HILIC-MS/MS) operated in positive electrospray ionization (ESI) mode with multiple reaction monitoring (MRM) data acquisition. After method validation, assessing the prevalence of nicotine consumption in sport involved analysis of 2185 urine samples, accounting for 43 different sports. Concentrations distribution of major nicotine metabolites, minor nicotine metabolites and tobacco alkaloids ranged from 10 (LLOQ) to 32,223, 6670 and 538 ng/mL, respectively. Compounds of interest were detected in trace levels in 23.0% of urine specimens, with concentration levels corresponding to an exposure within the last three days for 18.3% of samples. Likewise, hypothesizing conservative concentration limits for active nicotine consumption prior and/or during sport practice (50 ng/mL for nicotine, cotinine and trans-3-hydroxycotinine and 25 ng/mL for nicotine-N'-oxide, cotinine-N-oxide, anabasine, anatabine and nornicotine) revealed a prevalence of 15.3% amongst athletes. While this number may appear lower than the worldwide smoking prevalence of around 25%, focusing the study on selected sports highlighted more alarming findings. Indeed, active nicotine consumption in ice hockey, skiing, biathlon, bobsleigh, skating, football, basketball, volleyball, rugby, American football, wrestling and gymnastics was found to range between 19.0 and 55.6%. Therefore, considering the adverse effects of smoking on the respiratory tract and numerous health threats detrimental to sport practice at top level, likelihood of smokeless tobacco consumption for performance enhancement is greatly supported.