Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Effects of cytochrome P450 enzyme inhibitors and inducers on the metabolism of S-ketamine

The human body eliminates foreign compounds primarily by metabolizing them to hydrophilic forms to facilitate effective excretion through the kidneys. Cytochrome P450 (CYP) enzymes in the liver and intestine contribute to the metabolism of many drugs. Pharmacokinetic drugdrug interactions occur if the activity of CYPs are inhibited or induced by another drug. Prescribing multiple drugs to the improve effectiveness of therapy or to treat coexisting diseases is a common practice in clinical medicine. Polypharmacy predisposes patients to adverse effects because of the profound unpredictability in CYP enzymatic-mediated drug metabolism. S-ketamine is a phencyclidine derivative which functions as an antagonist of the N-methyl-Daspartate (NMDA) receptor in the central nervous system. It is a unique anaesthetic producing “dissociative anaesthesia” in high doses and analgesia in low doses. Studies with human liver microsomes suggest that ketamine is metabolized primarily via CYP3A4 and CYP2B6 enzymes. In this thesis, in healthy volunteers, randomized and controlled cross-over studies were conducted to investigate the effects of different CYP inducers and inhibitors on the pharmacokinetics and pharmacodynamics of oral and intravenous S-ketamine. The plasma concentrations of ketamine and its metabolite, norketamine, were determined at different timepoints over a 24 hour period. Other pharmacodynamic variables were examined for 12 hours. Results of these studies showed that the inhibition of the CYP3A4 pathway by clarithromycin or grapefruit juice increased the exposure to oral S-ketamine by 2.6- and 3.0-fold. Unexpectedly, CYP3A4 inhibition by itraconazole caused no significant alterations in the plasma concentrations of oral S-ketamine. CYP3A4 induction by St. John´s wort or rifampicin decreased profoundly the concentrations of oral S-ketamine. However, after rifampicin, there were no significant differences in the plasma concentrations of S-ketamine when it was administered intravenously. This demonstrated that rifampicin inhibited the metabolism of Sketamine at the intestinal level. When CYP2B6 was inhibited by ticlopidine, there was a 2.4- fold increase in the exposure of S-ketamine. These studies demonstrated that low dose oral Sketamine is metabolized both via CYP3A4 and CYP2B6 pathways. The concomitant use of drugs that affect CYP3A4 or CYP2B6, during oral S-ketamine treatment, may cause clinically significant drug-drug interactions.

Effects of estradiol benzoate on 5'-iodothyronine deiodinase activities in female rat anterior pituitary gland, liver and thyroid gland

There is little information on the possible effects of estrogen on the activity of 5'-deiodinase (5'-ID), an enzyme responsible for the generation of T3, the biologically active thyroid hormone. In the present study, anterior pituitary sonicates or hepatic and thyroid microsomes from ovariectomized (OVX) rats treated or not with estradiol benzoate (EB, 0.7 or 14 µg/100 g body weight, sc, for 10 days) were assayed for type I 5'-ID (5'-ID-I) and type II 5'-ID (5'-ID-II, only in pituitary) activities. The 5'-ID activity was evaluated by the release of 125I from deiodinated 125I rT3, using specific assay conditions for type I or type II. Serum TSH and free T3 and free T4 were measured by radioimmunoassay. OVX alone induced a reduction in pituitary 5'-ID-I (control = 723.7 ± 67.9 vs OVX = 413.9 ± 26.9; P<0.05), while the EB-treated OVX group showed activity similar to that of the normal group. Thyroid 5'-ID-I showed the same pattern of changes, but these changes were not statistically significant. Pituitary and hepatic 5'-ID-II did not show major alterations. The treatment with the higher EB dose (14 µg), contrary to the results obtained with the lower dose, had no effect on the reduced pituitary 5'-ID-I of OVX rats. However, it induced an important increment of 5'-ID-I in the thyroid gland (0.8 times higher than that of the normal group: control = 131.9 ± 23.7 vs ovx + EB 14 µg = 248.0 ± 31.2; P<0.05), which is associated with increased serum TSH (0.6-fold vs OVX, P<0.05) but normal serum free T3 and free T4. The data suggest that estrogen is a physiological stimulator of anterior pituitary 5'-ID-I and a potent stimulator of the thyroid enzyme when employed at high doses

Inhibition of rat microsomal lipid peroxidation by the oral administration of D002

The effect of D002, a defined mixture of higher primary alcohols purified from bee wax, on in vivo and in vitro lipid peroxidation was studied. The extent of lipid peroxidation was measured on the basis of the levels of thiobarbituric acid reactive substances (TBARS). When D002 (5-100 mg/kg body weight) was administered orally to rats for two weeks, a partial inhibition of the in vitro enzymatic and non-enzymatic lipid peroxidation was observed in liver and brain microsomes. Maximal protection (46%) occurred at a dose of 25 mg/kg. D002 behaved differently depending on both the presence of NADPH and the integrity of liver microsomes, which suggests that under conditions where microsomal metabolism was favored the protective effect of D002 was increased. D002 (25 mg/kg) also completely inhibited carbon tetrachloride- and toluene-induced in vivo lipid peroxidation in liver and brain. Also, D002 significantly lowered in a dose-dependent manner the basal level of TBARS in liver (19-40%) and brain (28-44%) microsomes. We conclude that the oral administration of D002 (5, 25 and 100 mg/kg) for two weeks protected rat liver and brain microsomes against microsomal lipid peroxidation in vitro and in vivo. Thus, D002 could be useful as a dietary natural antioxidant supplement. More studies are required before these data can be extrapolated to the recommendation for the use of D002 as a dietary antioxidant supplement for humans.

Morphologic and biochemical changes in male rat lung after surgical and pharmacological castration

The morphology of the rat lung was studied by light microscopy in different situations: after surgical and pharmacological castration and after administration of testosterone to the castrated rat to determine if the androgen is required to maintain the normal morphology of the lung. We also determined the effect of flutamide on the phospholipid composition of both the surfactant and microsomes of the lung. Rats were separated into five groups: I - control non-castrated rats, II - castrated rats sacrificed 21 days after castration, III - castrated rats that received testosterone daily from day 2 to day 21 after castration, IV - castrated rats that received testosterone from day 15 to day 21 after castration, and V - control rats injected with flutamide for 7 days. The amount of different phospholipids in the surfactant and microsomes of the lung was measured in group I and V rats. At the light microscopy level, the surgical and pharmacological castration provoked alterations in the morphology of the lung, similar to that observed in human lung emphysema. The compositions of surfactant and microsomes of the lung were similar to those previously reported by us for the surgically castrated rats. These results indicate that androgens are necessary for the normal morphology as well as for some metabolic aspects of the lung.

Induction of liver monooxygenases by annatto and bixin in female rats

Annatto or urucum is an orange-yellow dye obtained from Bixa orellana seeds. It has been used as a natural dye in a variety of food products, drugs and cosmetics, and also in Brazilian cuisine as a condiment ('colorau'). Bixin, a carotenoid devoid of provitamin A activity, is the main pigment found in annatto. Some carotenoids (canthaxanthin, astaxanthin and ß-Apo-8'-carotenal) are known to be potent inducers of CYP1A1, a property not shared by others (ß-carotene, lycopene and lutein). Little is known, however, about the CYP1A1-inducing properties of bixin and annatto. The present study was performed to determine the effects of an annatto extract (28% bixin) and bixin (95% pure) on rat liver monooxygenases. Adult female Wistar rats were treated by gavage with daily doses of annatto (250 mg/kg body weight, which contains approximately 70 mg bixin/kg body weight), bixin (250 mg/kg body weight) or the vehicle only (corn oil, 3.75 g/kg body weight) for 5 consecutive days, or were not treated (untreated control). The activities of aniline-4-hydroxylase (A4H), ethoxycoumarin-O-deethylase (ECOD), ethoxy- (EROD), methoxy- (MROD), pentoxy- (PROD) and benzyloxy- (BROD) resorufin-O-dealkylases were measured in liver microsomes. Annatto (250 mg/kg containing 70 mg bixin/kg) induced EROD (3.8x), MROD (4.2x), BROD (3.3x) and PROD (2.4x). Bixin (250 mg/kg) was a weaker inducer of EROD (2.7x), MROD (2.3x) and BROD (1.9x) and did not alter PROD, A4H or ECOD activities. These results suggest that constituents of the extract other than bixin play an important role in the induction of CYP1A and CYP2B observed with annatto food colorings.

Activity of liver microsomal enzymes during the chronic phase of murine schistosomiasis

The effects of schistosomiasis on microsomal enzymes were studied on post-infection day 90 when accumulated damage and fibrosis are most intense but granulomatous reaction around the eggs harbored in the liver is smaller than during the earlier phases. Swiss Webster (SW) and DBA/2 mice of either sex (N = 12 per sex per group) were infected with 100 Schistosoma mansoni cercariae on postnatal day 10 and killed on post-infection day 90. Cytochrome P-450 (CYP) concentration and alkoxyresorufin-O-dealkylases (EROD, MROD, BROD, and PROD), p-nitrophenol-hydroxylase (PNPH), coumarin-7-hydroxylase (COH), and UDP-glucuronosyltransferase (UGT) activities were measured in hepatic microsomes. Age-matched mice of the same sex and strain were used as controls. In S. mansoni-infected mice, CYP1A- and 2B-mediated activities (control = 100%) were reduced in SW (EROD: male (M) 36%, female (F) 38%; MROD: M 38%, F 39%; BROD: M 46%, F 19%; PROD: M 50%, F 28%) and DBA/2 mice (EROD: M 64%, F 58%; MROD: M 60%; BROD: F 49%; PROD: M 73%) while PNPH (CYP2E1) was decreased in SW (M 31%, F 38%) but not in DBA/2 mice. COH did not differ between infected and control DBA/2 and UGT, a phase-2 enzyme, was not altered by infection. In conclusion, chronic S. mansoni infection reduced total CYP content and all CYP-mediated activities evaluated in SW mice, including those catalyzed by CYP2E1 (PNPH), CYP1A (EROD, MROD) and 2B (BROD, PROD). In DBA/2 mice, however, CYP2A5- and 2E1-mediated activities remained unchanged while total CYP content and activities mediated by other CYP isoforms were depressed during chronic schistosomiasis.

Role of 11β-hydroxysteroid dehydrogenase 2 renal activity in potassium homeostasis in rats with chronic renal failure

Aldosterone concentrations vary in advanced chronic renal failure (CRF). The isozyme 11β-hydroxysteroid dehydrogenase 2 (11β-HSD2), which confers aldosterone specificity for mineralocorticoid receptors in distal tubules and collecting ducts, has been reported to be decreased or normal in patients with renal diseases. Our objective was to determine the role of aldosterone and 11β-HSD2 renal microsome activity, normalized for glomerular filtration rate (GFR), in maintaining K+ homeostasis in 5/6 nephrectomized rats. Male Wistar rats weighing 180-220 g at the beginning of the study were used. Rats with experimental CRF obtained by 5/6 nephrectomy (N = 9) and sham rats (N = 10) were maintained for 4 months. Systolic blood pressure and plasma creatinine (Pcr) concentration were measured at the end of the experiment. Sodium and potassium excretion and GFR were evaluated before and after spironolactone administration (10 mg·kg-1·day-1 for 7 days) and 11β-HSD2 activity on renal microsomes was determined. Systolic blood pressure (means ± SEM; Sham = 105 ± 8 and CRF = 149 ± 10 mmHg) and Pcr (Sham = 0.42 ± 0.03 and CRF = 2.53 ± 0.26 mg/dL) were higher (P < 0.05) while GFR (Sham = 1.46 ± 0.26 and CRF = 0.61 ± 0.06 mL/min) was lower (P < 0.05) in CRF, and plasma aldosterone (Pald) was the same in the two groups. Urinary sodium and potassium excretion was similar in the two groups under basal conditions but, after spironolactone treatment, only potassium excretion was decreased in CRF rats (sham = 0.95 ± 0.090 (before) vs 0.89 ± 0.09 µEq/min (after) and CRF = 1.05 ± 0.05 (before) vs 0.37 ± 0.07 µEq/min (after); P < 0.05). 11β-HSD2 activity on renal microsomes was lower in CRF rats (sham = 0.807 ± 0.09 and CRF = 0.217 ± 0.07 nmol·min-1·mg protein-1; P < 0.05), although when normalized for mL GFR it was similar in both groups. We conclude that K+ homeostasis is maintained during CRF development despite normal Pald levels. This adaptation may be mediated by renal 11β-HSD2 activity, which, when normalized for GFR, became similar to that of control rats, suggesting that mineralocorticoid receptors maintain their aldosterone selectivity.

An investigation into some mechanistic aspects of estrogen biosynthesis

The mechanistic aspects of the 19-hydroxy1ation and aromatization of androgens were investigated. Fungal, bacterial and mammalian enzymatic activities were studied in this regard . The fungus Pell i cular~ fi1amentosa metabolized androst-4-ene-3 , 17-dione to the corresponding 110<' , 11 f and 14 0( hydroxylated derivatives. No ~19- hydroxylated products were isolated, although this transformation was previously observed for the C21-steroids . The intestinal bacterium Clostridi um paraputrific~ had been reported to aromatize androsten-4-ene-3,17-dione. In the present study, however, only the ring A reduced products , 17(3 - hydroxy-5f -andro8tane- 3-one and 5f-androstane-3,17-dione , were recovered . Human placental microsomes contain substantial aromatase activity and were employed in an effort to elucidate some of the mechanistic details of aromatization. Selectively deuterated steroidal substrates were employed as a probe in order to distinguish b'!tween certain of the mechanisms proposed for aromatization . Retention of deuterium at C4 and C6 was observed. It was concluded that no free intermediates allowing for loss of hydrogen from either of these two positions are implicated in this process . The involvement of a Schiff base enzyme-sup strate complex in aromatization was examined using the substrate 17f - hydroxyandrost-4-ene-3-one- 3_ 1BO. Since no loss of label was ob~erved, the implication of a Schiff base was discounted . Mixed label1ir~ studies were performed in order to determine if hydroxylation at C19 is a rate-determining process in aromatization . Isotope effects of 2 .1 and 1.7 were determined for the conversion of 17f - hydroxyandrost-4-ene-J-one-19,19,19-dJ and -19-dl respectively to estrogens. It was concluded from this that 19-hydroxylation is at l east a partially rate-determinjng process in aromatization. A homoenb~ation mechanism for 19-hydroxylation was not supported by the data obtained in this s tudy. In vitro 1JC NMR monitoring using l7f-hydroxyandrost-4-ene-Jone- 19-l3C was found not to be a successful approach in the study of steroid transformations, owing in part t o their low solubility in the incubation medium.

Biotransformation of polycylic aromatic compounds by fungi and an investigation into the oxidation of alkylbenzenes by Mortierella isabellina NRRL 1757

Incubations of several polycyclic heteroaromatic compounds and two polycyclic aromatic hydrocarbons with a series of common fungi have been performed. The fungi Cunninghamella elegans ATCC 26269, Rhizopus arrhizus ATCC 11145, and Mortierella isabellina NRRL 1757 were studied in this regard. Of the aza heteroaromatics, only dibenzopyrrole gave a ring hydroxylated product following the incubation with C. elegans. From the thio heteroaromatics studied, dibenzothiophene was metabolized by all the three fungi and thioxanthone by C. elegans and M. isabellina giving sulfones and sulphoxides. Thiochromanone was metabolized stereoselectively to the corresponding sulphoxide by C. elegans. Methyl substituted thioxanthones on incubation with C. elegans produced oxidative products, arising from S -oxidation and hydroxylation at the methyl group. Of the cyclic ketones studied, only fluorenone was reduced to hydroxyfluorene and this metabolism is compared with that reported with cytochrome P-450 monooxygenases of hepatic microsomes. A series of para-substituted ethylbenzenes has been transformed stereoselectively to the 1-phenylethanols by incubation with M. isabellina. Comparisons of the enantiomeric purities obtained from products with their respective para substituent of the same steric size but different electronic properties indicate that the stereoselectivity of hydroxylation at benzylic carbon may be susceptible to electron donating or withdrawing factors in some cases, but that observation is not va lid in all the comparisons. The stereochemistry of the reaction is discussed in terms of three possible steps, ethylbenzene ---) 1-phenylethanol ---) acetophenone ---) 1-phenylethanol. This metabolic pathway could account for the inconsistencies observed in the comparisons of optical purities and electronic character of para substituents. Furthermore, formation of 2-phenylethanol (in some cases), l-(p-acetylphenyl)ethanol from p-diethylbenzene, and N-acetylation of p-ethylaniline was observed. n-Propylbenzene was also converted to optically active 1-phenylpropanol. Acetophenone, p-ethylacetophenone, and o(,~,~-trifluoroacetophenone were transformed to 1-phenylethanol, l-(p-ethylphenyl)ethanol, and 1-phenyl-2,2,2-trifluoroethanol, respectively, with high chemical and excellent optical yields. The 13 C NMR spectra of several substrates and metabolic products have been reported and assigned for the first time.

Caractérisation de la toxicocinétique de l’octylphénol chez le rat en vue d’une meilleure analyse de risque toxicologique des perturbateurs endocriniens

Le p-tert-octylphénol est un produit présent dans l’environnement et issu de la dégradation des alkylphénols éthoxylés. Ce composé a la capacité de se lier au récepteur œstrogénique et d’exercer ainsi un léger effet œstrogénique. Les objectifs de cette étude étaient de 1) développer une méthode d'identification de l'octylphénol dans le sang et les tissus à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse jumelée à la spectrométrie de masse, 2) caractériser la toxicocinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol chez le rat Sprague-Dawley mâle et femelle et 3) développer un modèle toxicocinétique à base physiologique permettant de décrire la cinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol inchangé. Pour ce faire, des rats mâle et femelle Sprague-Dawley ont reçu des doses uniques d’octylphénol par les voies intraveineuse, orale et sous-cutanée. Deux autres groupes ont reçu des doses répétées d'octylphénol par voie orale pour une durée de 35 jours consécutifs pour les femelles ou 60 jours pour les mâles. Les concentrations sanguines et tissulaires d’octylphénol ont été mesurées à différents moments après administration à partir d’une méthode d’analyse développée dans nos laboratoires dans le cadre de ce projet. Les expériences impliquant des administrations uniques ont montré que les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol étaient en général plus élevées chez les femelles que chez les mâles. Des expériences réalisées avec des microsomes hépatiques ont confirmé que ces différences étaient vraisemblablement reliées au métabolisme de l'octylphénol. Les expériences impliquant des administrations répétées ont montré qu'il n'y avait pas d'accumulation d'octylphénol dans l'organisme aux doses étudiées. Les résultats obtenus expérimentalement ont servi à développer et valider un modèle toxicocinétique à base physiologique. Ce modèle a permis de simuler adéquatement les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol suite à des expositions intraveineuses, orales et sous-cutanées. En conclusion, cette étude a fourni des données essentielles sur la toxicocinétique de l'octylphénol. Ces données sont nécessaires pour établir la relation entre la dose externe et la dose interne et vont contribuer à une meilleure évaluation des risques liés à l'octylphénol.

Modulation du cytochrome P450 dans un modèle murin d'insuffisance rénale chronique

Introduction : Les modèles murins sont grandement utilisés dans l’étude des maladies rénales et des pathologies associées. La concentration de la créatinine sérique est un bon indicateur de la filtration glomérulaire et en présence d’insuffisance rénale chronique (IRC), les concentrations de créatinine sérique (et la clairance) reflètent la sévérité de l’IRC. De plus, il a été démontré que l’IRC modifie le métabolisme des médicaments en diminuant l’activité et l’expression des enzymes hépatiques du cytochrome P450 (CYP450). Afin d’étudier la modulation du P450 par l’IRC avec un modèle murin et de confirmer nos résultats chez le rat, nous devons 1) développer un modèle d’IRC chez la souris, 2) mettre au point une technique de dosage des marqueurs de l’IRC et, 3) évaluer l’expression protéique du CYP450 en présence IRC. Matériel et Méthode : Trois modèles chirurgicaux d’IRC chez la souris ont été développés. Une méthode du dosage de la créatinine par chromatographie liquide à haute performance (CLHP) a été mise au point chez la souris et l’expression protéique du P450 a été mesurée par immunobuvardage de type Western. Résultats : Plusieurs paramètres de CLHP comme le pH, la concentration et le débit de la phase mobile modifient le pic d’élution et le temps de rétention de la créatinine. Concernant le modèle expérimental, on observe une perte de poids et une augmentation de la concentration plasmatique de la créatinine chez les souris avec une IRC. De plus, l’expression protéique de plusieurs isoformes du cytochrome P450 est modulée par l’IRC. Nous observons une diminution du CYP 2D de 42% (p < 0,01), du CYP 3A11 de 60% et du CYP 1A de 37% (p <0,01) par rapport aux souris témoins. On ne dénote aucun changement significatif au niveau de l’isoforme 2E1. Conclusion : Il est possible d’induire une insuffisance rénale chronique chez la souris suite à une néphrectomie. La technique de dosage de la créatinine par CLHP est précise et exacte et permet de caractériser la sévérité de l’IRC chez la souris. L’expression protéique du CYP450 est régulée à la baisse dans le foie des souris atteintes d’IRC.

Effet de l’insuffisance rénale chronique sur les enzymes du cytochrome P450 dans le cerveau de rat

Introduction: Nous avons déjà montré que l’insuffisance rénale chronique (IRC) entraîne une régulation négative du cytochrome P450 (CYP450) dans le foie et l’intestin de rat. La présente étude cherche à déterminer l’effet de l’IRC sur l’expression des enzymes du CYP450 dans le cerveau de rat. L’expression génique, protéique ainsi que l’activité des isoenzymes du CYP450 ont été analysées dans différentes régions du cerveau (hippocampe, cervelet, cortex et parenchyme cérébral) afin de déterminer l’effet de l’insuffisance rénale chronique sur le métabolisme cérébral des médicaments par le CYP450. Méthodes: Le cerveau entier de rats atteints d’IRC (induite par une néphrectomie sub-totale 5/6) et de rats témoins (laparotomie blanche) a été disséqué en 4 parties (cortex, cervelet, hippocampe et parenchyme cérébral). L’expression protéique et celle de l’ARNm des isoformes 1A, 2C11, 2D, 3A et 4A du cytochrome P450 a été étudiée respectivement par immunobuvardage de type Western et PCR en Temps Réel. L’activité du CYP3A a été mesurée par le métabolisme du DFB en DFH sur des préparations de microsomes de cerveau. Une technique de culture cellulaire d’astrocytes a été mise au point et a permis d’évaluer l’expression des enzymes dans ces cellules suite à l’incubation des astrocytes avec le sérum de rats atteints d’insuffisance rénale chronique. Résultats: Chez les rats atteints d’IRC, les niveaux géniques de CYP1A, 2C et 3A sont diminués d’au moins 40% (p < 0,05) dans presque toutes les parties étudiées. Les niveaux d’ARNm du CYP2D demeurent inchangés. De plus, une diminution significative d’au moins 45% (p < 0,05) de l’expression protéique des CYP1A, 2C et 3A est observée dans presque toutes les structures étudiées. L’activité enzymatique de CYP3A est diminuée significativement dans le cerveau de rats IRC, ainsi que l’expression des enzymes du CYP2C11 dans les astrocytes en culture lorsqu’incubés avec du sérum de rat urémique. Conclusions: Ces études démontrent que le cerveau est également affecté par l’IRC. Ceci se traduit par une diminution de l’expression protéique, génique, ainsi que de l’activité des enzymes du CYP450. Cette diminution pourrait expliquer une augmentation des effets secondaires dans le système nerveux central en IRC.

Étude des tachykinines et de leurs dérivés peptidiques associés à la douleur neuropathique grâce à l’utilisation de modèles animaux et de la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse

Thèse réalisée en co-tutelle avec l'Université Claude Bernard de Lyon 1, en France.

Administration de [6]-gingérol intrathécal pour le traitement de la douleur neuropathique chez le rat mâle Sprague-Dawley

Le [6]-gingérol est un analogue structurel de la capsaïcine, une molécule agoniste au récepteurs TRPV1 et ayant des propriétés thérapeutiques connues dans le traitement de la douleur. Deux objectifs principaux ont été poursuivis lors de la réalisation de ce projet de recherche. D’abord, établir une meilleure caractérisation du métabolisme du [6]-gingérol chez le rat. Pour ce faire, une méthode sensible et spécifique pour la quantification du [6]-gingérol et ses métabolites par HPLC-ESI/MS/MS a été développée. Une étude de stabilité métabolique in vitro utilisant des microsomes hépatiques de rats a ensuite été réalisée. Les résultats démontrent une dégradation lente avec un temps de demi-vie de 163 minutes et une clairance intrinsèque relativement basse de 0.0043 mL/min. D’autres analyses ont ensuite été performées pour caractériser les métabolites in vitro et in vivo. Trois principaux métabolites de phase I et quatre métabolites de phase II ont été identifiés par HPLC-MS/MS et HPLC-MSD TOF. Les résultats suggèrent que le principal métabolite excrété dans l’urine est un glucuronide du [6]-gingérol hydroxylé. Le second objectif de ce projet était de déterminer l’effet central du [6]-gingérol sur la douleur neuropathique lorsqu’injecté par voie intrathécale. La distribution de la molécule a d’abord été évaluée suite à une administration intra-péritonéale de 40 mg/kg de [6]-gingérol et les ratios des concentrations cerveau-plasma et moelle épinière-plasma (0.73 et 1.7, respectivement) suggèrent que le [6]-gingérol se distribue efficacement au niveau du système nerveux central. Une injection intrathécale de 10 μg de [6]-gingérol à été performée chez les rats suite à l’induction de douleur par la pose de ligatures au niveau du nerf sciatique. Les résultats suggèrent une réduction significative de l’allodynie mécanique et de l’hyperalgésie thermique à 30 min, 2 h et 4 h suivant l’injection (p < 0.05, p < 0.01 et p < 0.001). Le [6]-gingérol se distribue donc adéquatement au niveau du système nerveux central des rats, permettant une action au niveau des récepteurs TRPV1. Ainsi, le [6]-gingérol pourrait soulager la douleur neuropathique en agissant centralement au niveau de la moelle épinière.