Clinical and pharmacogenetic study on smoking and smoking cessation

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

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

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

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

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

DETERMINATION OF CELL-SPECIFIC NEUROTOXICITY OF MALONATE, METHYLMALONATE AND PROPIONATE IN A 3D RAT BRAIN CELL AGGREGATE SYSTEM

Malonate, methylmalonate and propionate are potentially neurotoxic metabolites in branched-chain organic acidurias. Their effects were tested on cultured 3D rat brain cell aggregates, using dosages of 0.1, 1.0 and 10.0 mM with a short but intense (twice a day over 3 days) and a longer but less intense treatment (every 3 rdday over 9 days). CNS cell-specific immunohistochemical stainings allowed the follow-up of neurons (axons, phosphorylated medium-weight neurofilament), astrocytes (glial fibrillary acidic protein) and oligodendrocytes (myelin basic protein). Methylmalonate and malonate were quantified by tandem mass spectrometry. Tandem mass spectrometry analysis of harvested brain cell aggregates revealed clear intracellular accumulation of methylmalonate and malonate. In immunohistochemical stainings oligodendrocytes appeared the most affected brain cells. The MBP signal disappeared already at 0.1 mM treatment with each metabolite. Mature astrocytes were not affected by propionate, while immature astrocytes on intense treatment with propionate developed cell swelling. 1 mM methylmalonate induced cell swelling of both immature and mature astrocytes , while 1 mM malonate only affected mature astrocytes. Neurons were not affected by methylmalonate, but 10.0 mM malonate on less intense treatment and 0.1, 1.0 and 10.0 mM propionate on intense treatment affected axonal growth. Our study shows significant uptake and deleterious effects of these metabolites on brain cells, principally on astrocytes and oligodendrocytes. This may be explained by the absence of the pathway in glial cells, which thus are not able to degrade these metabolites. Further studies are ongoing to elucidate the underlying mechanisms of the observed neurotoxic effects.

Test methods: anabolics.

In the International Olympic Committee (IOC) accredited laboratories, specific methods have been developed to detect anabolic steroids in athletes' urine. The technique of choice to achieve this is gas-chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS). In order to improve the efficiency of anti-doping programmes, the laboratories have defined new analytical strategies. The final sensitivity of the analytical procedure can be improved by choosing new technologies for use in detection, such as tandem mass spectrometry (MS-MS) or high resolution mass spectrometry (HRMS). A better sample preparation using immuno-affinity chromatography (IAC) is also a good tool for improving sensitivity. These techniques are suitable for the detection of synthetic anabolic steroids whose structure is not found naturally in the human body. The more and more evident use, on a large scale, of substances chemically similar to the endogenous steroids obliges both the laboratory and the sports authorities to use the steroid profile of the athlete in comparison with reference ranges from a population or with intraindividual reference values.

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

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

A MODEL OF CREATINE DEFICIENCY SYNDROMES IN 3D BRAIN CELL CULTURES BY KNOCKDOWN OF GAMT AND SLC6A8 GENES

La créatine joue un rôle essentiel dans le métabolisme cellulaire par sa conversion, par la creatine kinase, en phosphocreatine permettant la régénération de l'ATP. La synthèse de créatine, chez les mammifères, s'effectue par une réaction en deux étapes impliquant Γ arginine: glycine amidinotransférase (AGAT) et la guanidinoacétate méthyltransférase (GAMT). L'entrée de créatine dans les cellules s'effectue par son transporteur, SLC6A8. Les déficiences en créatine, dues au déficit en GAMT, AGAT ou SLC6A8, sont fréquentes et caractérisées par une absence ou une forte baisse de créatine dans le système nerveux central. Alors qu'il est connu que AGAT, GAMT et SLC6A8 sont exprimés par le cerveau, les conséquences des déficiences en créatine sur les cellules nerveuses sont peu comprises. Le but de ce travail était de développer de nouveaux modèles expérimentaux des déficiences en Cr dans des cultures 3D de cellules nerveuses de rat en agrégats au moyen de l'interférence à l'ARN appliquée aux gènes GAMT et SLC6A8. Des séquences interférentes (shRNAs) pour les gènes GAMT et SLC6A8 ont été transduites par des vecteurs viraux AAV (virus adéno-associés), dans les cellules nerveuses en agrégats. Nous avons ainsi démontré une baisse de l'expression de GAMT au niveau protéique (mesuré par western blot), et ARN messager (mesuré par qPCR) ainsi qu'une variation caractérisitique de créatine et guanidinoacétate (mesuré par spectrométrie de masse). Après avoir validé nos modèles, nous avons montré que les knockdown de GAMT ou SLC6A8 affectent le développement des astrocytes et des neurones ou des oligodendrocytes et des astrocytes, respectivement, ainsi qu'une augmentation de la mort cellulaire et des modifications dans le pattern d'activation des voies de signalisation impliquant caspase 3 et p38 MAPK, ayant un rôle dans le processus d'apoptose. - Creatine plays essential roles in energy metabolism by the interconversion, by creatine kinase, to its phosphorylated analogue, phosphocreatine, allowing the regeneration of ATP. Creatine is synthesized in mammals by a two step mechanism involving arginine:glycine amidinotransferase (AGAT) and guanidinoacetate methyltransferase (GAMT). Creatine is taken up by cells by a specific transporter, SLC6A8. Creatine deficiency syndromes, due to defects in GAMT, AGAT and SLC6A8, are among the most frequent inborn errors of metabolism, and are characterized by an absence or a severe decrease of creatine in central nervous system, which is the main tissue affected. While it is known that AGAT, GAMT and SLC6A8 are expressed in CNS, many questions remain on the specific effects of AGAT, GAMT and SLC6A8 deficiencies on brain cells. Our aim was to develop new experimental models of creatine deficiencies by knockdown of GAMT and SLC6A8 genes by RNAi in 3D organotypic rat brain cell cultures in aggregates. Specific shRNAs for the GAMT and SLC6A8 genes were transduced in brain cell aggregates by adeno-associated viruses (AAV). The AAV-transduced shRNAs were able to efficiently knockdown the expression of our genes of interest, as shown by a strong decrease of protein by western blotting, a decrease of mRNA by qPCR or characteristic variations of creatine and guanidinoacetate by tandem mass spectrometry. After having validated our experimental models, we have also shown that GAMT and SLC6A8 knockdown affected the development of astrocytes and neurons or oligodendrocytes and astrocytes, respectively. We also observed an increase of cell death and variations in activation pattern of caspase 3 and p38 MAPK pathways, involved in apoptosis, in our experimental model.

Circulating estrogens and progesterone during primiparous pregnancies and risk of maternal breast cancer.

Pregnancy reduces maternal risk of breast cancer in the long term, but the biological determinants of the protection are unknown. Animal experiments suggest that estrogens and progesterone could be involved, but direct human evidence is scant. A case-control study (536 cases and 1,049 controls) was nested within the Finnish Maternity Cohort. Eligible were primiparous women who delivered at term a singleton offspring before age 40. For each case, two individually matched controls by age (±6 months) and date of sampling (±3 months) were selected. Estradiol, estrone and progesterone in first-trimester serum were measured by high-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry and sex-hormone binding globulin (SHBG) by immunoassay. Odds ratios (OR) and 95% confidence intervals (CI) were estimated through conditional logistic regression. In the whole study population there was no association of breast cancer with any of the studied hormones. In analyses stratified by age at diagnosis, however, estradiol concentrations were positively associated with risk of breast cancer before age 40 (upper quartile OR, 1.81; CI, 1.08-3.06), but inversely associated with risk in women who were diagnosed ≥age 40 (upper quartile OR, 0.64; CI, 0.40-1.04), p(interaction) 0.004. Risk estimates for estrone mirrored those for estradiol but were less pronounced. Progesterone was not associated with risk of subsequent breast cancer. Our results provide initial evidence that concentrations of estrogens during the early parts of a primiparous pregnancy are associated with maternal risk of breast cancer and suggest that the effect may differ for tumors diagnosed before and after age 40.

Targeting anticancer therapy : clinical and preclinical approaches

AbstractCancer treatment has shifted from cytotoxic and nonspecific chemotherapy to chronic treatment with targeted molecular therapies. These new classes of drugs directed against cancer-specific molecules and signaling pathways, act at a particular level of the tumor cell development. However, in both types of therapeutic approaches (standard cytotoxic chemotherapy and targeted signal transduction inhibitions), toxicity and side effects can occur. The aim of this thesis was to investigate various approaches to improve the activity and tolerability of cancer treatment, in a clinical setting, a) by molecular targeting through the use of tyrosine kinase inhibitors (TKIs), whose dosage can be adapted to each patient according to plasma levels, and, b) in a preclinical model, by tissue targeting with locoregional administration of cytotoxic chemotherapy to increase drug exposure in the target tissue while reducing systemic toxicity of the treatment.A comprehensive program for the Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of the new class of targeted anticancer drugs of TKIs in patient's blood has been therefore initiated comprising the setting up, validation and clinical application of a multiplex assay by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry of TKIs in plasma from cancer patients. Information on drugs exposure may be clinically useful for an optimal follow-up of patients' anticancer treatment, especially in case of less than optimal clinical response, occurrence of adverse drug reaction effects and the numerous risks of drug-drug interactions. In this context, better knowledge of the potential drug interactions between TKIs and widely prescribed co- medications is of critical importance for clinicians, to improve their daily care of cancer patients. For one of the first TKI imatinib, TDM interpretation is nowadays based on total plasma concentrations but, only the unbound (free) form is likely to enter cell to exert its pharmacological action. Pharmacokinetic analysis of the total and free plasma level of imatinib measured simultaneously in patients have allowed to refine and validate a population pharmacokinetic model integrating factors influencing in patients the exposure of pharmacological active species. The equation developed from this model may be used for extrapolating free imatinib plasma concentration based on the total plasma levels that are currently measured in TDM from patients. Finally, the specific influence of Pglycoprotein on the intracellular disposition of TKIs has been studies in cell systems using the siRNA silencing approach.Another approach to enhance the selectivity of anticancer treatment may be achieved by the loco-regional administration of a cytostatic agent to the target organ while sparing non- affected tissues. Isolated lung perfusion (ILP) was designed for the treatment of loco-regional malignancies of the lung but clinical results have been so far disappointing. It has been shown in a preclinical model in rats that ILP with the cytotoxic agent doxorubicin alone allows a high drug uptake in lung tissue, and a low systemic toxicity, but was characterized by a high spatial tissular heterogeneity in drug exposure and doxorubicin uptake in tumor was comparatively smaller than in normal lung tissue. Photodynamic therapy (PDT) is a new approach for the treatment of superficial tumors, and implies the application of a sensitizer activated by a laser light at a specific wavelength, that disrupts endothelial barrier of tumor vessels to increase locally the distribution of cytostatics into the tumor tissue. PDT pre-treatment before intravenous administration of liposomal doxorubicin was indeed shown to selectively increase drug uptake in tumors in a rat model of sarcoma tumors to the lung.RésuméLe traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et est passé de la chimiothérapie, cytotoxique et non spécifique, au traitement chronique des patients avec des thérapies moléculaires ciblées. Ces médicaments ont une action ciblée en interférant à un niveau spécifique du développement de la cellule tumorale. Dans les deux types d'approches thérapeutiques (chimiothérapie cytotoxique et traitements ciblés), on est confronté à la présence de toxicité et aux effets secondaires du traitement anticancéreux. Le but de cette thèse a donc été d'étudier diverses approches visant à améliorer l'efficacité et la tolérabilité du traitement anticancéreux, a) dans le cadre d'une recherche clinique, par le ciblage moléculaire grâce aux inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs) dont la posologie est adaptée à chaque patient, et b) dans un modèle préclinique, par le ciblage tissulaire grâce à l'administration locorégionale de chimiothérapie cytotoxique, afin d'augmenter l'exposition dans le tissu cible et de réduire la toxicité systémique du traitement.Un programme de recherche sur le suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) des inhibiteurs de tyrosine kinases a été ainsi mis en place et a impliqué le développement, la validation et l'application clinique d'une méthode multiplex par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem des TKIs chez les patients souffrant de cancer. L'information fournie par le TDM sur l'exposition des patients aux traitements ciblés est cliniquement utile et est susceptible d'optimiser la dose administrée, notamment dans les cas où la réponse clinique au traitement des patients est sous-optimale, en présence d'effets secondaires du traitement ciblé, ou lorsque des risques d'interactions médicamenteuses sont suspectés. Dans ce contexte, l'étude des interactions entre les TKIs et les co-médications couramment associées est utile pour les cliniciens en charge d'améliorer au jour le jour la prise en charge du traitement anticancéreux. Pour le premier TKI imatinib, l'interprétation TDM est actuellement basée sur la mesure des concentrations plasmatiques totales alors que seule la fraction libre (médicament non lié aux protéines plasmatiques circulantes) est susceptible de pénétrer dans la cellule pour exercer son action pharmacologique. L'analyse pharmacocinétique des taux plasmatiques totaux et libres d'imatinib mesurés simultanément chez les patients a permis d'affiner et de valider un modèle de pharmacocinétique de population qui intègre les facteurs influençant l'exposition à la fraction de médicament pharmacologiquement active. L'équation développée à partir de ce modèle permet d'extrapoler les concentrations libres d'imatinib à partir des concentrations plasmatiques totales qui sont actuellement mesurées lors du TDM des patients. Finalement, l'influence de la P-glycoprotéine sur la disposition cellulaire des TKIs a été étudiée dans un modèle cellulaire utilisant l'approche par la technologie du siRNA permettant de bloquer sélectivement l'expression du gène de cette protéine d'efflux des médicaments.Une autre approche pour augmenter la sélectivité du traitement anticancéreux consiste en une administration loco-régionale d'un agent cytostatique directement au sein de l'organe cible tout en préservant les tissus sains. La perfusion isolée du poumon (ILP) a été conçue pour le traitement loco-régional des cancers affectant les tissus pulmonaires mais les résultats cliniques ont été jusqu'à ce jour décevants. Dans des modèles précliniques chez le rat, il a pu être démontré que l'ILP avec la doxorubicine, un agent cytotoxique, administré seul, permet une exposition élevée au niveau du tissu pulmonaire, et une faible toxicité systémique. Toutefois, cette technique est caractérisée par une importante variabilité de la distribution dans les tissus pulmonaires et une pénétration du médicament au sein de la tumeur comparativement plus faible que dans les tissus sains.La thérapie photodynamique (PDT) est une nouvelle approche pour le traitement des tumeurs superficielles, qui consiste en l'application d'un agent sensibilisateur activé par une lumière laser de longueur d'onde spécifique, qui perturbe l'intégrité physiologique de la barrière endothéliale des vaisseaux alimentant la tumeur et permet d'augmenter localement la pénétration des agents cytostatiques.Nos études ont montré qu'un pré-traitement par PDT permet d'augmenter sélectivement l'absorption de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration i.v. de doxorubicine liposomale dans un modèle de sarcome de poumons de rongeurs.Résumé large publicDepuis une dizaine d'année, le traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et les patients qui devaient jusqu'alors subir des chimiothérapies, toxiques et non spécifiques, peuvent maintenant bénéficier de traitements chroniques avec des thérapies ciblées. Avec les deux types d'approches thérapeutiques, on reste cependant confronté à la toxicité et aux effets secondaires du traitement.Le but de cette thèse a été d'étudier chez les patients et dans des modèles précliniques les diverses approches visant à améliorer l'activité et la tolérance des traitements à travers un meilleur ciblage de la thérapie anticancéreuse. Cet effort de recherche nous a conduits à nous intéresser à l'optimisation du traitement par les inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs), une nouvelle génération d'agents anticancéreux ciblés agissant sélectivement sur les cellules tumorales, en particulier chez les patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeurs stromales gastro-intestinales. L'activité clinique ainsi que la toxicité de ces TKIs paraissent dépendre non pas de la dose de médicament administrée, mais de la quantité de médicaments circulant dans le sang auxquelles les tumeurs cancéreuses sont exposées et qui varient beaucoup d'un patient à l'autre. A cet effet, nous avons développé une méthode par chromatographie couplée à la spectrométrie de masse pour mesurer chez les patients les taux de médicaments de la classe des TKIs dans la perspective de piloter le traitement par une approche de suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM). Le TDM repose sur la mesure de la quantité de médicament dans le sang d'un patient dans le but d'adapter individuellement la posologie la plus appropriée: des quantités insuffisantes de médicament dans le sang peuvent conduire à un échec thérapeutique alors qu'un taux sanguin excessif peut entraîner des manifestations toxiques.Dans une seconde partie préclinique, nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de la chimiothérapie loco-régionale dans un modèle de sarcome du poumon chez le rat, afin d'augmenter l'exposition dans la tumeur tout en réduisant la toxicité dans les tissus non affectés.La perfusion isolée du poumon (ILP) permet d'administrer un médicament anticancéreux cytotoxique comme la doxorubicine, sélectivement au niveau le tissu pulmonaire où sont généralement localisées les métastases de sarcome. L'administration par ILP de doxorubicine, toxique pour le coeur, a permis une forte accumulation des médicaments dans le poumon, tout en épargnant le coeur. Il a été malheureusement constaté que la doxorubicine ne pénètre que faiblement dans la tumeur sarcomateuse, témoignant des réponses cliniques décevantes observées avec cette approche en clinique. Nous avons ainsi étudié l'impact sur la pénétration tumorale de l'association d'une chimiothérapie cytotoxique avec la thérapie photodynamique (PDT) qui consiste en l'irradiation spécifique du tissu-cible cancéreux, après l'administration d'un agent photosensibilisateur. Dans ce modèle animal, nous avons observé qu'un traitement par PDT permet effectivement d'augmenter de façon sélective l'accumulation de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration intraveineuse de médicament.

Bone tuberculosis in Roman Period Pannonia (western Hungary)

The purpose of this study was to analyse a skeleton (adult female, 25-30 years) that presented evidence of tuberculous spondylitis. The skeleton, dated from the Roman Period (III-VI centuries), was excavated near the town of Győr, in western Hungary. The skeleton was examined by gross observation supplemented with mycolic acid and proteomic analyses using MALDI-TOF/TOF tandem mass spectrometry. The biomolecular analyses supported the morphological diagnosis.

Rivaroxaban: Quantification by anti-FXa assay and influence on coagulation tests: a study in 9 Swiss laboratories.

INTRODUCTION: Rivaroxaban (RXA) is licensed for prophylaxis of venous thromboembolism after major orthopaedic surgery of the lower limbs. Currently, no test to quantify RXA in plasma has been validated in an inter-laboratory setting. Our study had three aims: to assess i) the feasibility of RXA quantification with a commercial anti-FXa assay, ii) its accuracy and precision in an inter-laboratory setting, and iii) the influence of 10mg of RXA on routine coagulation tests. METHODS: The same chromogenic anti-FXa assay (Hyphen BioMed) was used in all participating laboratories. RXA calibrators and sets of blinded probes (aim ii.) were prepared in vitro by spiking normal plasma. The precise RXA content was assessed by high-pressure liquid chromatography-tandem mass spectrometry. For ex-vivo studies (aim iii), plasma samples from 20 healthy volunteers taken before and 2 - 3hours after ingestion of 10mg of RXA were analyzed by participating laboratories. RESULTS: RXA can be assayed chromogenically. Among the participating laboratories, the mean accuracy and the mean coefficient of variation for precision of RXA quantification were 7.0% and 8.8%, respectively. Mean RXA concentration was 114±43μg/L .RXA significantly altered prothrombin time, activated partial thromboplastin time, factor analysis for intrinsic and extrinsic factors. Determinations of thrombin time, fibrinogen, FXIII and D-Dimer levels were not affected. CONCLUSIONS: RXA plasma levels can be quantified accurately and precisely by a chromogenic anti-FXa assay on different coagulometers in different laboratories. Ingestion of 10mg RXA results in significant alterations of both PT- and aPTT-based coagulation assays.

THCCOOH concentrations in whole blood: Are they useful in discriminating occasional from heavy smokers?

Some forensic and clinical circumstances require knowledge of the frequency of drug use. Care of the patient, administrative, and legal consequences will be different if the subject is a regular or an occasional cannabis smoker. To this end, 11-nor-9-carboxy-Δ9-tetrahydrocannabinol (THCCOOH) has been proposed as a criterion to help to distinguish between these two groups of users. However, to date this indicator has not been adequately assessed under experimental conditions. We carried out a controlled administration study of smoked cannabis with a placebo. Cannabinoid levels were determined in whole blood using tandem mass spectrometry. Significantly high differences in THCCOOH concentrations were found between the two groups when measured during the screening visit, prior to the smoking session, and throughout the day of the experiment. Receiver operating characteristic (ROC) curves were determined and two threshold criteria were proposed in order to distinguish between these groups: a free THCCOOH concentration below 3 µg/L suggested an occasional consumption (≤ 1 joint/week) while a concentration higher than 40 µg/L corresponded to a heavy use (≥ 10 joints/month). These thresholds were tested and found to be consistent with previously published experimental data. The decision threshold of 40 µg/L could be a cut-off for possible disqualification for driving while under the influence of cannabis. A further medical assessment and follow-up would be necessary for the reissuing of a driving license once abstinence from cannabis has been demonstrated. A THCCOOH level below 3 µg/L would indicate that no medical assessment is required. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

In vivo antileishmanial activity and chemical profile of polar extract from Selaginella sellowii

The polar hydroethanolic extract from Selaginella sellowii(SSPHE) has been previously proven active on intracellular amastigotes (in vitro test) and now was tested on hamsters infected with Leishmania (Leishmania) amazonensis (in vivo test). SSPHE suppressed a 100% of the parasite load in the infection site and draining lymph nodes at an intralesional dose of 50 mg/kg/day × 5, which was similar to the results observed in hamsters treated with N-methylglucamine antimonate (Sb) (28 mg/Kg/day × 5). When orally administered, SSPHE (50 mg/kg/day × 20) suppressed 99.2% of the parasite load in infected footpads, while Sb suppressed 98.5%. SSPHE also enhanced the release of nitric oxide through the intralesional route in comparison to Sb. The chemical fingerprint of SSPHE by high-performance liquid chromatography with diode-array detection and tandem mass spectrometry showed the presence of biflavonoids and high molecular weight phenylpropanoid glycosides. These compounds may have a synergistic action in vivo. Histopathological study revealed that the intralesional treatment with SSPHE induced an intense inflammatory infiltrate, composed mainly of mononuclear cells. The present findings reinforce the potential of this natural product as a source of future drug candidates for American cutaneous leishmaniasis.

Profiling of 19-norandrosterone sulfate and glucuronide in human urine: implications in athlete's drug testing.

19-Norandrosterone (19-NA) as its glucuronide derivative is the target metabolite in anti-doping testing to reveal an abuse of nandrolone or nandrolone prohormone. To provide further evidence of a doping with these steroids, the sulfoconjugate form of 19-norandrosterone in human urine might be monitored as well. In the present study, the profiling of sulfate and glucuronide derivatives of 19-norandrosterone together with 19-noretiocholanolone (19-NE) were assessed in the spot urines of 8 male subjects, collected after administration of 19-nor-4-androstenedione (100mg). An LC/MS/MS assay was employed for the direct quantification of sulfoconjugates, whereas a standard GC/MS method was applied for the assessment of glucuroconjugates in urine specimens. Although the 19-NA glucuronide derivative was always the most prominent at the excretion peak, inter-individual variability of the excretion patterns was observed for both conjugate forms of 19-NA and 19-NE. The ratio between the glucuro- and sulfoconjugate derivatives of 19-NA and 19-NE could not discriminate the endogenous versus the exogenous origin of the parent compound. However, after ingestion of 100mg 19-nor-4-androstenedione, it was observed in the urine specimens that the sulfate conjugates of 19-NA was detectable over a longer period of time with respect to the other metabolites. These findings indicate that more interest shall be given to this type of conjugation to deter a potential doping with norsteroids.

Impact of tamoxifen dose on tamoxifen and its active metabolites exposure in breast cancer patients: preliminary results from a prospective, open-label trial

Background: CYP2D6 is the key enzyme responsible for tamoxifen bioactivation mainly into endoxifen. This gene is highly polymorphic and breast cancer patients classified as CYP2D6 poor metabolizers (PM) or intermediate metabolizers (IM) appear to show low concentrations of endoxifen and to achieve less benefit from tamoxifen treatment. Purpose: This prospective, open-label trial aimed to assess how the increase of tamoxifen dose influences the level of endoxifen in the different genotype groups (poor-, intermediate-, and extensive-metabolizers (EM)). We examined the impact of doubling tamoxifen dose to 20mg twice daily on endoxifen plasma concentrations across these genotype groups. Patients and methods: Patients were assayed for CYP2D6 genotype and phenotype using dextromethorphan test. Tamoxifen, N-desmethyltamoxifen, 4-hydroxytamoxifen and endoxifen plasma levels were determined on 2 occasions at baseline (20mg/day of tamoxifen) and at day 30, 90 and 120 after dose increase (20 mg twice daily) using liquid chromatography-tandem-mass spectrometry. Endoxifen plasma levels were measured 6 to 24 hours after last drug intake to evaluate its accumulation before and after doubling tamoxifen dosage. ANOVA was used to evaluate endoxifen levels increase and difference between genotype groups. Results: 63 patients are available for analysis to date. Tamoxifen, N-desmethyltamoxifen, 4-hydroxytamoxifen and endoxifen plasma reached steady state at 30 day after tamoxifen dose escalation, with a significant increase compared to baseline by 1.6 to 1.8 fold : geometric mean plasma concentrations (CV %) were 140 ng/mL (45%) at baseline vs 255 (47%) at day 30 for tamoxifen (P < 0.0001); 256 (49%) vs 408 (64%) for N-desmethyltamoxifen (P < 0.0001); 2.4 (46%) vs 3.9 (51%) for 4-OH-tamoxifen (P < 0.0001); and 20 (91%) vs 33 (91%) for endoxifen (P < 0.02). On baseline, endoxifen levels tended to be lower in PM: 7 ng/mL (36%), than IM: 16 ng/mL (70%), P=0.08, and EM: 24 ng/mL (71%), P<0.001. After doubling tamoxifen dosage, endoxifen concentrations rose similarly in PM, IM and EM with respectively, 1.5 (18%), 1.5 (28%) and 1.7 (30%) fold increase from baseline, P=0.18. Conclusion: Endoxifen exposure varies widely under standard tamoxifen dosage, with CYP2D6 genotype explaining only a minor part of this variability. It increases consistently on doubling tamoxifen dose, similarly across genotypes. This would enable exposure optimization based on concentration monitoring.