Optimisation et évaluation d’un nouveau test PAMPA amélioré pour la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments.

Ce mémoire rapporte l’optimisation et l’évaluation d’une nouvelle version du test PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) appelée Néo-PAMPA. Ce test qui permet la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments consiste en l’utilisation d’une membrane modèle de la paroi intestinale composée d’une bicouche lipidique déposée sur un coussin de polydopamine recouvrant un filtre poreux. En effet, nous nous sommes intéressés lors de ce projet à la mise en place d’une membrane artificielle qui serait plus représentative de la paroi intestinale humaine. Nous avons pu déterminer, suite à une étude comparative des propriétés de huit médicaments ainsi que les coefficients de perméabilité obtenus, que les filtres en polycarbonate présentaient le meilleur choix de support solide pour la membrane. Nous avons également vérifié la déposition du coussin de polydopamine qui apporte le caractère fluide à la bicouche lipidique. Les résultats des tests de perméabilité ont démontré que le coussin de polymère n’obstrue pas les pores du filtre après un dépôt de 4h. Nous avons par la suite étudié la déposition de la bicouche lipidique sur le filtre recouvert de polydopamine. Pour ce faire, deux méthodes de préparation de liposomes ainsi que plusieurs tailles de liposomes ont été testées. Aussi, la composition en phospholipides a été sujette à plusieurs changements. Tous ces travaux d’optimisation ont permis d’aboutir à des liposomes préparés selon la méthode du « film lipidique » à partir d’un mélange de dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) et de cholestérol. Une dernière étape d’optimisation de la déposition de la bicouche reste à améliorer. Enfin, le test standard Caco-2, qui consiste à évaluer la perméabilité des médicaments à travers une monocouche de cellules cancéreuses du colon humain, a été implémenté avec succès dans le but de comparer des données de perméabilité avec un test de référence.

Intestin et défauts métaboliques dans la résistance à l'insuline

En lien avec l’augmentation constante de l’obésité, de plus en plus de personnes sont atteintes de résistance à l’insuline ou de diabète de type 2. Ce projet doctoral s’est surtout intéressé à l’une des conséquences majeures des pathologies cardiométaboliques, soit la dyslipidémie diabétique. À cet égard, les gens présentant une résistance à l’insuline ou un diabète de type 2 sont plus à risque de développer des perturbations lipidiques caractérisées essentiellement par des taux élevés de triglycérides et de LDL-cholestérol ainsi que de concentrations restreintes en HDL-cholestérol dans la circulation. Les risques de maladies cardiovasculaires sont ainsi plus élevés chez ces patients. Classiquement, trois organes sont connus pour développer l’insulino-résistance : le muscle, le tissu adipeux et le foie. Néanmoins, certaines évidences scientifiques commencent également à pointer du doigt l’intestin, un organe critique dans la régulation du métabolisme des lipides postprandiaux, et qui pourrait, conséquemment, avoir un impact important dans l’apparition de la dyslipidémie diabétique. De façon très intéressante, des peptides produits par l’intestin, notamment le GLP-1 (glucagon-like peptide-1), ont déjà démontré leur potentiel thérapeutique quant à l’amélioration du statut diabétique et leur rôle dans le métabolisme intestinal lipoprotéinique. Une autre évidence est apportée par la chirurgie bariatrique qui a un effet positif, durable et radical sur la perte pondérale, le contrôle métabolique et la réduction des comorbidités du diabète de type 2, suite à la dérivation bilio-intestinale. Les objectifs centraux du présent programme scientifique consistent donc à déterminer le rôle de l’intestin dans (i) l’homéostasie lipidique/lipoprotéinique en réponse à des concentrations élevées de glucose (à l’instar du diabète) et à des peptides gastro-intestinaux tels que le PYY (peptide YY); (ii) la coordination du métabolisme en disposant de l’AMPK (AMP-activated protein kinase) comme senseur incontournable permettant l’ajustement précis des besoins et disponibilités énergétiques cellulaires; et (iii) l’ajustement de sa capacité d’absorption des graisses alimentaires en fonction du gain ou de la perte de sa sensibilité à l’insuline démontrée dans les spécimens intestinaux humains prélevés durant la chirurgie bariatrique. Dans le but de confirmer le rôle de l’intestin dans la dyslipidémie diabétique, nous avons tout d’abord utilisé le modèle cellulaire intestinal Caco-2/15. Ces cellules ont permis de démontrer qu’en présence de hautes concentrations de glucose en basolatéral, telle qu’en condition diabétique, l’intestin absorbe davantage de cholestérol provenant de la lumière intestinale par l’intermédiaire du transporteur NPC1L1 (Niemann Pick C1-like 1). L’utilisation de l’ezetimibe, un inhibiteur du NPC1L1, a permis de contrecarrer cette augmentation de l’expression de NPC1L1 tout comme l’élévation de l’absorption du cholestérol, prouvant ainsi que le NPC1L1 est bel et bien responsable de cet effet. D’autre part, des travaux antérieurs avaient identifié certains indices quant à un rôle potentiel du peptide intestinal PYY au niveau du métabolisme des lipides intestinaux. Toutefois, aucune étude n’avait encore traité cet aspect systématiquement. Pour établir définitivement l’aptitude du PYY à moduler le transport et le métabolisme lipidique dans l’intestin, nous avons utilisé les cellules Caco-2/15. Notre étude a permis de constater que le PYY incubé du côté apical est capable de réduire significativement l’absorption du cholestérol et le transporteur NPC1L1. Puisque le rôle de l'AMPK dans l'intestin demeure inexploré, il est important non seulement de définir sa structure moléculaire, sa régulation et sa fonction dans le métabolisme des lipides, mais aussi d'examiner l'impact de l’insulino-résistance et du diabète de type 2 (DT2) sur son statut et son mode d’action gastro-intestinal. En employant les cellules Caco-2/15, nous avons été capables de montrer (i) la présence de toutes les sous-unités AMPK (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) avec une différence marquée dans leur abondance et une prédominance de l’AMPKα1 et la prévalence de l’hétérotrimère α1/β2/γ1; (ii) l’activation de l’AMPK par la metformine et l’AICAR, résultant ainsi en une phosphorylation accrue de l’enzyme acétylCoA carboxylase (ACC) et sans influence sur l'HMG-CoA réductase; (iii) la modulation négative de l’AMPK par le composé C et des concentrations de glucose élevées avec des répercussions sur la phosphorylation de l’ACC. D’autre part, l’administration de metformine au Psammomys obesus, un modèle animal de diabète et de syndrome métabolique, a conduit à (i) une régulation positive de l’AMPK intestinale (phosphorylation de l’AMPKα-Thr172); (ii) la réduction de l'activité ACC; (iii) l’augmentation de l’expression génique et protéique de CPT1, supportant une stimulation de la β-oxydation; (iv) une tendance à la hausse de la sensibilité à l'insuline représentée par l’induction de la phosphorylation d'Akt et l’inactivation de la phosphorylation de p38; et (v) l’abaissement de la formation des chylomicrons ce qui conduit à la diminution de la dyslipidémie diabétique. Ces données suggèrent que l'AMPK remplit des fonctions clés dans les processus métaboliques de l'intestin grêle. La preuve flagrante de l’implication de l’intestin dans les événements cardiométaboliques a été obtenue par l’examen des spécimens intestinaux obtenus de sujets obèses, suite à une chirurgie bariatrique. L’exploration intestinale nous a permis de constater chez ceux avec un indice HOMA élevé (marqueur d’insulinorésistance) (i) des défauts de signalisation de l'insuline comme en témoigne la phosphorylation réduite d'Akt et la phosphorylation élevée de p38 MAPK; (ii) la présence du stress oxydatif et de marqueurs de l'inflammation; (iii) la stimulation de la lipogenèse et de la production des lipoprotéines riches en triglycérides avec l’implication des protéines clés FABP, MTP et apo B-48. En conclusion, l'intestin grêle peut être classé comme un tissu insulino-sensible et répondant à plusieurs stimuli nutritionnels et hormonaux. Son dérèglement peut être déclenché par le stress oxydatif et l'inflammation, ce qui conduit à l'amplification de la lipogenèse et la synthèse des lipoprotéines, contribuant ainsi à la dyslipidémie athérogène chez les patients atteints du syndrome métabolique et de diabète de type 2.

High-amylose carboxymethyl starch matrices for oral sustained drug-release : in vitro and in vivo evaluation

Les amidons non modifiées et modifiés représentent un groupe d’excipients biodégradables et abondants particulièrement intéressant. Ils ont été largement utilisés en tant qu’excipients à des fins diverses dans des formulations de comprimés, tels que liants et/ou agents de délitement. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose atomisé (SD HASCA) a été récemment proposé comme un excipient hydrophile à libération prolongée innovant dans les formes posologiques orales solides. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose amorphe (HASCA) a d'abord été produit par l'éthérification de l'amidon de maïs à haute teneur en amylose avec le chloroacétate. HASCA a été par la suite séché par atomisation pour obtenir le SD HASCA. Ce nouvel excipient a montré des propriétés présentant certains avantages dans la production de formes galéniques à libération prolongée. Les comprimés matriciels produits à partir de SD HASCA sont peu coûteux, simples à formuler et faciles à produire par compression directe. Le principal objectif de cette recherche était de poursuivre le développement et l'optimisation des comprimés matriciels utilisant SD HASCA comme excipient pour des formulations orales à libération prolongée. A cet effet, des tests de dissolution simulant les conditions physiologiques du tractus gastro-intestinal les plus pertinentes, en tenant compte de la nature du polymère à l’étude, ont été utilisés pour évaluer les caractéristiques à libération prolongée et démontrer la performance des formulations SD HASCA. Une étude clinique exploratoire a également été réalisée pour évaluer les propriétés de libération prolongée de cette nouvelle forme galénique dans le tractus gastro-intestinal. Le premier article présenté dans cette thèse a évalué les propriétés de libération prolongée et l'intégrité physique de formulations contenant un mélange comprimé de principe actif, de chlorure de sodium et de SD HASCA, dans des milieux de dissolution biologiquement pertinentes. L'influence de différentes valeurs de pH acide et de temps de séjour dans le milieu acide a été étudiée. Le profil de libération prolongée du principe actif à partir d'une formulation de SD HASCA optimisée n'a pas été significativement affecté ni par la valeur de pH acide ni par le temps de séjour dans le milieu acide. Ces résultats suggèrent une influence limitée de la variabilité intra et interindividuelle du pH gastrique sur la cinétique de libération à partir de matrices de SD HASCA. De plus, la formulation optimisée a gardé son intégrité pendant toute la durée des tests de dissolution. L’étude in vivo exploratoire a démontré une absorption prolongée du principe actif après administration orale des comprimés matriciels de SD HASCA et a montré que les comprimés ne se sont pas désintégrés en passant par l'estomac et qu’ils ont résisté à l’hydrolyse par les α-amylases dans l'intestin. Le deuxième article présente le développement de comprimés SD HASCA pour une administration orale une fois par jour et deux fois par jour contenant du chlorhydrate de tramadol (100 mg et 200 mg). Ces formulations à libération prolongée ont présenté des valeurs de dureté élevées sans nécessiter l'ajout de liants, ce qui facilite la production et la manipulation des comprimés au niveau industriel. La force de compression appliquée pour produire les comprimés n'a pas d'incidence significative sur les profils de libération du principe actif. Le temps de libération totale à partir de comprimés SD HASCA a augmenté de manière significative avec le poids du comprimé et peut, de ce fait, être utilisé pour moduler le temps de libération à partir de ces formulations. Lorsque les comprimés ont été exposés à un gradient de pH et à un milieu à 40% d'éthanol, un gel très rigide s’est formé progressivement sur leur surface amenant à la libération prolongée du principe actif. Ces propriétés ont indiqué que SD HASCA est un excipient robuste pour la production de formes galéniques orales à libération prolongée, pouvant réduire la probabilité d’une libération massive de principe actif et, en conséquence, des effets secondaires, même dans le cas de co-administration avec une forte dose d'alcool. Le troisième article a étudié l'effet de α-amylase sur la libération de principe actif à partir de comprimés SD HASCA contenant de l’acétaminophène et du chlorhydrate de tramadol qui ont été développés dans les premières étapes de cette recherche (Acetaminophen SR et Tramadol SR). La modélisation mathématique a montré qu'une augmentation de la concentration d’α-amylase a entraîné une augmentation de l'érosion de polymère par rapport à la diffusion de principe actif comme étant le principal mécanisme contrôlant la libération de principe actif, pour les deux formulations et les deux temps de résidence en milieu acide. Cependant, même si le mécanisme de libération peut être affecté, des concentrations d’α-amylase allant de 0 UI/L à 20000 UI/L n'ont pas eu d'incidence significative sur les profils de libération prolongée à partir de comprimés SD HASCA, indépendamment de la durée de séjour en milieu acide, le principe actif utilisé, la teneur en polymère et la différente composition de chaque formulation. Le travail présenté dans cette thèse démontre clairement l'utilité de SD HASCA en tant qu'un excipient à libération prolongée efficace.

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.

Le rôle du stress oxydant dans les changements épigénétiques contribuant aux complications du syndrome métabolique.

La méthylation de l'ADN est l'une des modifications épigénétiques au niveau des îlots CpG. Cette modification épigénétique catalysée par les ADN méthyltransférases (DNMTs) consiste en la méthylation du carbone 5' d’une cytosine ce qui aboutit à la formation de 5-méthylcytosine. La méthylation de l'ADN est clairement impliquée dans l'inactivation des gènes et dans l'empreinte génétique. Elle est modulée par la nutrition, en particulier par les donneurs de méthyle et par une restriction protéique. Ces modifications épigénétiques persistent plus tard dans la vie et conduisent au développement de nombreuses pathologies telles que le syndrome métabolique et le diabète de type 2. En fait, de nombreux gènes clés subissent une modification de leur état de méthylation en présence des composants du syndrome métabolique. Cela montre que la méthylation de l'ADN est un processus important dans l'étiologie du syndrome métabolique. Le premier travail de ce doctorat a porté sur la rédaction d’un article de revue qui a examiné le cadre central du syndrome métabolique et analyser le rôle des modifications épigénétiques susceptibles d'influer sur l'apparition du stress oxydant et des complications cardiométaboliques. D’autre part, les cellules intestinales Caco-2/15, qui ont la capacité de se différencier et d’acquérir les caractéristiques physiologiques de l'intestin grêle, ont été utilisées et traitées avec du Fer-Ascorbate pour induire un stress oxydant. Le Fer-Ascorbate a induit une augmentation significative de l’inflammation et de la peroxydation des lipides (malondialdehyde) ainsi que des altérations de de la défense antioxydante (SOD2 et GPx) accompagnées de modifications épigénétiques. De plus, la pré-incubation des cellules avec de la 5-aza-2'-désoxycytidine, un agent de déméthylation et/ou l’antioxydant Trolox a normalisé la défense antioxydante, réduit la peroxydation des lipides et prévenu l'inflammation. Ce premier travail a démontré que les modifications du redox et l’inflammation induites par le Fer-Ascorbate peuvent impliquer des changements épigénétiques, plus particulièrement des changements dans la méthylation de l’ADN. Pour mieux définir l’impact du stress oxydant au niveau nutritionnel, des cochons d’Inde âgés de trois jours ont été séparés en trois groupes : 1) Témoins: alimentation régulière; 2) Nutrition parentérale (NP) 3) H2O2 : Témoins + 350 uM H2O2. Après quatre jours, pour un groupe, les perfusions ont été stoppées et les animaux sacrifiés pour la collecte des foies. Pour l’autre groupe d’animaux, les perfusions ont été arrêtées et les animaux ont eu un accès libre à une alimentation régulière jusqu'à la fin de l’étude, huit semaines plus tard où ils ont été sacrifiés pour la collecte des foies. Ceci a démontré qu’à une semaine de vie, l'activité DNMT et les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient inférieurs pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. A neuf semaines de vie, l’activité DNMT est restée basse pour le groupe NP alors que les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient plus faibles pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. Ce travail a démontré que l'administration de NP ou de H2O2, tôt dans la vie, induit une hypométhylation de l'ADN persistante en raison d'une inhibition de l'activité DNMT. Finalement, des souris ayant reçu une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ont été utilisées comme modèle in vivo de syndrome métabolique. Les souris ont été nourris soit avec un régime standard chow (témoins), soit avec une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ou avec une diète HFHS en combinaison avec du GFT505 (30 mg/kg), un double agoniste de PPARα et de PPARδ, pendant 12 semaines. La diète HFHS était efficace à induire un syndrome métabolique étant donnée l’augmentation du poids corporel, du poids hépatique, des adiposités viscérales et sous-cutanées, de l’insensibilité à l’insuline, des lipides plasmatiques et hépatiques, du stress oxydant et de l’inflammation au niveau du foie. Ces perturbations étaient accompagnées d’une déficience dans l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ concomitant avec une hyperméthylation de leurs promoteurs respectifs. L’ajout de GFT505 à la diète HFHS a empêché la plupart des effets cardiométaboliques induits par la diète HFHS via la modulation négative de l’hyperméthylation des promoteurs, résultant en l’augmentation de l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ. En conclusion, GFT505 exerce des effets métaboliques positifs en améliorant le syndrome métabolique induit par l'alimentation HFHS via des modifications épigénétiques des gènes PPARs. Ensemble, les travaux de cette thèse ont démontré que le stress oxydant provenant de la nutrition induit d’importants changements épigénétiques pouvant conduire au développement du syndrome métabolique. La nutrition apparait donc comme un facteur crucial dans la prévention de la reprogrammation fœtale et du développement du syndrome métabolique. Puisque les mécanismes suggèrent que le stress oxydant agit principalement sur les métabolites du cycle de la méthionine pour altérer l’épigénétique, une supplémentation en ces molécules ainsi qu’en antioxydants permettrait de restaurer l’équilibre redox et épigénétique.

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.

Physicochemical and molecular characterization of bacteriophages ΦSP-1 and ΦSP-3, specific for pathogenic Salmonella and evaluation of their potential as biocontrol agent

This thesis entitled Physicochemical and molecular characterization of bacteriophages ΦSP-1and ΦSP-3, specific for pathogenic Salmonella and evaluation of their potential as biocontrol agent . Salmonella were screened using standard methodologies from various environmental samples including chicken caecum. Salmonella strains, which were previously isolated and stocked in the lab, were also included in this study as host, for screening Salmonella specific lytic phages. The Salmonella strain in this study designated as S49 which helped in phage propagation by acting as host bacteria was identified as Salmonella enterica subsp. enterica by 16S rRNA gene analysis and serotyping . A total of three Salmonella specific phage named as ΦSP-1, ΦSP-2 and ΦSP-3 were isolated from chicken intestine samples via an enrichment protocol employing the double agar overlay method. ΦSP-1 and ΦSP-3 showing consistent lytic nature were selected for further study and were purified by repeated plating after picking of single isolated plaques from the lawns of Salmonella S49 plates. Both the phages produced small, clear plaques indicating their lytic nature. ΦSP-1 and ΦSP-3 were concentrated employing PEG-NaCl precipitation method before further characterization. The focus of present study was to isolate, characterize and verify the efficacy of lytic bacteriophages against the robust pathogen Salmonella, capable of surviving under various hostile conditions. Two phages, ΦSP-1 and ΦSP-3, belonging to two families, Podovoridae and Siphoviridae were isolated.

Parasite distribution and histopathological studies on certain commercially important fishes of cochin area

In order to check the damage caused by the parasites, even though it is difficult in open waters, a proper understanding of the seasonal variation in the distribution of the parasite and other factors like age of the host, sex of the host, which affect distribution of parasite is a must. Although several workers have carried out investigations on the taxonomy of metazoan parasites of marine and brackish water Fishes of India, very little attempt is made to correlate such investigations with the host and the environment. In this thesis such an attempt is made by the researcher. In chapter one the literature related to the prevalence, mean intensity of infection, and histopathological changes caused by the metazoan parasites, in particular by helminths, copepods and isopods, was reviewed. Chapter two contains observations on the distribution pattern of parasites in relation to the season, sex, and size of the host. It was found that the prevalence rate of radiorynchus_indicus infecting the alimentary canal of Tachysurugs mgacuglatus, Ergasilus sp. infecting the gills of T maculatus, and Lernaeeniicus ramosus found on the body surface of Qeimgipteirfugs jagonicus was higher during monsoon season. But agarna malayi found in the opercular chamber and Ehilometra cephalus infecting the gonads of valamugil speiglari showed a higher prevalence rate during the postmonsoon season. This was discussed on the basis of the hydrographical characteristics prevailing in the study area during the three different seasons. It was also observed that the sex of the host did not influence significantly the distribution pattern of the parasites. The reasons for this were also discussed. Invariably, the size of the host was found to influence the parasite distribution pattern. It was observed that the prevalence rate showed an increase with increase in size of the fish. This was discussed on the basis of food habits of the host, along with other aspects An attempt was made in chapter three to study the histopathological effects of‘ the various parasites on their respective sites of attachments on host Fishes. It was found that except Rhadinorhyhchugs indicus, all other parasites produced damages of varying intensity, in the form of hypertrophy, rhyperplasia, haemorrhage, tissue disruption and ulcers. Interestingly, E. indicus, an acantho— cephalid with a powerful proboscis for attachment was found not to cause any serious damage to the intestine of the host Fish. All these aspects are included in the third and final chapter of the thesis.

GABA and 5-HT chitosan nanoparticles enhanced liver cell proliferation and neuronal survival in partially hepatectomised rats: GABAB and 5-HT2A receptors functional

Nanoparticulate drug delivery systems provide wide opportunities for solving problems associated with drug stability or disease states and create great expectations in the area of drug delivery (Bosselmann & Williams, 2012). Nanotechnology, in a simple way, explains the technology that deals with one billionth of a meter scale (Ochekpe, et al., 2009). Fewer side effects, poor bioavailability, absorption at intestine, solubility, specific delivery to site of action with good pharmacological efficiency, slow release, degradation of drug and effective therapeutic outcome, are the major challenges faced by most of the drug delivery systems. To a great extent, biopolymer coated drug delivery systems coupled with nanotechnology alleviate the major drawbacks of the common delivery methods. Chitosan, deacetylated chitin, is a copolymer of β-(1, 4) linked glucosamine (deacetylated unit) and N- acetyl glucosamine (acetylated unit) (Radhakumary et al., 2005). Chitosan is biodegradable, non-toxic and bio compatible. Owing to the removal of acetyl moieties that are present in the amine functional groups of chitin, chitosan is readily soluble in aqueous acidic solution. The solubilisation occurs through the protonation of amino groups on the C-2 position of D-glucosamine residues whereby polysaccharide is converted into polycation in acidic media. Chitosan interacts with many active compounds due to the presence of amine group in it. The presence of this active amine group in chitosan was exploited for the interaction with the active molecules in the present study. Nanoparticles of chitosan coupled drugs are utilized for drug delivery in eye, brain, liver, cancer tissues, treatment of spinal cord injury and infections (Sharma et al., 2007; Li, et a., 2009; Paolicelli et al., 2009; Cho et al., 2010). To deliver drugs directly to the intended site of action and to improve pharmacological efficiency by minimizing undesired side effects elsewhere in the body and decrease the long-term use of many drugs, polymeric drug delivery systems can be used (Thatte et al., 2005).

Gut Associated Lactic Acid Bacteria Isolated from the Estuarine Fish Mugil cephalus: Molecular Diversity and Antibacterial Activities against Pathogens

In the present study we address the issue on gut associated lactic acid bacteria (LAB) isolated from the intestine of estuarine fish Mugil cephalus using de Man Rogossa and Sharpe (MRS) agar. LAB isolates were identified biochemically and screened for their ability to inhibit in vitro growth of various fish, shrimp and human pathogens. Most of the LAB isolates displayed an improved antagonism against fish pathogens compared to shrimp and human pathogens. Selected representative strains displaying high antibacterial activity were identified using 16S rRNA gene sequence analysis. Of the selected strains Lactobacillus brevis was the most predominant. Four other species of Lactobacillus, Enterobacter hormaechei and Enterobacter ludwigii were also identified. It was also observed that even among same species, considerable diversity with respect to substrate utilization persisted. Considering the euryhaline nature of grey mullet (Mugil cephalus), the LAB isolated from the gut possessed good tolerance to varying salt concentrations. This finding merits further investigation to evaluate whether the isolated LAB could be used as probiotics in various fresh and sea water aquaculture

Molecular characterization of a crustinlike antimicrobial peptide in the giant tiger shrimp, Penaeus monodon, and its expression profile in response to various immunostimulants and challenge with WSSV

A crustinlike antimicrobial peptide from the haemocytes of giant tiger shrimp, Penaeus monodon was partially characterized at the molecular level and phylogenetic analysis was performed. The partial coding sequence of 299 bp and 91 deduced amino acid residues possessed conserved cysteine residues characteristic of the shrimp crustins. Phylogenetic tree and sequence comparison clearly confirmed divergence of this crustinlike AMP from other shrimp crustins. The differential expression of the crustinlike AMP in P. monodon in response to the administration of various immunostimulants viz., two marine yeasts (Candida haemulonii S27 and Candida sake S165) and two bglucan isolates (extracted from C. haemulonii S27 and C. sake S165) were noted during the study. Responses to the application of two grampositive probiotic bacteria (Bacillus MCCB101 and Micrococcus MCCB104) were also observed. The immune profile was recorded preand postchallenge white spot syndrome virus (WSSV) by semiquantitative RTPCR. Expressions of seven WSSV genes were also observed for studying the intensity of viral infection in the experimental animals. The crustinlike AMP was found to be constitutively expressed in the animal and a significant downregulation could be noted postchallenge WSSV. Remarkable downregulation of the gene was observed in the immunostimulant fed animals prechallenge followed by a significant upregulation postchallenge WSSV. Tissuewise expression of crustinlike AMP on administration of C. haemulonii and Bacillus showed maximum transcripts in gill and intestine. The marine yeast, C. haemulonii and the probiotic bacteria, Bacillus were found to enhance the production of crustinlike AMP and confer significant protection to P. monodon against WSSV infection

The Major Digestive Enzymes in Etroplus suratensis and Oreochromis mossambicus: Distribution and Characteristics

The major digestive enzyme activities and digestive indices were compared between Etroplus suratensis and Oreochromis mossambicus. Pepsin - like acid proteases that acts on low pH has been identified all along the digestive tract of both the fishes. Comparatively low alpha amylase activity is shown by the E. suratensis and the enzyme is distributed almost equally throughout the intestinal segments in both the species. Very low alkaline protease activity is found in the stomach of both the fishes and in O. mossambicus, the enzyme activity diminishes extensively towards the posterior portion of the intestine whereas in E. suratensis the activity increases towards the posterior part. The present study showed that lipase is one of the prominent digestive enzymes in O. mossambicus with a remarkable specific activity throughout the digestive tract than that of E. suratensis .It has been noted that O. mossambicus has a higher values for digestive somatic index, hepato somatic index, intestinal coefficient and gut Vs standard length ratio than that of E. suratensis indicating its higher digestive and metabolic capabilities. The early maturity and fast growth of O. mossambicus can be explained by their enhanced digestive indices. The compa ratively low activities of acid protease, amylase, lipase and total alkaline protease of E. suratensis revealed poor digestive capacity than that of O. mossambicus

Characterization and Pathogenicity of Vibrio cholerae and Vibrio vulnificus from Marine environments

The genus Vibrioof the family Vibrionaceae are Gram negative, oxidasepositive, rod- or curved- rodshaped facultative anaerobes, widespread in marine and estuarine environments. Vibrio species are opportunistic human pathogens responsible for diarrhoeal disease, gastroenteritis, septicaemia and wound infections and are also pathogens of aquatic organisms, causing infections to crustaceans, bivalves and fishes. In the present study, marine environmental samples like seafood and water and sediment samples from aquafarms and mangroves were screened for the presence of Vibrio species. Of the134 isolates obtained from the various samples, 45 were segregated to the genus Vibrio on the basis of phenotypic characterization.like Gram staining, oxidase test, MoF test and salinity tolerance. Partial 16S rDNA sequence analysis was utilized for species level identification of the isolates and the strains were identified as V. cholerae(N=21), V. vulnificus(N=18), V. parahaemolyticus(N=3), V. alginolyticus (N=2) and V. azureus (N=1). The genetic relatedness and variations among the 45 Vibrio isolates were elucidated based on 16S rDNA sequences. Phenotypic characterization of the isolates was based on their response to 12 biochemical tests namely Voges-Proskauers’s (VP test), arginine dihydrolase , tolerance to 3% NaCl test, ONPG test that detects β-galactosidase activity, and tests for utilization of citrate, ornithine, mannitol, arabinose, sucrose, glucose, salicin and cellobiose. The isolates exhibited diverse biochemical patterns, some specific for the species and others indicative of their environmental source.Antibiogram for the isolates was determined subsequent to testing their susceptibility to 12 antibiotics by the disc diffusion method. Varying degrees of resistance to gentamycin (2.22%), ampicillin(62.22%), nalidixic acid (4.44%), vancomycin (86.66), cefixime (17.77%), rifampicin (20%), tetracycline (42.22%) and chloramphenicol (2.22%) was exhibited. All the isolates were susceptible to streptomycin, co-trimoxazole, trimethoprim and azithromycin. Isolates from all the three marine environments exhibited multiple antibiotic resistance, with high MAR index value. The molecular typing methods such as ERIC PCR and BOX PCR revealed intraspecies relatedness and genetic heterogeneity within the environmental isolatesof V. cholerae and V. vulnificus. The 21 strains of V. choleraewere serogroupedas non O1/ non O139 by screening for the presence O1rfb and O139 rfb marker genes by PCR. The virulence/virulence associated genes namely ctxA, ctxB, ace, VPI, hlyA, ompU, rtxA, toxR, zot, nagst, tcpA, nin and nanwere screened in V. cholerae and V. vulnificusstrains.The V. vulnificusstrains were also screened for three species specific genes viz., cps, vvhand viu. In V. cholerae strains, the virulence associated genes like VPI, hlyA, rtxA, ompU and toxR were confirmed by PCR. All the isolates, except for strain BTOS6, harbored at least one or a combination of the tested genes and V. choleraestrain BTPR5 isolated from prawn hosted the highest number of virulence associated genes. Among the V. vulnificusstrains, only 3 virulence genes, VPI, toxR and cps, were confirmed out of the 16 tested and only 7 of the isolates had these genes in one or more combinations. Strain BTPS6 from aquafarm and strain BTVE4 from mangrove samples yielded positive amplification for the three genes. The toxRgene from 9 strains of V. choleraeand 3 strains of V. vulnificus were cloned and sequenced for phylogenetic analysis based on nucleotide and the amino acid sequences. Multiple sequence alignment of the nucleotide sequences and amino acid sequences of the environmental strains of V. choleraerevealed that the toxRgene in the environmental strains are 100% homologous to themselves and to the V. choleraetoxR gene sequence available in the Genbank database. The 3 strains of V. vulnificus displayed high nucleotide and amino acid sequence similarity among themselves and to the sequences of V. cholerae and V. harveyi obtained from the GenBank database, but exhibited only 72% homology to the sequences of its close relative V. vulnificus. Structure prediction of the ToxR protein of Vibrio cholerae strain BTMA5 was by PHYRE2 software. The deduced amino acid sequence showed maximum resemblance with the structure of DNA-binding domain of response regulator2 from Escherichia coli k-12 Template based homology modelling in PHYRE2 successfully modelled the predicted protein and its secondary structure based on protein data bank (PDB) template c3zq7A. The pathogenicity studies were performed using the nematode Caenorhabditiselegansas a model system. The assessment of pathogenicity of environmental strain of V. choleraewas conducted with E. coli strain OP50 as the food source in control plates, environmental V. cholerae strain BTOS6, negative for all tested virulence genes, to check for the suitability of Vibrio sp. as a food source for the nematode;V. cholerae Co 366 ElTor, a clinical pathogenic strain and V. cholerae strain BTPR5 from seafood (Prawn) and positive for the tested virulence genes like VPI, hlyA, ompU,rtxA and toxR. It was found that V. cholerae strain BTOS6 could serve as a food source in place of E. coli strain OP50 but behavioral aberrations like sluggish movement and lawn avoidance and morphological abnormalities like pharyngeal and intestinal distensions and bagging were exhibited by the worms fed on V. cholerae Co 366 ElTor strain and environmental BTPR5 indicating their pathogenicity to the nematode. Assessment of pathogenicity of the environmental strains of V. vulnificus was performed with V. vulnificus strain BTPS6 which tested positive for 3 virulence genes, namely, cps, toxRand VPI, and V. vulnificus strain BTMM7 that did not possess any of the tested virulence genes. A reduction was observed in the life span of worms fed on environmental strain of V. vulnificusBTMM7 rather than on the ordinary laboratory food source, E. coli OP50. Behavioral abnormalities like sluggish movement, lawn avoidance and bagging were also observed in the worms fed with strain BTPS6, but the pharynx and the intestine were intact. The presence of multi drug resistant environmental Vibrio strainsthat constitute a major reservoir of diverse virulence genes are to be dealt with caution as they play a decisive role in pathogenicity and horizontal gene transfer in the marine environments.

Differential induction, isolation, physicochemical and molecular characterization of temperate phages of environmental Vibrio cholerae as evidence of phage mediated Horizontal Gene Transfer

The resurgence of the enteric pathogen Vibrio cholerae, the causative organism of epidemic cholera, remains a major health problem in many developing countries like India. The southern Indian state of Kerala is endemic to cholera. The outbreaks of cholera follow a seasonal pattern in regions of endemicity. Marine aquaculture settings and mangrove environments of Kerala serve as reservoirs for V. cholerae. The non-O1/non-O139 environmental isolates of V. cholerae with incomplete ‘virulence casette’ are to be dealt with caution as they constitute a major reservoir of diverse virulence genes in the marine environment and play a crucial role in pathogenicity and horizontal gene transfer. The genes coding cholera toxin are borne on, and can be infectiously transmitted by CTXΦ, a filamentous lysogenic vibriophages. Temperate phages can provide crucial virulence and fitness factors affecting cell metabolism, bacterial adhesion, colonization, immunity, antibiotic resistance and serum resistance. The present study was an attempt to screen the marine environments like aquafarms and mangroves of coastal areas of Alappuzha and Cochin, Kerala for the presence of lysogenic V. cholerae, to study their pathogenicity and also gene transfer potential. Phenotypic and molecular methods were used for identification of isolates as V. cholerae. The thirty one isolates which were Gram negative, oxidase positive, fermentative, with or without gas production on MOF media and which showed yellow coloured colonies on TCBS (Thiosulfate Citrate Bile salt Sucrose) agar were segregated as vibrios. Twenty two environmental V. cholerae strains of both O1 and non- O1/non-O139 serogroups on induction with mitomycin C showed the presence of lysogenic phages. They produced characteristic turbid plaques in double agar overlay assay using the indicator strain V. cholerae El Tor MAK 757. PCR based molecular typing with primers targeting specific conserved sequences in the bacterial genome, demonstrated genetic diversity among these lysogen containing non-O1 V. cholerae . Polymerase chain reaction was also employed as a rapid screening method to verify the presence of 9 virulence genes namely, ctxA, ctxB, ace, hlyA, toxR, zot,tcpA, ninT and nanH, using gene specific primers. The presence of tcpA gene in ALPVC3 was alarming, as it indicates the possibility of an epidemic by accepting the cholera. Differential induction studies used ΦALPVC3, ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14, underlining the possibility of prophage induction in natural ecosystems, due to abiotic factors like antibiotics, pollutants, temperature and UV. The efficiency of induction of prophages varied considerably in response to the different induction agents. The growth curve of lysogenic V. cholerae used in the study drastically varied in the presence of strong prophage inducers like antibiotics and UV. Bacterial cell lysis was directly proportional to increase in phage number due to induction. Morphological characterization of vibriophages by Transmission Electron Microscopy revealed hexagonal heads for all the four phages. Vibriophage ΦALPVC3 exhibited isometric and contractile tails characteristic of family Myoviridae, while phages ΦALPVC11 and ΦALPVC12 demonstrated the typical hexagonal head and non-contractile tail of family Siphoviridae. ΦEKM14, the podophage was distinguished by short non-contractile tail and icosahedral head. This work demonstrated that environmental parameters can influence the viability and cell adsorption rates of V. cholerae phages. Adsorption studies showed 100% adsorption of ΦALPVC3 ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14 after 25, 30, 40 and 35 minutes respectively. Exposure to high temperatures ranging from 50ºC to 100ºC drastically reduced phage viability. The optimum concentration of NaCl required for survival of vibriophages except ΦEKM14 was 0.5 M and that for ΦEKM14 was 1M NaCl. Survival of phage particles was maximum at pH 7-8. V. cholerae is assumed to have existed long before their human host and so the pathogenic clones may have evolved from aquatic forms which later colonized the human intestine by progressive acquisition of genes. This is supported by the fact that the vast majority of V. cholerae strains are still part of the natural aquatic environment. CTXΦ has played a critical role in the evolution of the pathogenicity of V. cholerae as it can transmit the ctxAB gene. The unusual transformation of V. cholerae strains associated with epidemics and the emergence of V. cholera O139 demonstrates the evolutionary success of the organism in attaining greater fitness. Genetic changes in pathogenic V. cholerae constitute a natural process for developing immunity within an endemically infected population. The alternative hosts and lysogenic environmental V. cholerae strains may potentially act as cofactors in promoting cholera phage ‘‘blooms’’ within aquatic environments, thereby influencing transmission of phage sensitive, pathogenic V. cholerae strains by aquatic vehicles. Differential induction of the phages is a clear indication of the impact of environmental pollution and global changes on phage induction. The development of molecular biology techniques offered an accessible gateway for investigating the molecular events leading to genetic diversity in the marine environment. Using nucleic acids as targets, the methods of fingerprinting like ERIC PCR and BOX PCR, revealed that the marine environment harbours potentially pathogenic group of bacteria with genetic diversity. The distribution of virulence associated genes in the environmental isolates of V. cholerae provides tangible material for further investigation. Nucleotide and protein sequence analysis alongwith protein structure prediction aids in better understanding of the variation inalleles of same gene in different ecological niche and its impact on the protein structure for attaining greater fitness of pathogens. The evidences of the co-evolution of virulence genes in toxigenic V. cholerae O1 from different lineages of environmental non-O1 strains is alarming. Transduction studies would indicate that the phenomenon of acquisition of these virulence genes by lateral gene transfer, although rare, is not quite uncommon amongst non-O1/non-O139 V. cholerae and it has a key role in diversification. All these considerations justify the need for an integrated approach towards the development of an effective surveillance system to monitor evolution of V. cholerae strains with epidemic potential. Results presented in this study, if considered together with the mechanism proposed as above, would strongly suggest that the bacteriophage also intervenes as a variable in shaping the cholera bacterium, which cannot be ignored and hinting at imminent future epidemics.