In Vitro Ketamine CYP3A Mediated Metabolism Study using Mammalian Liver S9 Fractions, cDNA Expressed Enzymes and Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry

Ketamine is widely used in medicine in combination with several benzodiazepines including midazolam. The objectives of this study were to develop a novel HPLC-MS/SRM method capable of quantifying ketamine and norketamine using an isotopic dilution strategy in biological matrices and study the formation of norketamine, the principal metabolite of ketamine with and without the presence of midazolam, a well-known CYP3A substrate. The chromatographic separation was achieved using a Thermo Betasil Phenyl 100 x 2 mm column combined with an isocratic mobile phase composed of acetonitrile, methanol, water and formic acid (60:20:20:0.4) at a flow rate of 300 μL/min. The mass spectrometer was operating in selected reaction monitoring mode and the analytical range was set at 0.05–50 μM. The precision (%CV) and accuracy (%NOM) observed were ranging from 3.9–7.8 and 95.9.2–111.1% respectively. The initial rate of formation of norketamine was determined using various ketamine concentration and Km values of 18.4 μM, 13.8 μM and 30.8 μM for rat, dog and human liver S9 fractions were observed respectively. The metabolic stability of ketamine on liver S9 fractions was significantly higher in human (T1/2 = 159.4 min) compared with rat (T1/2 = 12.6 min) and dog (T1/2 = 7.3 min) liver S9 fractions. Moreover significantly lower IC50 and Ki values observed in human compared with rat and dog liver S9 fractions. Experiments with cDNA expressed CYP3A enzymes showed the formation of norketamine is mediated by CYP3A but results suggest an important contribution from others isoenzymes, most likely CYP2C particularly in rat.

Développement et utilisation de modèles in vitro et de données précliniques pour augmenter la prédictibilité de la perméabilité et du métabolisme intestinal chez l'humain

Tout médicament administré par la voie orale doit être absorbé sans être métabolisé par l’intestin et le foie pour atteindre la circulation systémique. Malgré son impact majeur sur l’effet de premier passage de plusieurs médicaments, le métabolisme intestinal est souvent négligé comparativement au métabolisme hépatique. L’objectif de ces travaux de maîtrise est donc d’utiliser, caractériser et développer différents outils in vitro et in vivo pour mieux comprendre et prédire l’impact du métabolisme intestinal sur l’effet de premier passage des médicaments comparé au métabolisme hépatique. Pour se faire, différents substrats d’enzymes du métabolisme ont été incubés dans des microsomes intestinaux et hépatiques et des différences entre la vitesse de métabolisme et les métabolites produits ont été démontrés. Afin de mieux comprendre l’impact de ces différences in vivo, des études mécanistiques chez des animaux canulés et traités avec des inhibiteurs enzymatiques ont été conduites avec le substrat métoprolol. Ces études ont démontré l’impact du métabolisme intestinal sur le premier passage du métoprolol. De plus, elles ont révélé l’effet sur la vidange gastrique du 1-aminobenzotriazole, un inhibiteur des cytochromes p450, évitant ainsi une mauvaise utilisation de cet outil dans le futur. Ces travaux de maîtrise ont permis d’améliorer les connaissances des différents outils in vitro et in vivo pour étudier le métabolisme intestinal tout en permettant de mieux comprendre les différences entre le rôle de l’intestin et du foie sur l’effet de premier passage.

In Vitro Analysis of Bacterial Morphology by Atomic Force Microscopy of Low Level Laser Therapy 660, 830 and 904 nm

Objective: The objective of this study was to analyze the bacterial morphology by atomic force microscopy (AFM) after the application of low-level laser therapy (LLLT) in in vitro culture of Staphylococcus aureus ATCC 29213. Background data: Infections caused by S. aureus are among the highest occurring in hospitals and can often colonize pressure ulcers. LLLT is among the methods used to accelerate the healing of ulcers. However, there is no consensus on its effect on bacteria. Materials and methods: After being cultivated and seeded, the cultures were irradiated using wavelengths of 660, 830, and 904 nm at fluences of 0, 1, 2, 3, 4, 5, and 16 J/cm(2). Viable cells of S. aureus strain were counted after 24 h incubation. To analyze the occurrence of morphological changes, the topographical measurement of bacterial cells was analyzed using the AFM. Results: The overall assessment revealed that the laser irradiation reduced the S. aureus growth using 830 and 904 nm wavelengths; the latter with the greatest inhibition of the colony-forming units (CFU/mL) (331.1 +/- 38.19 and 137.38 +/- 21.72). Specifically with 660 nm, the statistical difference occurred only at a fluence of 3 J/cm(2). Topographical analysis showed small changes in morphological conformity of the samples tested. Conclusions: LLLT reduced the growth of S. aureus with 830 and 904 nm wavelengths, particularly with 904 nm at a fluence of 3 J/cm(2), where the greatest topographical changes of the cell structure occurred.

Serumfreie Collagen-Monolayer- und Sandwich-Kulturen primärer Hepatozyten als ein wertvolles Modell zur Detektion von Toxizität und Arzneimittelwechselwirkungen in vitro

In dieser Arbeit wurden Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch hinsichtlich ihrer Eignung untersucht Speziesunterschiede der toxischen Wirkung und des Metabolismus von Substanzen darzustellen und inwieweit die in vitro-Ergebnisse in vivo vergleichbar bzw. übertragbar sind. Des Weiteren wurde ein Zellkulturmodell entwickelt, das eine Kultivierung von primären Hepatozyten aus Ratte, Mensch und Maus über einen Zeitraum von mindestens einer bis zwei Wochen erlaubt.rnrnDie Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch zeigten deutliche Unterschiede in der substanzinduzierten Veränderung der Genexpression nach Behandlung mit den, vor allem für den Menschen, lebertoxischen Substanzen Diclofenac und Troglitazon. Diese Unterschiede traten hauptsächlich in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme sowie deren transkriptionsregulierenden Kernrezeptoren in den humanen Hepatozyten auf. Ebenso war eine verstärkte Stressantwort zu beobachten.rnDeutliche Speziesunterschiede konnten ebenso in der Wirkung der Arzneimittelentwicklungssubstanz EMD 392949 auf die Aktivität bzw. Genexpression von Cytochrom P450 Enzymen sowie deren Regulatoren nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte hier eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse aus den Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten mit jenen aus in vivo-Experimenten mit Ratten bzw. Affen (Macaca fascicularis) beobachtet werden, was die Aussagekraft der Primärkulturen verdeutlichte.rnDie große Übereinstimmung zwischen Enzymaktivität und Genexpression in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme konnte durch die Behandlung mit einer Reihe speziesspezifischer Induktoren in Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten bestätigt werden; vor allem nach dem von der amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA, Food and Drug Administartion) vorgeschlagenen Bewertungsschema zur Untersuchung der CYP-Induktion.rnrnDie Lebensdauer sowie der Differenzierungsgrad von primären Hepatozyten in Kultur sind stark abhängig von den Zellkulturbedingungen. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass spezifische Eigenschaften von Rattenleberzellen durch Kultivierung in einem Sandwich aus zwei hydratisierten Collagengelschichten und unter serumfreien Bedingungen für einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen aufrechterhalten werden können. Dieses Kulturmodel konnte auf Primärhepatozyten von Mensch und Maus übertragen werden und erweitert die möglichen Anwendungen hin zu einer Behandlung über einen längeren Zeitraum und der Untersuchung von subchronischen Effekten.rn

In vivo and in vitro investigation of the tissue-specific activity of the human CYP3A4 and CYP3A5 promoters

The human cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the predominant but variably expressed cytochrome P450 in adult liver and small intestine is involved in the metabolism of over 50% of currently used drugs. Its paralog CYP3A5 plays a crucial role in the disposition of several drugs with low therapeutic index, including tacrolimus. Limited information is available for the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics remains controversial. In the first part of this study, we analysed the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics in vivo using transgenic mice. To this end, two transgenic strains were established by pronuclear injection of a plasmid, expressing firefly luciferase driven by a 6.2 kb of the human CYP3A5 promoter. A detailed analysis of both strains shows a tissue distribution largely reflecting that of CYP3A5 transcripts in humans. Thus, the highest luciferase activity was detected in the small intestine, followed by oesophagus, testis, lung, adrenal gland, ovary, prostate and kidney. However, no activity was observed in the liver. CYP3A5-luc transgenic mice were similarly induced in both sexes with either PCN or TCPOBOP in small intestine in a dose-dependent manner. Thus, the 6.2 kb upstream promoter of CYP3A5 mediates the broad tissue activity in transgenic mice. CYP3A5 promoter is inducible in the small intestine in vivo, which may contribute to the variable expression of CYP3A in this organ. rnThe hepato-intestinal level of the detoxifying oxidases CYP3A4 and CYP3A5 is adjusted to the xenobiotic exposure mainly via the xenosensor and transcriptional factor PXR. CYP3A5 is additionally expressed in several other organs lacking PXR, including kidney. In the second part of this study, we investigated the mechanism of the differential expression of CYP3A5 and CYP3A4 and its evolutionary origin using renal and intestinal cells, and comparative genomics. For this examination, we established a two-cell line models reflecting the expression relationships of CYP3A4 and CYP3A5 in the kidney and small intestine in vivo. Our data demonstrate that the CYP3A5 expression in renal cells was enabled by the loss of a suppressing Yin Yang 1 (YY1)-binding site from the CYP3A5 promoter. This allowed for a renal CYP3A5 expression in a PXR-independent manner. The YY1 element is retained in the CYP3A4 gene, leading to its suppression, perhaps via interference with the NF1 activity in renal cells. In intestinal cells, the inhibition of CYP3A4 expression by YY1 is abrogated by a combined activating effect of PXR and NF1 acting on their respective response elements located adjacent to the YY1-binding site on CYP3A4 proximal promoter. CYP3A4 expression is further facilitated by a point mutation attenuating the suppressing effect of YY1 binding site. The differential expression of CYP3A4 and CYP3A5 in these organs results from the loss of the YY1 binding element from the CYP3A5 promoter, acting in concert with the differential organ expression of PXR, and with the higher accumulation of PXR response elements in CYP3A4. rn

Functional polymer based nanoparticles : development of defined complex structures as basis for in-vitro and in-vivo applications

In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Zugang zu einer Vielzahl von Polymerstrukturen auf Basis des klinisch zugelassenen Polymers Poly(N-(2-Hydroxypropyl)-methacrylamide) (PHPMA) entwickelt. Der synthetische Zugang beruht zum einen auf der Verwendung von Reaktivesterpolymeren und zum anderen auf der Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) Polymerisationsmethode. Diese Form einer kontrollierten radikalischen Polymerisation ermöglichte es, neben der Synthese von besser definierten Homopolymeren auch statistische und Blockcopolymere herzustellen. Die Reaktivesterpolymere können durch einfache Aminolyse in HPMA-basierte Systeme überführt werden. Somit können sie als eine vielversprechende Basis zur Synthese von umfangreichen Polymerbibliotheken angesehen werden. Die hergestellten Polymere kombinieren verschiedene Funktionalitäten bei konstantem Polymerisationsgrad. Dies ermöglicht eine Optimierung auf eine gezielte Anwendung hin ohne den Parameter der Kettenlänge zu verändern.rnIm weiteren war es durch Verwendung der RAFT Polymerisation möglich partiell bioabbaubare Blockcopolymere auf Basis von Polylactiden und HPMA herzustellen, in dem ein Kettentransferreagenz (CTA) an ein wohl definiertes Polylactid Homopolymer gekoppelt wurde. Diese Strukturen wurden in ihrer Zusammensetzung variiert und mit Erkennungsstrukturen (Folaten) und markierenden Elementen (Fluoreszenzfarbstoffe und +-emittierenden Radionukleide) versehen und im weiteren in vitro und in vivo evaluiert.rnAuf Grund dieser Errungenschaften war es möglich den Einfluss der Polymermikrostruktur auf das Aggregationsverhalten hin mittel Lichtstreuung und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass erst diese Informationen über die Überstrukturbildung die Kinetik der Zellaufnahme erklären können. Somit wurde die wichtige Rolle von Strukturwirkungsbeziehungen nachgewiesen.rnSomit konnte neben der Synthese, Charakterisierung und ersten biologischen Evaluierungen ein Beitrag zum besseres Verständnis zur Interaktion von polymeren Partikeln mit biologischen Systemen geleistet werden.

Altered heme catabolism by heme oxygenase-1 caused by mutations in human NADPH cytochrome P450 reductase

Human heme oxygenase-1 (HO-1) carries out heme catabolism supported by electrons supplied from the NADPH through NADPH P450 reductase (POR, CPR). Previously we have shown that mutations in human POR cause a rare form of congenital adrenal hyperplasia. In this study, we have evaluated the effects of mutations in POR on HO-1 activity. We used purified preparations of wild type and mutant human POR and in vitro reconstitution with purified HO-1 to measure heme degradation in a coupled assay using biliverdin reductase. Here we show that mutations in POR found in patients may reduce HO-1 activity, potentially influencing heme catabolism in individuals carrying mutant POR alleles. POR mutants Y181D, A457H, Y459H, V492E and R616X had total loss of HO-1 activity, while POR mutations A287P, C569Y and V608F lost 50-70% activity. The POR variants P228L, R316W and G413S, A503V and G504R identified as polymorphs had close to WT activity. Loss of HO-1 activity may result in increased oxidative neurotoxicity, anemia, growth retardation and iron deposition. Further examination of patients affected with POR deficiency will be required to assess the metabolic effects of reduced HO-1 activity in affected individuals.

Switch from type II to I Fas/CD95 death signaling on in vitro culturing of primary hepatocytes

Fas/CD95-induced apoptosis of hepatocytes in vivo proceeds through the so-called type II pathway, requiring the proapoptotic BH3-only Bcl-2 family member Bid for mitochondrial death signaling. Consequently, Bid-deficient mice are protected from anti-Fas antibody injection induced fatal hepatitis. We report the unexpected finding that freshly isolated mouse hepatocytes, cultured on collagen or Matrigel, become independent of Bid for Fas-induced apoptosis, thereby switching death signaling from type II to type I. In such in vitro cultures, Fas ligand (FasL) activates caspase-3 without Bid cleavage, Bax/Bak activation or cytochrome c release, and neither Bid ablation nor Bcl-2 overexpression is protective. The type II to type I switch depends on extracellular matrix adhesion, as primary hepatocytes in suspension die in a Bid-dependent manner. Moreover, the switch is specific for FasL-induced apoptosis as collagen-plated Bid-deficient hepatocytes are protected from tumor necrosis factor alpha/actinomycin D (TNFalpha/ActD)-induced apoptosis. Conclusion: Our data suggest a selective crosstalk between extracellular matrix and Fas-mediated signaling that favors mitochondria-independent type I apoptosis induction.

In vitro evaluation of differences in phase 1 metabolism of ketamine and other analgesics among humans, horses, and dogs

OBJECTIVE: To investigate cytochrome P450 (CYP) enzymes involved in metabolism of racemic and S-ketamine in various species and to evaluate metabolic interactions of other analgesics with ketamine. SAMPLE POPULATION: Human, equine, and canine liver microsomes. PROCEDURES: An analgesic was concurrently incubated with luminogenic substrates specific for CYP 3A4 or CYP 2C9 and liver microsomes. The luminescence signal was detected and compared with the signal for negative control samples. Ketamine and norketamine enantiomers were determined by use of capillary electrophoresis. RESULTS: A concentration-dependent decrease in luminescence signal was detected for ibuprofen and diclofenac in the assay for CYP 2C9 in human and equine liver microsomes but not in the assay for CYP 3A4 and methadone or xylazine in any of the species. Coincubation of methadone or xylazine with ketamine resulted in a decrease in norketamine formation in equine and canine liver microsomes but not in human liver microsomes. In all species, norketamine formation was not affected by ibuprofen, but diclofenac reduced norketamine formation in human liver microsomes. A higher rate of metabolism was detected for S-ketamine in equine liver microsomes, compared with the rate for the S-enantiomer in the racemic mixture when incubated with any of the analgesics investigated. CONCLUSIONS AND CLINICAL RELEVANCE: Enzymes of the CYP 3A4 family and orthologs of CYP 2C9 were involved in ketamine metabolism in horses, dogs, and humans. Methadone and xylazine inhibited in vitro metabolism of ketamine. Therefore, higher concentrations and diminished clearance of ketamine may cause adverse effects when administered concurrently with other analgesics.

An In Vitro Method to Investigate the Microbicidal Potential of Human Macrophages for Use in Psychosomatic Research

OBJECTIVE: Psychological states relate to changes in circulating immune cells, but associations with immune cells in peripheral tissues such as macrophages have hardly been investigated. Here, we aimed to implement and validate a method for measuring the microbicidal potential of ex vivo isolated human monocyte-derived macrophages (HMDMs) as an indicator of macrophage activation. METHODS: The method was implemented and validated for two blood sampling procedures (short-term cannula insertion versus long-term catheter insertion) in 79 participants (34 women, 45 men) aged between 18 and 75 years. The method principle is based on the reduction of 2-(4-iodophenyl)-3-(4-nitrophenyl)-5-(2,4-dis-ulfophenyl)-2H-tetrazolium, monosodium salt (WST-1) by superoxide anions, the first in a series of pathogen-killing reactive oxygen species produced by phorbol myristate acetate-activated HMDM. Cytochrome c reduction and current generation were measured as reference methods for validation purposes. We further evaluated whether depressive symptom severity (Beck Depression Inventory) and chronic stress (Chronic Stress Screening Scale) were associated with macrophage microbicidal potential. RESULTS: The assay induced superoxide anion responses by HMDM in all participants. Assay results depended on blood sampling procedure (cannula versus catheter insertion). Interassay variability as a measure for assay reliability was 10.92% or less. WST-1 reduction scores correlated strongly with results obtained by reference methods (cytochrome c: r = 0.57, p = .026; current generation: r values ≥ 0.47, p values <.033) and with psychological factors (depressive symptom severity: r = 0.35 [cannula insertion] versus r = -0.54 [catheter insertion]; chronic stress: r = 0.36 [cannula insertion]; p values ≤ .047). CONCLUSIONS: Our findings suggest that the implemented in vitro method investigates microbicidal potential of HMDM in a manner that is valid and sensitive to psychological measures.

In vitro metabolism of testosterone in the horse liver and involvement of equine CYPs 3A89, 3A94 and 3A95

Testosterone (TES) 6-β-hydroxylation is a significant metabolic step in the biotransformation of TES in human liver microsomes and reflects cytochrome P450 (CYP) 3A4/5 specific metabolic activity. Several CYP3A enzymes have been annotated in the horse genome, but functional characterization is missing. This descriptive study investigates TES metabolism in the horse liver in vitro and the qualitative contribution of three CYP3A isoforms of the horse. Metabolism of TES was investigated by using equine hepatocyte primary cultures and liver microsomes. Chemical inhibitors were used to determine the CYPs involved in TES biotransformation in equine microsomes. Single CYPs 3A89, 3A94, and 3A95, recombinantly expressed in V79 hamster lung fibroblasts, were incubated with TES and the fluorescent metabolite 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin (BFC). The effect of ketoconazole and troleandomycin was evaluated on single CYPs. Testosterone metabolites were analyzed by HPLC and confirmed by GC/MS. In hepatocyte primary cultures, the most abundant metabolite was androstenedione (AS), whereas in liver microsomes, 6-β-hydroxytestosterone showed the largest peak. Formation of 6-β-hydroxytestosterone and 11-β-hydroxytestosterone in liver microsomes was inhibited by ketoconazole, troleandomycin, and quercetin. Equine recombinant CYP3A95 catalyzed 11-β-hydroxylation of testosterone (TES). Metabolism of BFC was significantly inhibited by ketoconazole in CYP3A95, whereas troleandomycin affected the activities of CYP3A94 and CYP3A95. Both inhibitors had no significant effect on CYP3A89. Metabolic reactions and effects of inhibitors differed between the equine CYP3A isoforms investigated. This has to be considered in future in vitro studies.

Effects of medetomidine and its active enantiomer dexmedetomidine on N-demethylation of ketamine in canines determined in vitro using enantioselective capillary electrophoresis.

Cytochrome P450 (CYP) enzymes catalyze the metabolism of both, the analgesic and anesthetic drug ketamine and the α2 -adrenergic receptor-agonist medetomidine that is used for sedation and analgesia. As racemic medetomidine or its active enantiomer dexmedetomidine are often coadministered with racemic or S-ketamine in animals and dexmedetomidine together with S- or racemic ketamine in humans, drug-drug interactions are likely to occur and have to be characterized. Enantioselective CE with highly sulfated γ-cyclodextrin as chiral selector was employed for analyzing in vitro (i) the kinetics of the N-demethylation of ketamine mediated by canine CYP3A12 and (ii) interactions occurring with racemic medetomidine and dexmedetomidine during coincubation with ketamine and canine liver microsomes (CLM), canine CYP3A12, human liver microsomes (HLM), and human CYP3A4. For CYP3A12 without an inhibitor, Michaelis-Menten kinetics was determined for the single enantiomers of ketamine and substrate inhibition kinetics for racemic ketamine. Racemic medetomidine and dexmedetomidine showed an inhibition of the N-demethylation reaction in the studied canine enzyme systems. Racemic medetomidine is the stronger inhibitor for CLM, whereas there is no difference for CYP3A12. For CLM and CYP3A12, the inhibition of dexmedetomidine is stronger for the R- compared to the S-enantiomer of ketamine, a stereoselectivity that is not observed for CYP3A4. Induction is observed at a low dexmedetomidine concentration with CYP3A4 but not with CYP3A12, CLM, and HLM. Based on these results, S-ketamine combined with dexmedetomidine should be the best option for canines. The enantioselective CE assay with highly sulfated γ-cyclodextrin as chiral selector is an effective tool for determining kinetic and inhibition parameters of metabolic pathways.

Reaction of the Escherichia coli quinol oxidase cytochrome bo3 with dioxygen: the role of a bound ubiquinone molecule.

We have studied the kinetics of the oxygen reaction of the fully reduced quinol oxidase, cytochrome bo3, using flow-flash and stopped flow techniques. This enzyme belongs to the heme-copper oxidase family but lacks the CuA center of the cytochrome c oxidases. Depending on the isolation procedure, the kinetics are found to be either nearly monophasic and very different from those of cytochrome c oxidase or multiphasic and quite similar to cytochrome c oxidase. The multiphasic kinetics in cytochrome c oxidase can largely be attributed to the presence Of CuA as the donor of a fourth electron, which rereduces the originally oxidized low-spin heme and completes the reduction of O2 to water. Monophasic kinetics would thus be expected, a priori, for cytochrome bo3 since it lacks the CuA center, and in this case we show that the oxygen reaction is incomplete and ends with the ferryl intermediate. Multiphasic kinetics thus suggest the presence of an extra electron donor (analogous to CuA). We observe such kinetics exclusively with cytochrome bo3 that contains a single equivalent of bound ubiquinone-8, whereas we find no bound ubiquinone in an enzyme exhibiting monophasic kinetics. Reconstitution with ubiquinone-8 converts the reaction kinetics from monophasic to multiphasic. We conclude that a single bound ubiquinone molecule in cytochrome bo3 is capable of fast rereduction of heme b and that the reaction with O2 is quite similar in quinol and cytochrome c oxidases.

Développement et utilisation de modèles in vitro et de données précliniques pour augmenter la prédictibilité de la perméabilité et du métabolisme intestinal chez l'humain

Tout médicament administré par la voie orale doit être absorbé sans être métabolisé par l’intestin et le foie pour atteindre la circulation systémique. Malgré son impact majeur sur l’effet de premier passage de plusieurs médicaments, le métabolisme intestinal est souvent négligé comparativement au métabolisme hépatique. L’objectif de ces travaux de maîtrise est donc d’utiliser, caractériser et développer différents outils in vitro et in vivo pour mieux comprendre et prédire l’impact du métabolisme intestinal sur l’effet de premier passage des médicaments comparé au métabolisme hépatique. Pour se faire, différents substrats d’enzymes du métabolisme ont été incubés dans des microsomes intestinaux et hépatiques et des différences entre la vitesse de métabolisme et les métabolites produits ont été démontrés. Afin de mieux comprendre l’impact de ces différences in vivo, des études mécanistiques chez des animaux canulés et traités avec des inhibiteurs enzymatiques ont été conduites avec le substrat métoprolol. Ces études ont démontré l’impact du métabolisme intestinal sur le premier passage du métoprolol. De plus, elles ont révélé l’effet sur la vidange gastrique du 1-aminobenzotriazole, un inhibiteur des cytochromes p450, évitant ainsi une mauvaise utilisation de cet outil dans le futur. Ces travaux de maîtrise ont permis d’améliorer les connaissances des différents outils in vitro et in vivo pour étudier le métabolisme intestinal tout en permettant de mieux comprendre les différences entre le rôle de l’intestin et du foie sur l’effet de premier passage.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.