Medetomidiinin glukuronidaation inhibitio

Lääkeainemetabolialla tarkoitetaan entsymaattisia reaktioita, jotka muuttavat lääkeaineita paremmin elimistöstä poistuvaan muotoon. Lääkeaineet voivat vaikuttaa toistensa metaboliaan inhiboimalla tai indusoimalla metaboloivia entsyymejä. Tällaisten interaktioiden seurauksena lääkeaineen pitoisuus elimistössä voi kasvaa jopa toksiseksi tai vähentyä merkittävästi. Tämä on erityisesti ongelmana silloin, kun käytössä on useita lääkkeitä samanaikaisesti. Lääketutkimuksessa onkin keskitytty tällaisten interaktioiden ennustamiseen ja niitä yritetään välttää tai ainakin vähentää. Työssä tutkittiin medetomidiinia, jonka on äskettäin havaittu metaboloituvan UDP-glukuronosyylitransferaasien (UGT) välityksellä. Työn tarkoituksena oli löytää medetomidiinin glukuronidaatiota inhiboivia yhdisteitä. Lisäksi haluttiin selvittää mahdollisen inhibition mekanismeja. On yleistä tutkia tietyn entsyymin substraatin interaktioita muiden saman perheen entsyymien kanssa. On kuitenkin harvinaisempaa tutkia tällaisia interaktioita kahden eri entsyymiperheen välillä. Tässä työssä tutkittiin inhiboivatko mahdolliset sytokromi P450 -entsyymiä (CYP) inhiboivat yhdisteet myös medetomidiinia glukuronoivia UDP-glukuronosyylitransferaaseja. Glukuronidaation inhibitiota tutkittiin HPLC-menetelmällä, joka on kehitetty aiemmin medetomidiinin glukuronidaation tutkimiseen. Aluksi glukuronidaatiota tutkittiin ilman inhibiittoreita. Tämän jälkeen tutkittiin kolmen mahdollisen inhibiittoriyhdisteen vaikutuksia medetomidiinin glukuronidaatioon ja tuloksia verrattiin ilman inhibiittoria saatuihin tuloksiin. Kolmen tutkitun yhdisteen havaittiin inhiboivan medetomidiinin glukuronidaatiota. Tutkimuksessa havaittiin myös mielenkiintoinen ilmiö, jossa inhibiittoriyhdisteen sitoutuminen aiheutti entsyymikineettisiä muutoksia UDP-glukuronosyylitransferaasin toiminnassa. On mielenkiintoista, että samat yhdisteet inhiboivat sekä CYP- että UGT-metaboliaa. Tulosten perusteella voidaan päätellä, että jos CYP ja UGT metaboloivat samaa yhdistettä, on mahdollista että yhdisteen rakenteelliset analogit aiheuttavat interaktioita molempien entsyymien kanssa. Uusia lääkeaineita kehitettäessä onkin otettava huomioon yleisesti tunnettujen CYP-entsyymien lisäksi myös UGT:t ja niiden mahdolliset yhteisvaikutukset.

Chemical contaminants, pathogen exposure and general health status of live and beach-cast Washington sea otters (Enhydra lutris kenyoni)

Analyses of blood and liver samples from live captured sea otters and liver samples from beachcast sea otter carcasses off the remote Washington coast indicate relatively low exposure to contaminants, but suggest that even at the low levels measured, exposure may be indicated by biomarker response. Evidence of pathogen exposure is noteworthy - infectious disease presents a potential risk to Washington sea otters, particularly due to their small population size and limited distribution. During 2001 and 2002, 32 sea otters were captured, of which 28 were implanted with transmitters to track their movements and liver and blood samples were collected to evaluate contaminant and pathogen exposure. In addition, liver samples from fifteen beachcast animals that washed ashore between 1991 and 2002 were analyzed to provide historical information and a basis of reference for values obtained from live otters. The results indicate low levels of metals, butyltins, and organochlorine compounds in the blood samples, with many of the organochlorines not detected except polychlorinated biphenyls (PCBs), and a few aromatic hydrocarbons detected in the liver of the live captured animals. Aliphatic hydrocarbons were measurable in the liver from the live captured animals; however, some of these are likely from biogenic sources. A significant reduction of vitamin A storage in the liver was observed in relation to PCB, dibutyltin and octacosane concentration. A significant and strong positive correlation in vitamin A storage in the liver was observed for cadmium and several of the aliphatic hydrocarbons. Peripheral blood mononuclear cell (PBMC) cytochrome P450 induction was elevated in two of 16 animals and may be potentially related to aliphatic and aromatic hydrocarbon exposure. Mean concentration of total butyltin in the liver of the Washington beach-cast otters was more than 15 times lower than the mean concentration reported by Kannan et al. (1998) for Southern sea otters in California. Organochlorine compounds were evident in the liver of beach-cast animals, despite the lack of large human population centers and development along the Washington coast. Concentrations of PCBs and chlordanes (e.g., transchlordane, cis-chlordane, trans-nonachlor, cis-nonachlor and oxychlordane) in liver of Washington beach-cast sea otters were similar to those measured in Aleutian and California sea otters, excluding those from Monterey Bay, which were higher. Mean concentrations of 1,1,1,- trichloro-2,2-bis(p-chlorophyenyl)ethanes (DDTs) were lower, and mean concentrations of cyclohexanes (HCH, e.g., alpha BHC, beta BHC, delta BHC and gamma BHC) were slightly higher in Washington beach-cast otters versus those from California and the Aleutians. Epidemiologically, blood tests revealed that 80 percent of the otters tested positive for morbillivirus and 60 percent for Toxoplasma, the latter of which has been a significant cause of mortality in Southern sea otters in California. This is the first finding of positive morbillivirus titers in sea otters from the Northeast Pacific. Individual deaths may occur from these diseases, perhaps more so when animals are otherwise immuno-compromised or infected with multiple diseases, but a population-threatening die-off from these diseases singly is unlikely while population immunity remains high. The high frequency of detection of morbillivirus and Toxoplasma in the live otters corresponds well with the cause of death of stranded Washington sea otters reported herein, which has generally been attributable to infectious disease. Washington’s sea otter population continues to grow, with over 1100 animals currently inhabiting Washington waters; however, the rate of growth has slowed over recent years. The population has a limited distribution and has not yet reached its carrying capacity and as such, is still considered at high risk to catastrophic events. (PDF contains 189 pages)

An assessment of chemical contaminants, toxicity and benthic infauna in sediments from the St. Thomas East End Reserves (STEER)

This report contains a chemical and biological characterization of sediments from the St. Thomas East End Reserves (STEER) in St. Thomas, U.S. Virgin Islands (USVI). The STEER Management Plan (published in 2011) identified chemical contaminants and habitat loss as high or very high threats and called for a characterization of chemical contaminants as well as an assessment of their effects on natural resources. The baseline information contained in this report on chemical contaminants, toxicity and benthic infaunal community composition can be used to assess current conditions, as well as the efficacy of future restoration activities. In this phase of the project, 185 chemical contaminants, including a number of organic (e.g., hydrocarbons and pesticides) and inorganic (e.g., metals) compounds, were analyzed from 24 sites in the STEER. Sediments were also analyzed using a series of toxicity bioassays, including amphipod mortality, sea urchin fertilization impairment, and the cytochrome P450 Human Reporter Gene System (HRGS), along with a characterization of the benthic infaunal community. Higher levels of chemical contaminants were found in Mangrove Lagoon and Benner Bay in the western portion of the study area than in the eastern area. The concentrations of polychlorinated biphenyls (PCBs), DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane), chlordane, zinc, copper, lead and mercury were above a NOAA sediment quality guideline at one or more sites, indicating impacts may be present in more sensitive species or life stages in the benthic environment. Copper at one site in Benner Bay, however, was above a NOAA guideline indicating that effects on benthic organisms were likely. The antifoulant boat hull ingredient tributyltin, or TBT, was found at the third highest concentration in the history of NOAA’s National Status and Trends (NS&T) Program, which monitors the Nation’s coastal and estuarine waters for chemical contaminants and bioeffects. Unfortunately, there do not appear to be any established sediment quality guidelines for TBT. Results of the bioassays indicated significant sediment toxicity in Mangrove Lagoon and Benner Bay using multiple tests. The benthic infaunal communities in Mangrove Lagoon and Benner Bay appeared severely diminished.

簇毛麦（ Dasypyrum villosum）矮秆突变体的研究

株高是农作物的重要农艺性状之一，适度矮化有利于农作物的耐肥、抗倒、高产等。20世纪50年代，以日本的赤小麦为矮源的半矮秆小麦的培育和推广，使得世界粮食产量显著增长，被誉为“绿色革命”。迄今为止，已报到的麦类矮秆、半矮秆基因已达70多个，但由于某些矮源极度矮化或者矮化的同时伴随不利的农艺性状，使得真正运用于育种实践的矮源较少。因此，发掘和鉴定新的控制麦类作物株高的基因，开展株高基因定位、克隆及作用机理等方面的研究，对实现麦类作物株高的定向改良，具有重要的理论意义和应用价值。簇毛麦(Dasypyrum villosum，2n＝14，VV)是禾本科簇毛麦属一年生二倍体异花授粉植物，为栽培小麦的近缘属。本课题组在不同来源的簇毛麦杂交后代中发现了一株自然突变产生的矮秆突变体。观察分析了该突变体的生物学特性，对矮秆性状进行了遗传分析，对茎节细胞长度、花粉的活力进行了细胞学观察，考察了该突变体内源赤霉素含量及不同浓度外施赤霉素对突变体的作用，分析了赤霉素生物合成途径中的内根贝壳杉烯氧化酶（KO）和赤霉素20氧化酶(GA20ox)的转录水平，对赤霉素20氧化酶和赤霉素3-β羟化酶(GA3ox)进行了克隆和序列分析，并对GA20ox进行了原核表达和表达的组织特异性研究。主要研究结果如下：1. 该突变体与对照植株在苗期无差异，在拔节后期才表现出植株矮小，相对对照植株，节间伸长明显受到抑制，叶鞘长度基本不变。在成熟期，对照植株的平均株高为110cm，而突变株的平均株高为32cm，仅为对照植株的1/3 左右。除了株高变矮以外，在成熟后期，突变株还表现一定程度的早衰和雄性不育。I2-KI染色法观察花粉活力结果表明，对照植株花粉90%以上都是有活力的，而突变植株的花粉仅20%左右有活力。2. 突变株与对照植株的杂交F1代均表现正常株高，表明该突变性状为隐性突变。F1代植株相互授粉得到的168株F2代植株中，株高出现分离，正常株高（株高高于80cm）与矮秆植株（株高矮于40cm）的株数比为130：38，经卡方检验，其分离比符合3：1的分离比，因此推测该突变体属于单基因的隐性突变。3. 用ELISA方法检测突变株和对照植株的幼嫩种子中内源性生物活性赤霉素（GA1＋3）含量，结果表明突变株的赤霉素含量为36 ng/ml，而对照植株的赤霉素含量为900 ng/ml。对突变株外施赤霉素，发现矮秆突变株的株高和花粉育性均可得到恢复。这些结果表明该突变株为赤霉素缺陷型突变。4. 用荧光定量PCR方法比较突变株与对照植株中内根贝壳杉烯氧化酶和赤霉素20氧化酶的转录水平，结果表明突变株的KO转录水平比对照植株分别提高了6倍（苗期）和16倍（成熟期），突变株的GA20ox转录水平与对照植株在苗期无明显差异，在成熟期突变株较对照植株则提高了10倍左右。这些结果表明该矮秆突变体与赤霉素的生物合成途径密切相关，而且极有可能在赤霉素的生物合成途径早期就发生了改变。5. 以簇毛麦总基因组为模板，同源克隆了GenBank登录号为EU142950，RT-PCR分离克隆了簇毛麦的GA3ox基因cDNA全长序列，分析结果表明该cDNA全长1206bp，含完整编码区1104bp，推测该序列编码蛋白含368个氨基酸残基，分子量为40.063KD，等电点为6.27。预测的氨基酸序列含有双加氧酶的活性结构，在酶活性中心2个Fe离子结合的氨基酸残基非常保守。该序列与小麦、大麦和水稻的GA3ox基因一致性分别为98%、96%、86%。基因组序列与cDNA序列在外显子部分一致，在478-715bp和879-1019bp处分别含238bp和140bp的内含子。6. 通过RT-PCR技术克隆了簇毛麦的GA20ox基因全长，命名为DvGA20ox，GenBank登录号为EU142949。该基因全长1080个碱基，编码359个氨基酸，具有典型的植物GA20ox基因结构。该基因编码的蛋白质与小麦、大麦、黑麦草等GA20ox蛋白的同源性分别为98%，97% 和91%。该序列重组到原核表达载体pET-32a(+)上，将获得的重组子pET-32a(+)-DvGA20ox转化大肠杆菌BL21pLysS后用IPTG进行诱导表达。SDS-PAGE分析表明，DvGA20ox基因在大肠杆菌中获得了高效表达，融合蛋白分子量为55kDa。定量PCR分析表明，该基因在簇毛麦不同器官中的表达差异明显：叶片中表达水平最高，根部表达水平次之，茎部和穗中表达较弱。在外施赤霉素后，该基因的表达水平在两小时以后急剧下降，表明该基因的表达受自身的反馈调节。本研究结果认为，(1)该簇毛麦矮秆突变体为单基因的隐性突变；(2)该矮秆突变体为赤霉素敏感突变，内源赤霉素含量检测表明突变体的内源性赤霉素含量仅为对照植株的1/30；(3)荧光定量PCR结果表明突变株的赤霉素生物合成途径的关键酶基因表达水平比对照植株高，而且突变植株的赤霉素生物合成改变很可能发生在赤霉素生物合成途径的早期；(4)GA20ox有表达的组织特异性，且受到自身产物的反馈调节。 Plant height is an impotrant agronomic trait of triticeae crops.Semi-dwarf cropcultivars, including those of wheat, maize and rice, have significantly increased grainproduction that has been known as “green revolution”. The new dwarf varieties couldraise the harvest Index at the expense of straw biomass, and, at the sametime, improvelodging resistance and responsiveness to nitrogen fertilizer. Moreover, dwarf traits ofplant are crucial for elucidating mechanisms for plant growth and development aswell. In many plant species, various dwarf mutants have been isolated and theirmodles of inheritance and physiology also have been widely investigated.The causesfor their dwarf phenotypes were found to be associated with plant hormones,especially, gibberellins GAs.Dasypyrum villosum Candargy (syn.Haynaldia villosa) is a cross-pollinating,diploid (2n = 2x = 14) annual species that belongs to the tribe Triticeae. It is native toSouthern Europe and West Asia, especially the Caucasuses, and grows underconditions unfavorable to most cultivated crops. The genome of D. villosum,designated V by Sears, is considered an important donor of genes to wheat for improving powdery mildew resistance, take-all, eyespot, and plant and seed storageprotein content. A spontaneous dwarf mutant was found in D. villosum populations.The biological character and modles of inheritance of this dwarf mutant are studied.The cell length of stem cell is observed. The influence of extraneous gibberellin tothe dwarf mutant is also examined; the transcript level of key enzyme of gibberellinbiosynthesis pathway in mutant and control plants is compared. GA3ox and GA20oxare cloned and its expression pattern is researched.1. The dwarf mutant showed no difference with control plants at seedlingstage.At mature stage, the average height of control plants were 110cm and the dwarfplants were 33cm. The height of the mutant plant was only one third of the normalplants due to the shortened internodes. Cytology observation showed that theelongation of stem epidermal and the parenchyma cells were reduced. The dwarfmutant also shows partly male sterile. Pollen viability test indicates that more than80% of the pollen of the mutant is not viable.2. The inheritance modle of this dwarf mutant is studied. All The F1 plantsshowed normal phenotype indicating that the dwarfism is controlled by recessivealleles. Among the 168 F2 plants, there are 130 normal plants and 30 dwarf plants, thesegregation proportion accord with Mendel’s 3:1 segregation. We therefore proposethat this dwarf phenotype is controlled by a single recessive gene.3. Quantitative analyses of endogenous GA1+3 in the young seeds indicated thatthe content of GA1+3 was 36ng/ml in mutant plants and 900ng/ml in normal plants.The endogenous bioactive GA1+3 in mutant plants are only about 1/30 of that innormal plants. In addition, exogenously supplied GA3 could considerably restore themutant plant to normal phenotype. These results showed that this mutant wasdefective in the GA biosynthesis.4. More than ten enzymes are involved in GA biosynthesis. KO catalyzes thefirst cytochrome P450-mediated step in the gibberellin biosynthetic pathway and themutant of KO lead to a gibberellin-responsive dwarf mutant. GA20ox catalyze therate-limited steps so that their transcript level will influence the endogenous GAbiosynthesis and modifies plant architecture. The relative expression levels of genesencoding KO and GA20ox were quantified by real time PCR to assess whether thechanges in GA content correlated with the expression of GA metabolism genes andwhere the mutant occurred during the GA biosynthesis pathway. In mutant plants,the transcript levels of KO increased about 6-fold and 16-fold at the seedling stage and elongating stage respectively comparing with the normal plants. For theseedlings, there was no notable difference in the expression of GA20ox betweenmutant and normal plants. At the elongating stage, GA20ox transcript increased 10times in mutant plants, suggesting that the GA biosynthesis pathway in mutant plantshad changed from the early steps rather than the late steps.5. A full length cDNA of D. villosum gibberellin 3β-hydroxylase homology(designated as DvGA3ox) was isolated and consisted of 1206bp containing an openreading frame of 1104bp encoding 368 predicted amino acid residues. Identityanalysis showed that the gibberellin 3β-hydroxylase nucleotide sequence shared 98%,96% and 86% homology with that of wheat, barley and rice. The predicted peptidecontained the active-site Fe of known gibberellin 3β-hydroxylase and the regionhomologous to wheat, barley and Arabidopsis. The genomic clone of gibberellin3β-hydroxylase has two introns.6. The full-length cDNA of D. villosum gibberellin 20 oxidase (designated asDvGA20ox) was isolated and consisted of 1080-bp and encoded 359 amino acidresidues with a calculated mol wt of 42.46 KD. Comparative and bio-informaticsanalyses revealed that DvGA20ox had close similarity with GA20ox from otherspecies and contained a conserved LPWKET and NYYPXCQKP regions. Tissueexpression pattern analysis revealed DvGA20ox expressed in all the tissues that wereexamined and the highest expression of DvGA20ox in expanding leaves followed byroots. Heterologous expression of this cDNA clone in Escherichia coli gave a fusionprotein that about 55KD. Transcript levels of DvGA20ox dramatically reduced twohours after application of biologically active GA3, suggesting that the biosynthesis ofthis enzymes might be under feedback control.

A proteomic analysis of thioacetamide-induced hepatotoxicity and cirrhosis in rat livers

Thioacetamide (TAA) administration is an established technique for generating rat models of liver fibrosis and cirrhosis. Oxidative stress is believed to be involved as TAA-induced liver fibrosis is initiated by thioacetamide S-oxide, which is derived from the biotransformation of TAA by the microsomal flavine-adenine dinucleotide (FAD)-containing monooxygense (FMO) and cytochrome P450 systems. A two-dimensional gel electrophoresis-mass spectrometry approach was applied to analyze the protein profiles of livers of rats administered with sublethal doses of TAA for 3, 6 and 10 weeks respectively. With this approach, 59 protein spots whose expression levels changed significantly upon TAA administration were identified, including three novel proteins. These proteins were then sorted according to their common biochemical properties and functions, so that pathways involved in the pathogenesis of rat liver fibrosis due to TAA-induced toxicity could be elucidated. As a result, it was found that TAA-administration down-regulated the enzymes of the primary metabolic pathways such as fatty acid beta-oxidation, branched chain amino acids and methionine breakdown. This phenomenon is suggestive of the depletion of succinyl-CoA which affects heme and iron metabolism. Up-regulated proteins, on the other hand, are related to oxidative stress and lipid peroxidation. Finally, these proteomics data and the data obtained from the scientific literature were integrated into an

Isolation of a bone marrow-derived stem cell line with high proliferation potential and its application for preventing acute fatal liver failure

Transplantation of hepatocytes or hepatocyte-like cells of extrahepatic origin is a promising strategy for treatment of acute and chronic liver failure. We examined possible utility of hepatocyte-like cells induced from bone marrow cells for such a purpose. Clonal cell lines were established from the bone marrow of two different rat strains. One of these cell lines, rBM25/S3 cells, grew rapidly (doubling time, approximately 24 hours) without any appreciable changes in cell properties for at least 300 population doubling levels over a period of 300 days, keeping normal diploid karyotype. The cells expressed CD29, CD44, CD49b, CD90, vimentin, and fibronectin but not CD45, indicating that they are of mesenchymal cell origin. When plated on Matrigel with hepatocyte growth factor and fibroblast growth factor-4, the cells efficiently differentiated into hepatocyte-like cells that expressed albumin, cytochrome P450 (CYP) 1A1, CYP1A2, glucose 6-phosphatase, tryptophane-2,3-dioxygenase, tyrosine aminotransferase, hepatocyte nuclear factor (HNF)1 alpha, and HNF4alpha. Intrasplenic transplantation of the differentiated cells prevented fatal liver failure in 90%-hepatectomized rats. In conclusion, a clonal stem cell line derived from adult rat bone marrow could differentiate into hepatocyte-like cells, and transplantation of the differentiated cells could prevent fatal liver failure in 90%-hepatectomized rats. The present results indicate a promising strategy for treating human fatal liver diseases.

Complex Interactions between Dioxin-Like and Non-Dioxin-Like Compounds for in Vitro Cellular Responses: Implications for the Identification of Dioxin Exposure Biomarkers

Despite considerable advances in reducing the production of dioxin-like toxicants in recent years, contamination of the food chain still occasionally occurs resulting in huge losses to the agri-food sector and risk to human health through exposure. Dioxin-like toxicity is exhibited by a range of stable and bioaccumulative compounds including polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) and dibenzofurans (PCDFs), produced by certain types of combustion, and man-made coplanar polychlorinated biphenyls (PCBs), as found in electrical transformer oils. While dioxinergic compounds act by a common mode of action making exposure detection biomarker based techniques a potentially useful tool, the influence of co-contaminating toxicants on such approaches needs to be considered. To assess the impact of possible interactions, the biological responses of H4IIE cells to challenge by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) in combination with PCB-52 and benzo-a-pyrene (BaP) were evaluated by a number of methods in this study. Ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) induction in TCDD exposed cells was suppressed by increasing concentrations of PCB-52, PCB-153, or BaP up to 10 mu M. BaP levels below 1 mu M suppressed TCDD stimulated EROD induction, but at higher concentrations, EROD induction was greater than the maximum observed when cells were treated with TCDD alone. A similar biphasic interaction of BaP with TCDD co-exposure was noted in the AlamarBlue assay and to a lesser extent with PCB-52. Surface enhanced laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry (SELDI-TOF) profiling of peptidomic responses of cells exposed to compound combinations was compared. Cells co-exposed to TCDD in the presence of BaP or PCB-52 produced the most differentiated spectra with a substantial number of non-additive interactions observed. These findings suggest that interactions between dioxin and other toxicants create novel, additive, and non-additive effects, which may be more indicative of the types of responses seen in exposed animals than those of single exposures to the individual compounds.

The Impact of R10-Hydroxywarfarin on CYP2C9-Mediated S-Warfarin Metabolism

Thesis (Master's)--University of Washington, 2014

The 21-dehydroxylation of corticosteroids: evidence for an enol intermediate and the hydroxylation of steroids by fungal cyto-chrome P450: evidence for a stepwise mechanism

Two enzyme mechanisms were examined: the 21-dehydroxylation of corticosteroids by the anaerobe Eubacterium l en tum, and the hydroxylation of steroids by fungal cytochrome P450. Deuterium labelling techniques were used to study the enzymic dehydroxylation. Corticosteroids doubly labelled (2H) at the C-21 position were incubated with a culture of Eubacterium lentum. It was found that t he enzymic dehydroxylation proceeded with the loss of one 2H f rom C-21 per molecule of substrate. The kinetic isotope ef fect f or the reaction was found to be k~kD = 2. 28. These results suggest that enzyme/substr ate binding in this case may proceed via t he enol form of the substrate. Also , it appears that this binding is, at least in part, the rate determining step of t he reaction. The hydroxylation of steroids by fungal cytochrome P450 was examined by means of a product study. Steroids with a double bond at the A8 (9), ~( lO ), or ~ (ll) position were synthesized. These steroids were then incubated with fungal strains known to use a cytochrome P450 monooxygenase to hydroxylate at positions allylic to these doubl e bonds. The products formed in these incubations indicated that the double bonds had migrated during allylic hydroxylat ion. This suggests that a carbon centred radical or ion may be an intermediate i n the cytochrome P450 cat alytic cycle.

Prédiction des impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses impliquant des CYP3A et les glycoprotéines-P : développement de modèles physiologiques et analyse de sensibilité

Les propriétés pharmacocinétiques d’un nouveau médicament et les risques d’interactions médicamenteuses doivent être investigués très tôt dans le processus de recherche et développement. L’objectif principal de cette thèse était de concevoir des approches prédictives de modélisation du devenir du médicament dans l’organisme en présence et en absence de modulation d’activité métabolique et de transport. Le premier volet de recherche consistait à intégrer dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK), le transport d’efflux membranaire gouverné par les glycoprotéines-P (P-gp) dans le cœur et le cerveau. Cette approche, basée sur des extrapolations in vitro-in vivo, a permis de prédire la distribution tissulaire de la dompéridone chez des souris normales et des souris déficientes pour les gènes codant pour la P-gp. Le modèle a confirmé le rôle protecteur des P-gp au niveau cérébral, et a suggéré un rôle négligeable des P-gp dans la distribution tissulaire cardiaque pour la dompéridone. Le deuxième volet de cette recherche était de procéder à l’analyse de sensibilité globale (ASG) du modèle PBPK précédemment développé, afin d’identifier les paramètres importants impliqués dans la variabilité des prédictions, tout en tenant compte des corrélations entre les paramètres physiologiques. Les paramètres importants ont été identifiés et étaient principalement les paramètres limitants des mécanismes de transport à travers la membrane capillaire. Le dernier volet du projet doctoral consistait à développer un modèle PBPK apte à prédire les profils plasmatiques et paramètres pharmacocinétiques de substrats de CYP3A administrés par voie orale à des volontaires sains, et de quantifier l’impact d’interactions médicamenteuses métaboliques (IMM) sur la pharmacocinétique de ces substrats. Les prédictions des profils plasmatiques et des paramètres pharmacocinétiques des substrats des CYP3A ont été très comparables à ceux mesurés lors d’études cliniques. Quelques écarts ont été observés entre les prédictions et les profils plasmatiques cliniques mesurés lors d’IMM. Cependant, l’impact de ces inhibitions sur les paramètres pharmacocinétiques des substrats étudiés et l’effet inhibiteur des furanocoumarins contenus dans le jus de pamplemousse ont été prédits dans un intervalle d’erreur très acceptable. Ces travaux ont contribué à démontrer la capacité des modèles PBPK à prédire les impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses avec une précision acceptable et prometteuse.

Modulation de l'expression et de l'activité de la NADPH P450 réductase chez le lapin.

L’activité catalytique du cytochrome P450 dépend de la disponibilité d’électrons produits par la NADPH P450 réductase (NPR). Notre étude a pour but de déterminer comment l’expression de la NPR est modulée chez le lapin. Afin de comprendre comment l’expression de la NPR est modulée, des hépatocytes de lapins témoins ont été incubés pendant 2, 4, 24 et 48 heures en présence de plusieurs activateurs de facteurs de transcription connus du cytochrome P450. De plus, des lapins ayant reçu une injection sous-cutanée de térébenthine afin de produire une réaction inflammatoire aseptique sont sacrifiés 48 heures plus tard dans le but d’étudier les effets de l’inflammation sur l’expression de la NPR. La rosiglitazone, le fénofibrate, l’acétate de plomb et le chlorure de cobalt (des inducteurs des PPAR, PPAR, AP-1 et HIF-1), après 48 heures d’incubation, n’ont provoqué aucun changement d’expression ou d’activité de la NPR. Après 48 heures d’incubation, la dexaméthasone (Dexa) a augmenté la quantité d’ARNm (QT-PCR), l’expression et l’activité de la NPR (p<0,05), en plus d’augmenter l’ARNm des récepteurs nucléaires CAR (récepteur constitutif à l’androstane) et PXR (récepteur X prégnane) (p<0.05). Le phénobarbital (PB) a augmenté seulement l’activité de la NPR (p<0.05). Par contre, après 48 heures d’incubation, la combinaison PB et Dexa a augmenté la quantité d’ARNm, ainsi que l’expression et l’activité de la NPR (p<0.05). La combinaison de PB et Dexa a induit une augmentation d’ARNm des récepteurs nucléaires CAR, PXR et RXR (récepteur X du rétinoïde) plus précocement, soit après 2 heures d’incubation (p<0.05). Le PD098059 (PD), un bloqueur de l’activation de MAPK1 (mitogen-activated protein kinase), et l’acide okadaïque (OA), un inhibiteur de la protéine phosphatase 2A (PP2A), ont bloqué l'augmentation d'expression et d'activité de la NPR induite par le PB après 48 heures d’incubation. La réaction inflammatoire aseptique a diminué l’expression et l’activité de la NPR après 48 heures d’incubation (p<0.05). On conclue que la dexaméthasone et le phénobarbital sont des inducteurs potentiels de la NPR et que les voies de signalisation de CAR, PXR et RXR semblent être impliquées dans le contrôle de cette induction. Des études supplémentaires devront être complétées afin de confirmer ces résultats préliminaires.

Implication du CYP2D6 dans la pharmacodynamie et la pharmacogénomique de l’oxycodone

La variabilité interindividuelle dans la réponse aux médicaments constitue une problématique importante pouvant causer des effets indésirables ou l’échec d’un traitement. Ces variabilités peuvent être causées par une diminution de l’activité de l’enzyme responsable du métabolisme de certains médicaments, fréquemment les cytochromes P450, un système enzymatique majeur dans le métabolisme de ces derniers. Ces enzymes sont sujets à des mutations génétiques appelées polymorphismes, qui altèrent l’activité métabolique. Il est donc important d’évaluer le rôle de ces enzymes dans le métabolisme des médicaments afin d’identifier leur responsabilité dans la variabilité interindividuelle de la réponse au traitement. Parmi l’important système enzymatique que représentent les cytochromes P450, l’isoenzyme CYP2D6 est particulièrement étudiée, ses variations métaboliques revêtant une haute importance clinique. L’un des substrats du CYP2D6 est l’oxycodone, un analgésique narcotique largement prescrit en clinique. Une grande variabilité est observée dans la réponse analgésique à l’oxycodone, variabilité pouvant être causée par un polymorphisme génétique. Il est connu que des variations génétiques dans le CYP2D6 compromettent la réponse analgésique à la codéine en rendant moins importante la formation de son métabolite actif, la morphine. Par analogie, plusieurs études supportent l’hypothèse selon laquelle le métabolite oxymorphone, formée par l’isoenzyme CYP2D6, serait responsable de l’analgésie de l’oxycodone. Une déficience génétique de l’enzyme compromettrait la réponse analgésique au médicament. Les travaux effectués dans le cadre de ce mémoire ont démontré que l’inhibition du CYP2D6 chez des sujets volontaires réduit de moitié la production d’oxymorphone, confirmant l’importante implication de l’enzyme dans le métabolisme de l’oxycodone. Ces résultats démontrent une forte ressemblance avec le métabolisme de la codéine, suggérant que l’oxymorphone pourrait être responsable de l’analgésie. Cependant, les travaux effectués n’ont pu établir de relation entre la concentration plasmatique d’oxymorphone et le niveau d’analgésie ressenti par les sujets. La continuation des études sur le mécanisme d’action de l’oxycodone dans la réponse analgésique est essentielle afin d’établir la source des variabilités interindividuelles expérimentées par les patients et ainsi d’éviter des effets secondaires ou lacunes dans le traitement.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

L’inhibition des cytochromes P450 dans les cas d’insuffisance rénale chronique : rôle de l’hormone parathyroïdienne.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une réduction du métabolisme de plusieurs médicaments, due à une diminution du cytochrome P450 (CYP450) hépatique. Nos études précédentes ont montré que l’IRC affecte l’activité in vivo et in vitro, de même que l’expression protéique et génique des différents isoformes du CYP450, via la présence du sérum urémique et de l’hormone parathyroïdienne (PTH). Ce projet de doctorat se divise en quatre parties. Premièrement, nous avons développé une méthode d’analyse de l’activité du CYP450, à l’aide de la production du 3-hydroxy-5,5-dimethyl-4-[4-(methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFH) à partir du 3-[(3,4-difluorobenzyl)oxy]-5,5-dimethyl-4-[4-methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFB). Cette méthode nous a permis de mieux quantifier l’activité dans les études subséquentes. Deuxièmement, l’activité du CYP450 3A est diminuée chez les patients atteints d’IRC. De plus, il a déjà été démontré que des toxines urémiques dialysables seraient impliquées puisque l’hémodialyse prévient cette inhibition du CYP450. Par contre, le mécanisme expliquant l’amélioration transitoire la composition du sérum de patients atteints d’IRC par l’hémodialyse n’est pas connu. L’objectif du projet est d’évaluer l’effet de l’hémodialyse sur l’expression protéique et génique, de même que sur l’activité du CYP450 3A2 dans un modèle d’hépatocytes de rat en culture. Troisièmement, la déficience en calcidiol est fréquente dans les cas d’IRC et l’étiologie est peu connue. Nous avons récemment montré que l’IRC est associée à une diminution du métabolisme des médicaments par le foie suite à une réduction des différents isoformes du CYP450 en partie médiée par l’hormone parathyroïdienne (PTH). La 25-hydroxylation de la vitamine D, au niveau du foie, permet la formation du calcidiol par différents isoformes du CYP450 (CYP2C11, 27A1, 2R1, 3A2 et 2J3) et pourrait être ainsi altérée en présence d’IRC. Les objectifs de cette étude sont de a) confirmer la diminution de synthèse de calcidiol en présence d’IRC et b) évaluer le rôle de la PTH dans la déficience en calcidiol. Finalement, afin de mieux comprendre les inhibitions du CYP450, nous avons étudié les voies de signalisation impliquées dans la régulation du CYP450 en présence d’IRC et avec la PTH puisque les mécanismes d’action demeurent imprécis. La contribution des facteurs de transcription et des récepteurs nucléaires suivants est étudiée ; le récepteur pregnane X (PXR), le récepteur constitutif androstane (CAR) et le facteur nucléaire kappa B (NF-κB), puisqu’ils sont potentiellement activés par le récepteur de la PTH et ces molécules ont été précédemment impliqués dans la régulation du CYP450. Les résultats obtenus montrent que l’hémodialyse des patients atteints d’IRC améliore transitoirement l’expression du CYP450 lorsque des hépatocytes sont mis en culture avec du sérum provenant de ces patients. Aussi, la 25-hydroxylation de la vitamine D est affectée par l’IRC. Les voies de signalisation du NF-κB et les facteurs nucléaires PXR et CAR sont impliqués dans l’inhibition du CYP450. En conclusion, l’IRC affecte, non seulement le métabolisme des médicaments mais aussi l’hydroxylation de la vitamine D, un des rôles endogènes effectués par le CYP450. Ces études nous permettent de mieux comprendre les effets de l’IRC afin de mieux cibler les traitements de choix pour les patients qui en sont atteints.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.