Pharmaco-toxicologie cardiovasculaire : développement et validation de biomarqueurs précliniques d'effets secondaires

Abstract

L'intervalle QT de l'électrocardiogramme (ECG) est un biomarqueur clé pour évaluer le risque d'arythmies induites par les médicaments, bien que son interprétation puisse conduire à des faux positifs. L'allongement du QT peut être dû à deux sous-parties distinctes : le J-Tpeak (JTp), reflétant la repolarisation précoce et associé à un risque pro-arythmique, et le Tpeak-Tend (Tpe ou TpTe), dont l'allongement seul n'est pas lié aux torsades de pointes (TdP). Les médicaments qui prolongent le QT en augmentant Tpe sans modifier JTp ne devraient pas être considérés comme pro-arythmiques. Toutefois, cette distinction n'est pas toujours prise en compte en préclinique, ce qui peut conduire à l'abandon prématuré de candidats médicamenteux. Cette thèse vise à identifier des biomarqueurs ECG plus fiables que le QT pour mieux prédire le risque pro-arythmique des médicaments en développement. Le premier volet de ce travail repose sur une étude rétrospective analysant les effets de plusieurs médicaments (dofétilide, sotalol, vérapamil, médétomidine, cisapride) sur les intervalles QTca, JTpca et Tpeca (i.e., «ca» signifiant covariate adjusted) chez le chien Beagle et le singe cynomolgus. Les résultats montrent que le dofétilide et le cisapride allongent QTca et JTpca sans affecter Tpeca chez l'animal, tandis que le sotalol prolonge tous les intervalles ECG. En revanche, le vérapamil réduit QTca et JTpca tout en augmentant Tpeca, ce qui suggère une moindre toxicité sur le QTca. Le deuxième volet explore les facteurs confondants (i.e., température corporelle, adrénaline) pouvant influencer QT et ses sous-composants chez le chien Beagle. L'adrénaline diminue QTca et JTpca, contrairement aux attentes basées sur la littérature. L'impact de divers médicaments (dofétilide, vérapamil, ranolazine) est également évalué. L'étude met en évidence la variabilité du Tpeca et explore une approche par vectocardiogramme pour améliorer sa mesure, bien que des défis méthodologiques limitent son application. Le troisième volet est une étude prospective sur le singe cynomolgus, comparant les effets du dofétilide, de la quinidine, du vérapamil et de la mexilétine aux données cliniques humaines. Les résultats montrent que dofétilide et quinidine prolongent QTca et JTpca sans modifier Tpeca, tandis que la mexilétine diminue QTca et JTpca sans effet sur Tpeca, résultats conformes aux observations cliniques. Enfin, une modélisation in silico basée sur le modèle O'Hara-Rudy permet d'évaluer l'effet de l'inhibition de différents canaux ioniques sur la durée du potentiel d'action (APD). L'inhibition d'IKr entraîne la plus forte prolongation de l'APD. L’inhibition des canaux ICa et INa prolongent également la durée du APD. L'intégration de plusieurs canaux dans la modélisation améliore la prédiction du risque pro-arythmique. Bien que l'objectif initial ait été d'identifier des biomarqueurs plus fiables que l'intervalle QT pour évaluer le risque pro-arythmique au moyen de l'ECG, nos résultats révèlent que les biomarqueurs JTpca et Tpeca peuvent être adaptés à cette tâche chez les animaux, mais l'évaluation du Tpeca reste variable et présente des limitations méthodologiques. Cette thèse met en lumière la nécessité de développer des biomarqueurs plus robustes pour améliorer l’innocuité cardiaque préclinique. Une meilleure compréhension et l'optimisation des enregistrements ECG amélioreraient l'évaluation préclinique du risque pro-arythmique et l'innocuité des médicaments. The QT interval of the ECG is a key biomarker for assessing the risk of drug-induced arrhythmias, although its interpretation may lead to false positives. QT prolongation can result from two distinct components: J-Tpeak (JTp), which reflects early repolarization and is associated with proarrhythmic risk, and Tpeak-Tend (Tpe or TpTe), whose prolongation alone is not linked to TdP. Drugs that prolong QT by increasing Tpe without affecting JTp should not be considered proarrhythmic. However, this distinction is not always considered in preclinical studies, potentially leading to the premature discontinuation of drug candidates. This thesis aims to identify ECG biomarkers more reliable than QT to better predict the proarrhythmic risk of developing drugs. The first part of this work is based on a retrospective study analyzing the effects of several drugs (dofetilide, sotalol, verapamil, medetomidine, cisapride) on QTca, JTpca, and Tpeca intervals (where "ca" stands for covariate adjusted) in Beagle dogs and cynomolgus monkeys. The results show that dofetilide and cisapride prolong QTca and JTpca without affecting Tpeca in animals, while sotalol prolongs all ECG intervals. In contrast, verapamil reduces QTca and JTpca while increasing Tpeca, indicating a reduced toxicity profile on QTca. The second part explores confounding factors (i.e., body temperature, adrenaline) that may influence QT and its subcomponents in Beagle dogs. Adrenaline decreases QTca and JTpca, contrary to expectations based on the literature. The effects of various drugs (dofetilide, verapamil, ranolazine) are also evaluated. The study highlights the variability of Tpeca and explores a vectocardiogram approach to improve its measurement, although methodological challenges limit its application. The third part consists of a prospective study on cynomolgus monkeys, comparing the effects of dofetilide, quinidine, verapamil, and mexiletine with clinical human data. The results show that dofetilide and quinidine prolong QTca and JTpca without modifying Tpeca, whereas mexiletine decreases QTca and JTpca without affecting Tpeca, consistent with clinical observations. Finally, an in silico modeling study using the O'Hara-Rudy model assesses the effect of inhibiting various ion channels on action potential duration (APD). The inhibition of IKr causes the greatest prolongation of APD. Similarly, the inhibition of ICa and INa channels also contributes to the prolongation of APD. Integrating multiple channels into modeling improves proarrhythmic risk prediction. Although the initial goal was to identify more reliable biomarkers than the QT interval for assessing proarrhythmic risk using ECG, our findings reveal that JTpca and Tpeca may be suitable for this purpose in animals. However, Tpeca evaluation remains highly variable and presents methodological limitations. This thesis highlights the need to develop more robust biomarkers to improve preclinical cardiac safety assessment. A better understanding and optimization of ECG recordings would enhance the preclinical evaluation of proarrhythmic risk and drug safety.