Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Zoonoses professionnelles chez les forestiers : le point sur la borréliose de Lyme, tularémie et leptospirose en Europe

L'objectif de ce travail était d'établir une revue synthétique de la littérature concernant la situation de 3 zoonoses professionnelles en milieu forestier, à savoir la borréliose de Lyme, la tularémie et la leptospirose. Quatre-vingt-trois articles ont été utilisés pour la rédaction de ce travail, dont 30 traitaient spécifiquement de la borréliose de Lyme, 30 de la tularémie et 24 de la leptospirose. Une connaissance générale de chacune des zoonoses, notamment des vecteurs, hôtes et moyens de transmission, est nécessaire pour une bonne compréhension de la problématique et pour établir des mesures préventives adaptées. La situation épidémiologique de chacune d'entre elles est discutée à la fois chez les animaux et l'homme en Europe, puis plus spécifiquement chez les forestiers. Les études menées depuis 1995, s'appuyant principalement sur des analyses séroépidémiologiques, confirment le risque professionnel lié à ces 3 zoonoses chez les forestiers. Elles restent cependant insuffisantes pour quantifier ce risque. Le manque de données épidémiologiques à disposition, notamment pour la tularémie et la leptospirose, à la fois chez les animaux et l'homme, limite considérablement l'évaluation de leurs conséquences. Ce travail permet un aperçu rapide, clair et complet de ces 3 zoonoses professionnelles auxquelles les forestiers sont exposés en Europe et aidera à sensibiliser les professionnels de la santé et les travailleurs du secteur forestier à cette problématique ainsi qu'à la gestion et prévention des risques.

Population pharmacokinetic study to evaluate dosing strategies of imipenem in neonates and infants

Objective: Imipenem is a broad spectrum antibiotic used to treat severe infections in critically ill patients. Imipenem pharmacokinetics (PK) was evaluated in a cohort of neonates treated in the Neonatal Intensive Care Unit of the Lausanne University Hospital. The objective of our study was to identify key demographic and clinical factors influencing imipenem exposure in this population. Method: PK data from neonates and infants with at least one imipenem concentration measured between 2002 and 2013 were analyzed applying population PK modeling methods. Measurement of plasma concentrations were performed upon the decision of the physician within the frame of a therapeutic drug monitoring (TDM) programme. Effects of demographic (sex, body weight, gestational age, postnatal age) and clinical factors (serum creatinine as a measure of kidney function; co-administration of furosemide, spironolactone, hydrochlorothiazide, vancomycin, metronidazole and erythromycin) on imipenem PK were explored. Model-based simulations were performed (with a median creatinine value of 46 μmol/l) to compare various dosing regimens with respect to their ability to maintain drug levels above predefined minimum inhibitory concentrations (MIC) for at least 40 % of the dosing interval. Results: A total of 144 plasma samples was collected in 68 neonates and infants, predominantly preterm newborns, with median gestational age of 27 weeks (24 - 41 weeks) and postnatal age of 21 days (2 - 153 days). A two-compartment model best characterized imipenem disposition. Actual body weight exhibited the greatest impact on PK parameters, followed by age (gestational age and postnatal age) and serum creatinine on clearance. They explain 19%, 9%, 14% and 9% of the interindividual variability in clearance respectively. Model-based simulations suggested that 15 mg/kg every 12 hours maintain drug concentrations over a MIC of 2 mg/l for at least 40% of the dosing interval during the first days of life, whereas neonates older than 14 days of life required a dose of 20 mg/kg every 12 hours. Conclusion: Dosing strategies based on body weight and post-natal age are recommended for imipenem in all critically ill neonates and infants. Most current guidelines seem adequate for newborns and TDM should be restricted to some particular clinical situations.

Implementation of bayesian therapeutic drug monitoring in modern patient care

The variability observed in drug exposure has a direct impact on the overall response to drug. The largest part of variability between dose and drug response resides in the pharmacokinetic phase, i.e. in the dose-concentration relationship. Among possibilities offered to clinicians, Therapeutic Drug Monitoring (TDM; Monitoring of drug concentration measurements) is one of the useful tool to guide pharmacotherapy. TDM aims at optimizing treatments by individualizing dosage regimens based on blood drug concentration measurement. Bayesian calculations, relying on population pharmacokinetic approach, currently represent the gold standard TDM strategy. However, it requires expertise and computational assistance, thus limiting its large implementation in routine patient care. The overall objective of this thesis was to implement robust tools to provide Bayesian TDM to clinician in modern routine patient care. To that endeavour, aims were (i) to elaborate an efficient and ergonomic computer tool for Bayesian TDM: EzeCHieL (ii) to provide algorithms for drug concentration Bayesian forecasting and software validation, relying on population pharmacokinetics (iii) to address some relevant issues encountered in clinical practice with a focus on neonates and drug adherence. First, the current stage of the existing software was reviewed and allows establishing specifications for the development of EzeCHieL. Then, in close collaboration with software engineers a fully integrated software, EzeCHieL, has been elaborated. EzeCHieL provides population-based predictions and Bayesian forecasting and an easy-to-use interface. It enables to assess the expectedness of an observed concentration in a patient compared to the whole population (via percentiles), to assess the suitability of the predicted concentration relative to the targeted concentration and to provide dosing adjustment. It allows thus a priori and a posteriori Bayesian drug dosing individualization. Implementation of Bayesian methods requires drug disposition characterisation and variability quantification trough population approach. Population pharmacokinetic analyses have been performed and Bayesian estimators have been provided for candidate drugs in population of interest: anti-infectious drugs administered to neonates (gentamicin and imipenem). Developed models were implemented in EzeCHieL and also served as validation tool in comparing EzeCHieL concentration predictions against predictions from the reference software (NONMEM®). Models used need to be adequate and reliable. For instance, extrapolation is not possible from adults or children to neonates. Therefore, this work proposes models for neonates based on the developmental pharmacokinetics concept. Patients' adherence is also an important concern for drug models development and for a successful outcome of the pharmacotherapy. A last study attempts to assess impact of routine patient adherence measurement on models definition and TDM interpretation. In conclusion, our results offer solutions to assist clinicians in interpreting blood drug concentrations and to improve the appropriateness of drug dosing in routine clinical practice.

Programme cantonal diabète dans le canton de Vaud indicateurs pour le suivi et le baromètre : rapport final

Le Programme cantonal Diabète souhaite collecter des indicateurs afin d'objectiver son suivi et produire un Baromètre Diabète Vaud qui serait publié et distribué périodiquement à un public large. Ce rapport présente les indicateurs suggérés par l'IUMSP, mandaté afin d'établir une liste raisonnée d'indicateurs sur le diabète pour le canton de Vaud. La sélection d'indicateurs s'est faite d'après plusieurs critères, parmi lesquels la disponibilité des indicateurs actuelle et à long terme, ainsi que leur pertinence avérée par la littérature. Ce rapport décrit les résultats pour les indicateurs sélectionnés, ainsi que les informations nécessaires à leur compréhension : source, fréquence de mise à disposition, méthode de calcul, limites, références éventuelles. Parmi les indicateurs décrits dans ce rapport, certains sont proposés comme spécialement pertinents à inclure dans le futur Baromètre Diabète Vaud. Aussi, une suggestion de présentation de ces indicateurs (fiches descriptives) est articulée pour ce dernier.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

Cost evaluation and comparison of three decision strategies for cardiac revascularization : results of the suspected CAD protocol of the European CMR registry

Background: The public health burden of coronary artery disease (CAD) is important. Perfusion cardiac magnetic resonance (CMR) is generally accepted to detect and monitor CAD. Few studies have so far addressed its costs and costeffectiveness. Objectives: To compare in a large CMR registry the costs of a CMR-guided strategy vs two hypothetical invasive strategies for the diagnosis and the treatment of patients with suspected CAD. Methods: In 3'647 patients with suspected CAD included prospectively in the EuroCMR Registry (59 centers; 18 countries) costs were calculated for diagnostic examinations, revascularizations as well as for complication management over a 1-year follow-up. Patients with ischemia-positive CMR underwent an invasive X-ray coronary angiography (CXA) and revascularization at the discretion of the treating physician (=CMR+CXA strategy). Ischemia was found in 20.9% of patients and 17.4% of them were revascularized. In ischemia-negative patients by CMR, cardiac death and non-fatal myocardial infarctions occurred in 0.38%/y. In a hypothetical invasive arm the costs were calculated for an initial CXA followed by FFR testing in vessels with ≥50% diameter stenoses (=CXA+FFR strategy). To model this hypothetical arm, the same proportion of ischemic patients and outcome was assumed as for the CMR+CXA strategy. The coronary stenosis - FFR relationship reported in the literature was used to derive the proportion of patients with ≥50% diameter stenoses (Psten) in the study cohort. The costs of a CXA-only strategy were also calculated. Calculations were performed from a third payer perspective for the German, UK, Swiss, and US healthcare systems.

Calculations of Boiling Two-Phase Flow Using a Porous Media Model

Boiling two-phase flow and the equations governing the motion of fluid in two-phase flows are discussed in this thesis. Disposition of the governing equations in three-dimensional complex geometries is considered from the perspective of the porous medium concept. The equations governing motion in two-phase flows were formulated, discretized and implemented in a subroutine for pressure-velocity solution utilizing the SIMPLE algorithm modified for two-phase flow. The subroutine was included in PORFLO, which is a three-dimensional 5-equation porous media model developed at VTT by Jaakko Miettinen. The development of two-phase flow and the resulting void fraction distribution was predicted in a geometry resembling a section of BWR fuel bundle in a couple of test cases using PORFLO.

Cartographie et analyse des données disponibles pour estimer le nombre de préservatifs écoulés sur le marché suisse en une année

L'Office fédéral de la santé publique (OFSP) a mandaté la Fédération romande des consommateurs (FRC) et l'Institut universitaire de médecine sociale et préventive (IUMSP) pour réaliser une cartographie du marché des préservatifs et analyser les données disponibles pour estimer le nombre de préservatifs écoulés sur le marché suisse en une année. Les données disponibles identifiées sont les suivantes : 1. Données Verein : l'Association pour le label de qualité des préservatifs possède des données sur le nombre de préservatifs testés chaque année pour l'obtention du label OK. Ces données constituent une estimation du nombre de préservatifs ayant suivi la procédure de certification du label OK. Ces dernières années, des entreprises auraient renoncé à leur collaboration avec l'association pour le label de qualité, ce qui réduit la fiabilité de cette méthode pour suivre l'évolution du marché des préservatifs en Suisse. 2. Données douanes : l'Administration fédérale des douanes établit une statistique du commerce extérieur et met à disposition une base de données qui donne accès aux données statistiques d'importation et d'exportation de préservatifs. Etant donné que cette statistique se base sur les données indiquées par les importateurs et les exportateurs, des erreurs de déclaration peuvent être commises. 3. Données IUMSP : entre 1986 et 2011, l'IUMSP a reçu des producteurs/importateurs des données de mises sur le marché de préservatifs. Ces données, fiables car provenant directement des producteurs/importateurs, ne sont malheureusement plus complètes depuis 2012, en raison d'une difficulté croissante à obtenir de telles informations. 4. Données Nielsen et IMS Health : Nielsen et IMS HEalth sont des entreprises privées qui recensent les données de vente des préservatifs en Suisse réalisées dans les commerces de détail, ainsi que dans les drogueries et pharmacies. Ces données constituent des données de vente réelles obtenues grâce à l'enregistrement des mouvements de la marchandise lors du passage en caisse dans les magasins. La couverture des points de vente est élevée (près de 80% pour les données Nielsen) et stable dans le temps.

Suivi thérapeutique pharmacologique des inhibiteurs de protéines kinases

La plupart des inhibiteurs de protéines kinases développés en nombre à la suite de l'imatinib partagent avec celui-ci les caractéristiques des médicaments candidats au suivi thérapeutique pharmacologique : importante variabilité pharmacocinétique entre patients, influences de traits pharmacogénétiques et d'atteintes d'organes, potentiel d'interactions médicamenteuses, relations stables entre exposition et efficacité ou toxicité, index thérapeutique restreint. Alors que le profilage génétique des tumeurs ouvre la voie vers une oncologie personnalisée quant au choix des molécules thérapeutiques, le monitoring des concentrations et l'individualisation des posologies devraient assurer que chaque patient est exposé aux concentrations lui garantissant la meilleure efficacité pour le minimum de toxicité. Pour cela, il faut d'abord disposer d'études observationnelles décrivant la pharmacocinétique de population du médicament et les concentrations attendues sous une posologie donnée. Des études pharmacodynamiques doivent aussi déterminer les relations concentration-efficacité-toxicité, dont découlent les cibles d'exposition à viser par le traitement. Sur ces bases, une stratégie rationnelle de monitoring peut être élaborée, puis testée dans des essais cliniques randomisés contrôlés. Les progrès se font attendre dans ce domaine, en raison non seulement du désintérêt des groupes pharmaceutiques, des cliniciens et des autorités, mais aussi des difficultés inhérentes au processus de suivi des concentrations, tel qu'il se pratique aujourd'hui. Des innovations technologiques associant des méthodes de mesure miniaturisées intégrées à des systèmes électroniques et une connexion à des outils informatiques d'assistance à l'interprétation pourraient prochainement mettre ce monitoring à la disposition immédiate des oncologues sur le lieu de consultation.

In Vivo Profiling and Distribution of Known and Novel Phase I and Phase II Metabolites of Efavirenz in Plasma, Urine, and Cerebrospinal Fluid.

Efavirenz (EFV) is principally metabolized by CYP2B6 to 8-hydroxy-efavirenz (8OH-EFV) and to a lesser extent by CYP2A6 to 7-hydroxy-efavirenz (7OH-EFV). So far, most metabolite profile analyses have been restricted to 8OH-EFV, 7OH-EFV, and EFV-N-glucuronide, even though these metabolites represent a minor percentage of EFV metabolites present in vivo. We have performed a quantitative phase I and II metabolite profile analysis by tandem mass spectrometry of plasma, cerebrospinal fluid (CSF), and urine samples in 71 human immunodeficiency virus patients taking efavirenz, prior to and after enzymatic (glucuronidase and sulfatase) hydrolysis. We have shown that phase II metabolites constitute the major part of the known circulating efavirenz species in humans. The 8OH-EFV-glucuronide (gln) and 8OH-EFV-sulfate (identified for the first time) in humans were found to be 64- and 7-fold higher than the parent 8OH-EFV, respectively. In individuals (n = 67) genotyped for CYP2B6, 2A6, and CYP3A metabolic pathways, 8OH-EFV/EFV ratios in plasma were an index of CYP2B6 phenotypic activity (P < 0.0001), which was also reflected by phase II metabolites 8OH-EFV-glucuronide/EFV and 8OH-EFV-sulfate/EFV ratios. Neither EFV nor 8OH-EFV, nor any other considered metabolites in plasma were associated with an increased risk of central nervous system (CNS) toxicity. In CSF, 8OH-EFV levels were not influenced by CYP2B6 genotypes and did not predict CNS toxicity. The phase II metabolites 8OH-EFV-gln, 8OH-EFV-sulfate, and 7OH-EFV-gln were present in CSF at 2- to 9-fold higher concentrations than 8OH-EFV. The potential contribution of known and previously unreported EFV metabolites in CSF to the neuropsychological effects of efavirenz needs to be further examined in larger cohort studies.

Cost-minimization analysis of three decision strategies for cardiac revascularization : results of the "suspected CAD"cohort of the european cardiovascular magnetic resonance registry.

BACKGROUND: Coronary artery disease (CAD) continues to be one of the top public health burden. Perfusion cardiovascular magnetic resonance (CMR) is generally accepted to detect CAD, while data on its cost effectiveness are scarce. Therefore, the goal of the study was to compare the costs of a CMR-guided strategy vs two invasive strategies in a large CMR registry. METHODS: In 3'647 patients with suspected CAD of the EuroCMR-registry (59 centers/18 countries) costs were calculated for diagnostic examinations (CMR, X-ray coronary angiography (CXA) with/without FFR), revascularizations, and complications during a 1-year follow-up. Patients with ischemia-positive CMR underwent an invasive CXA and revascularization at the discretion of the treating physician (=CMR + CXA-strategy). In the hypothetical invasive arm, costs were calculated for an initial CXA and a FFR in vessels with ≥50 % stenoses (=CXA + FFR-strategy) and the same proportion of revascularizations and complications were applied as in the CMR + CXA-strategy. In the CXA-only strategy, costs included those for CXA and for revascularizations of all ≥50 % stenoses. To calculate the proportion of patients with ≥50 % stenoses, the stenosis-FFR relationship from the literature was used. Costs of the three strategies were determined based on a third payer perspective in 4 healthcare systems. RESULTS: Revascularizations were performed in 6.2 %, 4.5 %, and 12.9 % of all patients, patients with atypical chest pain (n = 1'786), and typical angina (n = 582), respectively; whereas complications (=all-cause death and non-fatal infarction) occurred in 1.3 %, 1.1 %, and 1.5 %, respectively. The CMR + CXA-strategy reduced costs by 14 %, 34 %, 27 %, and 24 % in the German, UK, Swiss, and US context, respectively, when compared to the CXA + FFR-strategy; and by 59 %, 52 %, 61 % and 71 %, respectively, versus the CXA-only strategy. In patients with typical angina, cost savings by CMR + CXA vs CXA + FFR were minimal in the German (2.3 %), intermediate in the US and Swiss (11.6 % and 12.8 %, respectively), and remained substantial in the UK (18.9 %) systems. Sensitivity analyses proved the robustness of results. CONCLUSIONS: A CMR + CXA-strategy for patients with suspected CAD provides substantial cost reduction compared to a hypothetical CXA + FFR-strategy in patients with low to intermediate disease prevalence. However, in the subgroup of patients with typical angina, cost savings were only minimal to moderate.

Sedation palliative: aspects cliniques pratiques [Clinical and practical aspects of palliative sedation]

Un certain nombre de patients palliatifs en fin de vie présentent des symptômes qui ne peuvent pas être soulagés malgré la mise en oeuvre de tous les moyens traditionnels à disposition. Pour ces patients, lorsque des symptômes réfractaires induisent une souffrance intolérable, la sédation palliative est un moyen de dernier recours qui peut leur offrir un soulagement transitoire ou même définitif. Tout en présentant les enjeux éthiques, cet article explore les dimensions cliniques d'ordre pratique qui peuvent se présenter lors d'une sédation palliative chez un patient en fin de vie. Patients at the end-of-life may present with refractory symptoms which cannot be adequately relieved despite the use of all traditional means. When refractory symptoms lead to intolerable suffering, palliative sedation is a last recourse temporary or definitive treatment. While discussing ethical issues, clinical practice dimensions of palliative sedation are explored in this article

Le sentiment de gratitude en soins palliatifs : un facteur contribuant au bien-être et à la qualité de vie ? [Gratitude in palliative care: is it a psychological factor contributing to well-being and quality of life?]

En s'appuyant sur la littérature scientifique et l'état de la recherche, cet article a pour objectif de montrer pourquoi la prise en compte du sentiment de gratitude peut s'avérer utile dans le contexte palliatif en mettant en évidence dans quelle mesure cette émotion ou disposition individuelle: 1) entre en résonance avec le concept de croissance posttraumatique et certains enjeux relationnels chez les patients en fin de vie; 2) représente un facteur favorisant le bien-être et la qualité de vie; 3) peut être considérée comme un facteur protecteur contre les troubles psychopathologiques. Based on the scientific literature and the state of research, this article aims to show why the feeling of gratitude may represent a point of interest for palliative care. We will highlight the following in this article: 1) why this feeling of gratitude resonates with the concept of post-traumatic growth and relational challenges in end-of-life patients; 2) in which measure this feeling represents a factor contributing to well-being and quality of life; 3) in which measure this feeling may be considered as a protective factor against psychopathological troubles.

Identification of novel factors during the establishment of the Casparian strip in the endodermis

Multicellular organisms rely on specialized tissues that allow for the controlled exchange of matter with their surrounding. In order to function properly, these tissues need to establish a tight connection between the individual cells to prevent uncontrolled passive diffusion across the extracellular space. In animals, these connections are called tight and adherens junctions and are a critical feature of epithelia. These connections, however, rely on direct protein-protein interaction of plasma membrane proteins of adjacent cells. Such a mechanism is not possible in plants due to the cell wall, which encases the individual cells. In order to absorb nutrients, while simultaneously preventing uncontrolled diffusion between cells, land plants have evolved the root endodermis, which is functionally equivalent to animal epithelia. Its cells are surrounded by a precisely localized and aligned, ring-like lignin deposition, called the Casparian strip, and therefore tightly connected between each other. Very little was known about the development of the endodermis and the Casparian strip until recently. In the meantime, however, we have identified a family of endodermis- specific proteins, the CASPs, which recruits extracellular proteins the specific Casparian strip membrane domain (CSD) to locally synthesize lignin in the cell wall. Yet, we hardly knew any specifics on how the CSD is initially defined and how the critically important CASPs are being recruited to it. We therefore conducted a forward genetic screen on the localization of CASPI-GFP in order to identify novel mutants, which lack a defined CSD. We identified 48 mutants, which fell into 15 different complementation groups. While some of the isolated genes had previously been identified through different approaches, nine novel genes, which had never been implicated in CSD development and maintenance, were identified. One of them, LORD OF THE RINGS 2 (.LOTR2) is described to greater detail in this work. LOTR2 encodes for EX070A1, a protein of the evolutionary conserved exocyst complex. This complex has frequently been implicated in various secretory processes across kingdoms. In Arabidopsis, it transiently defines the positioning of CASPI-GFP. We have performed a detailed analysis of the dynamics of EX070A1 and CASPI-GFP, including studies with other markers and propose a mechanism, by which the cytosolic EX070A1 transiently defines a plasma membrane domain to recruit transmembrane proteins, which then recruit extracellular enzymes for localized cell wall modification. Considering the ubiquitous expression of EX070A1, we think that this mechanism is potentially of importance not only for the endodermis and the Casparian strip but also for many other tissues, in which the cell wall becomes locally modified. In fact, many other tissues with secondary cell wall modifications contain proteins very similar to the CASPs. It will be interesting to see to which degree this mechanism is employed in other tissues. As for the endodermis, we have now identified the first gene, which is not specific to the endodermis but shows endodermis-specific dynamics. This might give us a better insight on how the plant modulates this ubiquitously present factor in a cell- or tissue-type specific manner. Considering the knowledge, mutants and tools, which are available to us for investigating the endodermis, the Casparian strip, the exocyst complex and EX070A1 might be just the right experimental system to address these questions. -- Les organismes multicellulaires dépendent des tissues spécialisé pour l'échange contrôlé entre eux et leur environnement. Pour leur bon fonctionnement, les cellules de ces tissus ont besoin d'être très étroitement assemblés afin de prévenir la diffusion non-contrôlée à travers l'espace extracellulaire. Chez les animaux, ces connexions sont appelées jonctions serrées et jonctions adhérentes. Ces jonctions dépendent des interactions directes entre les protéines des cellules voisines. Ceci n'est pas possible chez les plantes à cause de la paroi cellulaire qui recouvre chaque cellule individuellement. Pour absorber les nutriments et en même temps empêcher la diffusion non-contrôlé entre cellules, les plantes ont évolué 1'endoderme dans la racine, qui est fonctionnellement équivalent aux épithéliums des animaux. Les cellules de l'endoderme sont ceinturées par une déposition de lignine très précisément localisées comme un anneau et alignées entre les cellules, et qui, donc, connecte étroitement les cellules avoisinante: Le cadre de Caspary. Peu était connu sur le développement de l'endoderme et le cadre de Caspaiy jusqu'à il y a quelques années. Récemment, pourtant, nous avons identifié une famille de protéines spécifiques à l'endoderme, les CASPs, qui définissent le domaine membranaire du cadre de Caspaiy (CSD). Les CASPs recrutent les protéines extracellulaires nécessaire à la synthèse du cadre de Caspary vers une région limité dans la paroi cellulaire. Pourtant, on connaît très peu les processus spécifiques concernant la définition initiale du CSD et comment les CASPs, qui ont une importance cruciale, sont recrutées vers ce domaine. Par conséquent nous avons mené un crible génétique sur la localisation du CASPI- GFP, qui sert comme marqueur pour le CSD. Notre but étant d'isoler de nouveaux mutants affectés dans l'établissement du CSD. Nous avons identifié 48 mutants, en 15 groupes de complémentation. Bien que certains des gènes isolés étaient déjà impliqué dans la formation du cadre de Caspary, neuf nouveaux gènes n'ayant jamais été impliqués dans le développement ou la maintenance du CSD ont pu être identifiés. Un de ces gènes, LORD OF THE RINGS2 (LOTR2) sera décrit plus en détail dans cette étude. LOTR2 code pour EX070A1, qui est une protéine, du complexe exocyste. Ce complexe de protéines a très bien été conservé au cours de l'évolution. Il était souvent impliqué dans plusieurs processus de sécrétion dans toutes les branches de la vie. Chez Arabidopsis, EX070A1 définit la position du CSD d'une façon transitoire et recrute CASP1- GFP. Nous avons mené une analyse détaillée des dynamiques d'EX070Al et CASPI-GFP ainsi que, des études avec des autres mutants. Nous proposons un mécanisme, d'après lequel EX070A1, recruté du cytosol, définit un domaine dans la membrane plasmique pour localiser des protéines transmembranaires, ces dernières ensuite recruteront des enzymes extracellulaires pour la modification locale de la paroi cellulaire. Vu qu'EX070A1 est exprimé dans toute dans la plante, nous pensons que ce mécanisme est potentiellement important non seulement pour l'endoderme et le cadre de Caspary, mais aussi pour les autres tissus où la paroi cellulaire doit être localement modifiée. En effet, plusieurs autres tissus contiennent des protéines très similaires aux CASPs. Il serait intéressant de voir à quelle dégrée ce mécanisme est également utilisé dans ces tissues. En ce qui concerne l'endoderme, nous avons maintenant identifié le premier gène qui n'est pas exprimé spécifiquement dans l'endoderme, mais qui montre tout de même une dynamique caractéristique dans ce tissu. Il serait intéressant de voir comment la plante peut moduler ce facteur omniprésent d'une façon spécifique. Vu les connaissances, les mutants et les outils qu'on a maintenant à notre disposition, l'endoderme et son cadre de Caspary, le complexe exocyste et EX070A1 sont probablement des bons systèmes expérimentaux pour étudier ces questions. -- Identification des nouveaux facteurs pendant l'établissement du cadre de Caspary dans l'endoderme. Lothar Kalmbach, Département de Biologie Moléculaire Végétale (DBMV), Université de Lausanne. Comme tous les autres organismes multicellulaires, les plantes terrestres dépendent de tissus spécialisés pour l'échange contrôlé avec leur environnement. Ces tissus sont importants pour l'absorption des nutriments mais également pour éviter l'influx de composés toxiques. Chez les plantes, ce tissu se trouve dans la racine. C'est l'endoderme. Grâce au cadre de Caspary, qui permet une forte connexion entre les cellules au niveau de leur paroi, l'endoderme empêche les éléments toxiques d'entrer dans le système vasculaire. Depuis quelques années, nous comprenons de plus en plus la nature et la biosynthèse, ainsi que les protéines impliquées dans l'ancrage des enzymes à la membrane plasmique. Nous n'avons eu, par contre, aucune idée sur le mécanisme qui d'abord définit cet endroit dans la membrane plasmique. Nous avons mené un crible génétique sur la localisation de CASPI-GFP, une protéine, qui recrute les enzymes extracellulaires pour la synthèse du cadre de Caspary. Nous avons identifié plusieurs nouveaux gènes qui sont impliqués dans l'intégrité du cadre de Caspary. L'un de ces gènes est EX070A1, qui est un facteur ayant un rôle important lors de la sécrétion des protéines dans tous les organismes eukaryotes. Ces mutants sont gravement affectés au niveau du cadre de Caspary, mais surtout ils ne sont plus capables de localiser CASPI-GFP. Nous avons suivi la dynamique d'EX070Al et de CASP1-GFP en combinaison avec d'autres marqueurs. Nous avons pu montrer que l'accumulation d'EX070Al est spécifique pour l'endoderme et essentielle pour bien localiser CASPI-GFP et donc, le cadre de Caspary. Ces résultats nous aident à mieux comprendre le développement de l'endoderme mais peuvent potentiellement aussi être utilisés pour étudier les modifications de la paroi cellulaire dans d'autres cellules de la plante.