Exposure to toxic bile acids (BA) and retinoic acids (RA) is implicated in toxicities related to excessive oxidative stress. This thesis examined roles and mechanisms of the oxidative stress-responsive nuclear factor (erythroid 2-like) factor 2 (Nrf2) in adaptive cell defense against BA and RA toxicities. Using liver cells and mouse models, many antioxidant proteins known to be Nrf2 target genes, particularly the rate-limiting enzyme for glutathione (GSH) biosynthesis, i.e., glutamate-cysteine ligase subunits (GCLM/GCLC), were induced by BA [lithocholic acid (LCA)] or RA (all-trans, 9-cis and 13-cis) treatment. Evidence for increased Nrf2 transactivation by LCA and all-trans-RA was exemplified in HepG2 by: (1) reduced constitutive and inducible expression of GCLM/GCLC upon Nrf2 silencing via small-interfering RNA; (2) increased inducible expression of GCLM/GCLC genes by Nrf2 overexpression, but overexpression of dominant-negative Nrf2 decreased it; (3) increased nuclear accumulation of Nrf2 as signature event of receptor activation; (4) enhanced Nrf2-dependent antioxidant-response-element (ARE) reporter activity as indicative of increased Nrf2 transactivation; and (5) increased Nrf2 occupancy to AREs of GCLM and GCLC. Additionally, in BA-treated HepG2 cells, we observed concomitant increases of many ATP-binding cassette (ABC) transporters (MRPs 1-5, MDR1 and BCRP) in parallel with increased cellular efflux. Nrf2 silencing in HepG2 cells decreased constitutive and inducible expression of MRP2, MRP3 and ABCG2. However, Nrf2-silenced mouse hepatoma cells, Hepa1c1c7, and Nrf2-/- mice had decreased constitutive and/or inducible expression of Mrps 1-4, suggesting species differences in Nrf2-dependent regulation of hepatic ABC transporters. Protection by Nrf2 against BA and RA toxicities was confirmed by observations that Nrf2 silencing increased cell susceptibility to BA- and RA-induced cell death. Moreover, Nrf2-/- mice suffered more severe liver injury than the wildtype. Increased GSH and efflux activity following increased GCLM/GCLC and ABC transporters, respectively, can mitigate LCA toxicity. Activation of MEK1-ERK1/2 MAPK was shown to primarily mediate Nrf2 transactivation and LCA-induced expression of antioxidant proteins and Nrf2-dependent and -independent ABC transporters. In conclusion, Nrf2 activation by BA and RA led to coordinated induction of antioxidant and ABC proteins, thereby counteracting resultant oxidative cytotoxicity. The potential of targeting Nrf2 in management of BA and RA toxicities merits further investigation.

Exposure to toxic bile acids (BA) and retinoic acids (RA) is implicated in toxicities related to excessive oxidative stress. This thesis examined roles and mechanisms of the oxidative stress-responsive nuclear factor (erythroid 2-like) factor 2 (Nrf2) in adaptive cell defense against BA and RA toxicities. Using liver cells and mouse models, many antioxidant proteins known to be Nrf2 target genes, particularly the rate-limiting enzyme for glutathione (GSH) biosynthesis, i.e., glutamate-cysteine ligase subunits (GCLM/GCLC), were induced by BA [lithocholic acid (LCA)] or RA (all-trans, 9-cis and 13-cis) treatment. Evidence for increased Nrf2 transactivation by LCA and all-trans-RA was exemplified in HepG2 by: (1) reduced constitutive and inducible expression of GCLM/GCLC upon Nrf2 silencing via small-interfering RNA; (2) increased inducible expression of GCLM/GCLC genes by Nrf2 overexpression, but overexpression of dominant-negative Nrf2 decreased it; (3) increased nuclear accumulation of Nrf2 as signature event of receptor activation; (4) enhanced Nrf2-dependent antioxidant-response-element (ARE) reporter activity as indicative of increased Nrf2 transactivation; and (5) increased Nrf2 occupancy to AREs of GCLM and GCLC. Additionally, in BA-treated HepG2 cells, we observed concomitant increases of many ATP-binding cassette (ABC) transporters (MRPs 1-5, MDR1 and BCRP) in parallel with increased cellular efflux. Nrf2 silencing in HepG2 cells decreased constitutive and inducible expression of MRP2, MRP3 and ABCG2. However, Nrf2-silenced mouse hepatoma cells, Hepa1c1c7, and Nrf2-/- mice had decreased constitutive and/or inducible expression of Mrps 1-4, suggesting species differences in Nrf2-dependent regulation of hepatic ABC transporters. Protection by Nrf2 against BA and RA toxicities was confirmed by observations that Nrf2 silencing increased cell susceptibility to BA- and RA-induced cell death. Moreover, Nrf2-/- mice suffered more severe liver injury than the wildtype. Increased GSH and efflux activity following increased GCLM/GCLC and ABC transporters, respectively, can mitigate LCA toxicity. Activation of MEK1-ERK1/2 MAPK was shown to primarily mediate Nrf2 transactivation and LCA-induced expression of antioxidant proteins and Nrf2-dependent and -independent ABC transporters. In conclusion, Nrf2 activation by BA and RA led to coordinated induction of antioxidant and ABC proteins, thereby counteracting resultant oxidative cytotoxicity. The potential of targeting Nrf2 in management of BA and RA toxicities merits further investigation.

The expanding therapeutic use of thalidomide (TD) remains limited by its species-specific teratogenicity in humans and rabbits, but not rodents. The R and S isomers of TD may be selectively responsible for its respective therapeutic and teratogenic effects, but rapid in vivo racemization makes this impossible to confirm. Fluorothalidomide (FTD), a fluorinated TD analogue with stable, non-racemizing isomers, may serve as a model compound for determining stereoselective effects. In vivo, FTD was undetectable in plasma, suggesting rapid breakdown, as confirmed in vitro, where FTD hydrolyzed up to 22-fold faster than TD. Unlike TD, FTD in pregnant rabbits and mice was highly toxic and lethal to both dams and fetuses. In rabbit embryo culture, FTD initiated optic (eye) vesicle and hindbrain but not classic limb bud embryopathies. Chemical instability, potent general toxicity and absence of limb bud embryopathies make FTD an unsuitable stereoselective model for TD teratogenesis. TD teratogenesis may involve its bioactivation by embryonic prostaglandin H synthases (PHSs) to a free radical intermediate that increases embryopathic reactive oxygen species (ROS) formation. However, the teratogenic potential of rapidly formed TD hydrolysis products and the determinants of species-specific teratogenesis are unclear. For some teratogens, mouse strains that are resistant in vivo are susceptible in embryo culture, suggesting maternal and/or placental determinants of risk. However, TD and two hydrolysis products, 2-phthalimidoglutaramic acid (PGMA) and 2-phthalimidoglutaraic acid (PGA), were non-embryopathic in CD-1 mouse embryo culture. Also, mice deficient in oxoguanine glycosylase 1 (OGG1), which repairs oxidatively damaged DNA, were resistant to TD embryopathies in culture and in vivo. Therefore, murine resistance to TD teratogenesis is dependent on embryonic factors, rather than maternal/placental determinants or increased DNA repair. In contrast, rabbit embryos exposed in culture to TD, PGMA and PGA exhibited head/brain, otic (ear) vesicle and classic limb bud embryopathies, validating the first mammalian embryo culture model for TD teratogenesis and providing the first evidence of a teratogenic role for TD hydrolysis products. Pretreatment with eicosatetraynoic acid (ETYA), a dual PHS/lipoxygenase inhibitor, or phenylbutylnitrone (PBN), a free radical spin trapping agent, completely blocked TD, PGMA and PGA-initiated embryopathies, implicating a PHS-dependent, ROS-mediated embryopathic mechanism.

The expanding therapeutic use of thalidomide (TD) remains limited by its species-specific teratogenicity in humans and rabbits, but not rodents. The R and S isomers of TD may be selectively responsible for its respective therapeutic and teratogenic effects, but rapid in vivo racemization makes this impossible to confirm. Fluorothalidomide (FTD), a fluorinated TD analogue with stable, non-racemizing isomers, may serve as a model compound for determining stereoselective effects. In vivo, FTD was undetectable in plasma, suggesting rapid breakdown, as confirmed in vitro, where FTD hydrolyzed up to 22-fold faster than TD. Unlike TD, FTD in pregnant rabbits and mice was highly toxic and lethal to both dams and fetuses. In rabbit embryo culture, FTD initiated optic (eye) vesicle and hindbrain but not classic limb bud embryopathies. Chemical instability, potent general toxicity and absence of limb bud embryopathies make FTD an unsuitable stereoselective model for TD teratogenesis. TD teratogenesis may involve its bioactivation by embryonic prostaglandin H synthases (PHSs) to a free radical intermediate that increases embryopathic reactive oxygen species (ROS) formation. However, the teratogenic potential of rapidly formed TD hydrolysis products and the determinants of species-specific teratogenesis are unclear. For some teratogens, mouse strains that are resistant in vivo are susceptible in embryo culture, suggesting maternal and/or placental determinants of risk. However, TD and two hydrolysis products, 2-phthalimidoglutaramic acid (PGMA) and 2-phthalimidoglutaraic acid (PGA), were non-embryopathic in CD-1 mouse embryo culture. Also, mice deficient in oxoguanine glycosylase 1 (OGG1), which repairs oxidatively damaged DNA, were resistant to TD embryopathies in culture and in vivo. Therefore, murine resistance to TD teratogenesis is dependent on embryonic factors, rather than maternal/placental determinants or increased DNA repair. In contrast, rabbit embryos exposed in culture to TD, PGMA and PGA exhibited head/brain, otic (ear) vesicle and classic limb bud embryopathies, validating the first mammalian embryo culture model for TD teratogenesis and providing the first evidence of a teratogenic role for TD hydrolysis products. Pretreatment with eicosatetraynoic acid (ETYA), a dual PHS/lipoxygenase inhibitor, or phenylbutylnitrone (PBN), a free radical spin trapping agent, completely blocked TD, PGMA and PGA-initiated embryopathies, implicating a PHS-dependent, ROS-mediated embryopathic mechanism.

L’objectif de cette étude est de déterminer certains paramètres respiratoires et cardiovasculaires chez des sujets de tous âges pour utilisation, à titre d’intrants physiologiques, en modélisation toxicocinétique et en analyse du risque toxique. La base de données utilisée est tirée de la littérature. Il s’agit de mesures portant sur la dépense d’énergie quotidienne de base et la dépense d’énergie quotidienne de totale obtenues, l’une par calorimétrie indirecte, l’autre par double marquage isotopique des molécules d’eau. Selon le type d’unité retenu, les valeurs les plus élevées au 99e centile des taux quotidiens d’inhalation sont obtenues chez des adolescentes et des femmes âgées de 11 à 55 ans souffrant d’embonpoint ou d’obésité, durant leur 36e semaine de grossesse (47,31 m³/jour), ainsi que chez des garçons de poids corporel normal âgés de 2,6 à moins de 6 mois (1,138 m³/kg-jour) et de 10 à moins de 16,5 ans (22,29 m³/m²-jour). Chez les enfants et les adolescents de poids corporel normal âgés de 5 à moins de 16.5 ans, les valeurs pour l’écart entre le 2,5e au 99e centile sont généralement plus élevées que celles obtenues chez les sujets plus âgés : taux de ventilation minute, 0,132 à 0,774 L/kg-min ou 4,42 à 21,69 L/m²-min versus 0,076 à 0,461 L/kg-min ou 2,80 à 16,99 L/m²-min; taux de ventilation alvéolaire, 0,093 à 0,553 L/kg-min ou 3,09 à 15,53 L/m²-min versus 0,047 à 0,312 L/kg-min ou 1,73 à 11,63 L/m²-min; débit cardiaque, 0,065 à 0,330 L/kg-min ou 2,17 à 9,46 L/m²-min versus 0,045 à 0,201 L/kg-min ou 1,63 à 7,24 L/m²-min; ratio de ventilation-perfusion, 1,12 à 2,16 versus 0,78 à 2,40. Il faut conclure que les apports inhalés en polluants, exprimés en ug/kg-min ou ug/m²-min sont plus élevés chez les enfants que chez les sujets plus âgés pour des concentrations d’exposition comparables. D’autres données montrent qu’il en est de même pour les apports inhalés par unité de poids corporel chez les femmes enceintes et les femmes qui allaitent par rapport à des sujets males d’âge comparable. L’ensemble des résultats obtenus suggère notamment que les valeurs des NOAELH de Santé Canada pourraient être abaissées par un facteur de 2,6 par utilisation du 99e centile le plus élevé des taux quotidiens d’inhalation chez les enfants; le taux de ventilation minute de 20,83 L/min approximé pour une journée de travail de 8 heures peut être considéré comme étant conservateur ; par contre, l’utilisation du taux quotidien d’inhalation de 0,286 m³/kg-jour (c.-à-d. 20 m³/jour pour un adulte de poids corporel de 70 kg) est inappropriée en analyse et gestion du risque lorsqu’appliquée à l’ensemble de la population. / The aim of the present study is to determine some respiratory and cardiovascular parameters in subjects of all ages for use, as physiological inputs, in toxicokinetic simulations and toxic risk assessment. The database used is taken from the literature. Data of interest include basal energy expenditures and total daily energy expenditures obtained by indirect calorimetry and doubly labeled water measurements respectively. Depending upon the unit value chosen, the highest 99th percentiles for daily inhalation rates were found in overweight/obese females 11 to 55 years old during their 36th weeks of pregnancy (47.31 m³/day), as well as in normal-weight boys aged 2.6 to less than 6 months(1.138 m³/kg-day) and 10 to less than 16.5 years (22.29 m³/m²-day). Generally higher values for the 2.5th up to 99th percentile were found in normal-weight children and teenagers aged 5 to less than 16.5 years compared to those for older individuals: minute ventilation rate, 0.132 to 0.774 L/kg-min or 4.42 to 21.69 L/m²-min versus 0.076 to 0.461 L/kg-min or 2.80 to 16.99 L/m²-min; alveolar ventilation rate, 0.093 to 0.553 L/kg-min or 3.09 to 15.53 L/m²-min versus 0.047 to 0.312 L/kg-min or 1.73 to 11.63 L/m²-min; cardiac output, 0.065 to 0.330 L/kg-min or 2.17 to 9.46 L/m²-min versus 0.045 to 0.201 L/kg-min or 1.63 to 7.24 L/m²-min; ventilation-perfusion ratio, 1.12 to 2.16 versus 0.78 to 2.40. Higher intakes of air pollutants by the respiratory tract expressed in ug/kg-min or ug/m²-min are expected in children compared to older individuals for identical exposure concentrations.The same conclusion is reached in pregnant and lactating females compared to male subjects of same ages, for intakes expressed per unit of bodyweight. The aggregate results obtained notably suggests that NOAELH values from Health Canada could be decreased by a factor of 2.6 by the use of the highest 99th percentiles for daily inhalation rates found in children; the minute ventilation rate of 20.83 L/min approximated based on an 8-hour workday may be considered as being conservative; however, the use of the daily inhalation rate of 0.286 m³/kg-day (i.e. 20 m³/day for a 70-kg adult) is inappropriate in risk assessment and management when applied to the whole population.

Un facteur d’incertitude de 10 est utilisé par défaut lors de l’élaboration des valeurs toxicologiques de référence en santé environnementale, afin de tenir compte de la variabilité interindividuelle dans la population. La composante toxicocinétique de cette variabilité correspond à racine de 10, soit 3,16. Sa validité a auparavant été étudiée sur la base de données pharmaceutiques colligées auprès de diverses populations (adultes, enfants, aînés). Ainsi, il est possible de comparer la valeur de 3,16 au Facteur d’ajustement pour la cinétique humaine (FACH), qui constitue le rapport entre un centile élevé (ex. : 95e) de la distribution de la dose interne dans des sous-groupes présumés sensibles et sa médiane chez l’adulte, ou encore à l’intérieur d’une population générale. Toutefois, les données expérimentales humaines sur les polluants environnementaux sont rares. De plus, ces substances ont généralement des propriétés sensiblement différentes de celles des médicaments. Il est donc difficile de valider, pour les polluants, les estimations faites à partir des données sur les médicaments. Pour résoudre ce problème, la modélisation toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été utilisée pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes lors de l’exposition aux polluants. Cependant, les études réalisées à ce jour n’ont que peu permis d’évaluer l’impact des conditions d’exposition (c.-à-d. voie, durée, intensité), des propriétés physico/biochimiques des polluants, et des caractéristiques de la population exposée sur la valeur du FACH et donc la validité de la valeur par défaut de 3,16. Les travaux de la présente thèse visent à combler ces lacunes. À l’aide de simulations de Monte-Carlo, un modèle TCBP a d’abord été utilisé pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes (c.-à-d. chez les adultes, ainés, enfants, femmes enceintes) de contaminants de l’eau lors d’une exposition par voie orale, respiratoire, ou cutanée. Dans un deuxième temps, un tel modèle a été utilisé pour simuler cette variabilité lors de l’inhalation de contaminants à intensité et durée variables. Ensuite, un algorithme toxicocinétique à l’équilibre probabiliste a été utilisé pour estimer la variabilité interindividuelle des doses internes lors d’expositions chroniques à des contaminants hypothétiques aux propriétés physico/biochimiques variables. Ainsi, les propriétés de volatilité, de fraction métabolisée, de voie métabolique empruntée ainsi que de biodisponibilité orale ont fait l’objet d’analyses spécifiques. Finalement, l’impact du référent considéré et des caractéristiques démographiques sur la valeur du FACH lors de l’inhalation chronique a été évalué, en ayant recours également à un algorithme toxicocinétique à l’équilibre. Les distributions de doses internes générées dans les divers scénarios élaborés ont permis de calculer dans chaque cas le FACH selon l’approche décrite plus haut. Cette étude a mis en lumière les divers déterminants de la sensibilité toxicocinétique selon le sous-groupe et la mesure de dose interne considérée. Elle a permis de caractériser les déterminants du FACH et donc les cas où ce dernier dépasse la valeur par défaut de 3,16 (jusqu’à 28,3), observés presqu’uniquement chez les nouveau-nés et en fonction de la substance mère. Cette thèse contribue à améliorer les connaissances dans le domaine de l’analyse du risque toxicologique en caractérisant le FACH selon diverses considérations. / A default uncertainty factor of 10 is used in toxicological risk assessment to account for human variability, and the toxicokinetic component of this factor corresponds to a value of square root of 10, or 3,16. The adequacy of this value has been studied in the literature on the basis of pharmaceutical data obtained in various subpopulations (e.g. adults, children, elderly). Indeed, it is possible to compare the default value of 3,16 to the Human Kinetic Adjustment Factor (HKAF), computed as the ratio of an upper percentile value (e.g. 95th) of the distribution of internal dose metrics in presumed sensitive subpopulation to its median in adults, or alternatively an entire population. However, human experimental data on environmental contaminants are sparse. Besides, these chemicals generally exhibit characteristics that are quite different as compared to drugs. As a result, it is difficult to extrapolate, for pollutants, estimates of HKAF that were made using data on drugs. To solve this problem, physiologically-based toxicokinetic (PBTK) modeling has been used to simulate interindividual variability in internal dose metrics following exposure to xenobiotics. However, studies realized to date have not systematically evaluated the impact of the exposure conditions (route, duration and intensity), the physico/biochemical properties of the chemicals, and the characteristics of the exposed population, on the HKAF, and thus the adequacy of the default value. This thesis aims at compensating this lack of knowledge. First, a probabilistic PBTK model was used to simulate, by means of Monte Carlo simulations, the interindividual variability in internal dose metrics (i.e. in adults, children, elerly, pregnant women) following the oral, inhalation or dermal exposure to drinking water contaminants, taken separately. Second, a similar model was used to simulate this variability following inhalation exposures of various durations and intensities to air contaminants. Then, a probabilistic steady-state algorithm was used to estimate interindividual variability in internal dose metrics for chronic exposures to hypothetical contaminants exhibiting different physico/biochemical properties. These include volatility, the fraction metabolized, the metabolic pathway by which they are biotransformed and oral bioavailability. Finally, the impact of a population’s demographic characteristics and the referent considered on the HKAF for chronic inhalation exposure was studied, also using a probabilistic steady-state algorithm. The distributions of internal dose metrics that were generated for every scenario simulated were used to compute the HKAF as described above. This study has pointed out the determinants of the toxicokinetic sensitivity considering a given subpopulation and dose metric. It allowed identifying determinants of the numeric value of the HKAF, thus cases for which it exceeded the default value of 3,16. This happened almost exclusively in neonates and on the basis of the parent compound. Overall, this study has contributed to the field of toxicological risk assessment by characterizing the HKAF as a function of various considerations.

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un cancérogène reconnu pour l'homme, contaminant présent dans notre environnement. Il cause des dommages à l'ADN que nous avons mesurés dans les lymphocytes exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de 20 jeunes volontaires non fumeurs et en santé. Suite à l’exposition, la fréquence des micronoyaux (MN) augmente significativement et décrit une courbe dose-réponse non linéaire, suggérant le déclenchement du processus de détoxification et la réparation de l’ADN. Des différences entre les individus et entre les sexes sont présentes dans la réponse génotoxique produite par le BaP. Le test des aberrations chromosomiques montre que le pourcentage de chromosomes cassés augmente significativement dans les cellules exposées au BaP. Combinés avec l'augmentation de la fréquence des MN, nos résultats confirment l'effet clastogène du BaP déjà rapporté dans la littérature. L’hybridation in situ en fluorescence (FISH) des MN avec une sonde pancentromérique est aussi utilisée pour établir leur mécanisme de formation. La FISH révèle que la majorité des MN formés après une exposition au BaP contient un centromère et plus, ce qui est significativement différent de la condition non exposée. Plus précisément, dans nos conditions expérimentales, les MN induits par le BaP contiennent surtout trois centromères et plus, indiquant également la présence d'un effet aneugène. L'effet clastogène du BaP est relié à son rôle d'initiateur dans la cancérogenèse, alors que l'effet aneugène le relierait à l'étape de progression. Ces résultats sont importants puisque l'exposition aux composés de la classe du BaP est de longue durée (cigarette, air pollué). / Benzo-a-pyrene (BaP) is a known human carcinogen, contaminating all spheres of our environment. In human cells, BaP can induce various genotoxic effects on DNA, such as micronuclei (MNs) and chromosomal aberrations (CAs). MNs and CAs are measured in human lymphocytes in vitro exposed to low BaP concentrations, taken from 20 young healthy non-smoking subjects. Following BaP exposure, MN frequency increases significantly and shows a non-linear dose-response curve, suggesting the induction of detoxification process and/or DNA repair. Also, interindividual and sex differences in BaP-induced genotoxic damages are present. CA test shows that chromosome breaks increase significantly in cells exposed to BaP even at low concentrations. Combined to the observed MN frequency increase, our results confirm the clastogenic properties of BaP, as already reported in literature. In addition, fluorescence in situ hybridization (FISH) on MN using a pancentromeric probe is done to assess MN content. FISH reveals that most BaP-induced MNs contain centromeres, and specifically three or more centromeres. This difference is significant when compared to the unexposed condition, and suggest presence of an aneugenic effect. Clastogenic effect of BaP is associated with initiation step of carcinogenesis, while the aneugenic effect would link it with cancer progression. These results could be particularly important because exposure to BaP and other member of its chemical class usually last for decades (smoking, air pollution, etc.), and need to be confirm in future studies.

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) cancérogène pour l’homme, qui contamine toutes les sphères de notre environnement. Son métabolite, le BaP-7,8-diol-9,10-époxyde (BPDE) est considéré comme son cancérogène ultime. Le BPDE se lie à l’ADN, formant des adduits qui doivent être réparés et qui seraient responsables des dommages à l’ADN et de la cancérogenèse induite par le BaP. Les adduits BPDE-ADN et les dommages à l’ADN (bris simple-brin [BSB] à l’ADN, aberrations chromosomiques [AC], échanges entre chromatides-sœurs [ÉCS] et micronoyaux [MN]) ont été mesurés dans les lymphocytes humains exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de jeunes volontaires non-fumeurs et en santé. Suite à l’exposition au BaP, le niveau d’adduits BPDE-ADN et la fréquence des AC et des MN augmentent significativement, puis diminuent aux concentrations les plus élevées de BaP testées, suggérant une induction du métabolisme de phase II du BaP. Lors de la mesure des ÉCS, nous obtenons une courbe dose-réponse linéaire, indiquant la production d’un autre type de lésions devant être réparées par le système de réparation par recombinaison homologue. Ces lésions pourraient être des bris à l’ADN ou des bases oxydées (8-OH-dG), ce qui est suggéré par l’analyse des corrélations existant entre nos biomarqueurs. Par ailleurs, la comparaison de la courbe dose-réponse des hommes et des femmes montre que des différences existent entre les sexes. Ainsi, les ÉCS, les AC et les MN sont significativement augmentés chez les hommes à la plus faible concentration de BaP, alors que chez les femmes cette augmentation, quoique présente, est non significative. Des différences interindividuelles sont également observées et sont plus importantes pour les adduits BPDE-ADN, les MN et les AC, alors que pour les ÉCS elles sont minimes. Les analyses statistiques effectuées ont permis d’établir que quatre facteurs (niveau d’exposition au BaP, adduits BPDE-ADN, fréquence des AC et nombre de MN par cellule micronucléée) expliquent jusqu’à 59 % de la variabilité observée dans le test des ÉCS, alors qu’aucun facteur significatif n’a pu être identifié dans le test des AC et des MN. L’analyse du mécanisme de formation de nos biomarqueurs précoces permet de suggérer que les bris à l’ADN et les bases oxydées devraient être classées comme biomarqueurs de dose biologique efficace, au sein des biomarqueurs d’exposition, dans le continuum exposition-maladie du BaP, étant donné qu’ils causent la formation des biomarqueurs de génotoxicité (ÉCS, AC et MN). Par ailleurs, le test des AC et des MN ont permis de confirmer l’action clastogénique du BaP en plus de mettre en évidence des effets aneugènes affectant surtout la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire. Ces effets aneugènes, reliés à l’étape de progression dans la cancérogenèse, pourraient être particulièrement importants puisque l’exposition au BaP et aux HAP est chronique et dure plusieurs années, voire des décennies. La compréhension des mécanismes régissant la formation des biomarqueurs étudiés dans cette étude, ainsi que des relations existant entre eux, peut être appliquée à de nombreux contaminants connus et émergents de notre environnement et contribuer à en évaluer le mode d’action. / Benzo-a-pyrene (BaP) is a polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) classified as carcinogenic to human, and is present throughout our environment. Metabolic activation of BaP leads to production of BaP-7,8-diol-9,10-epoxide (BPDE), considered as its ultimate carcinogenic metabolite. BPDE can bind to DNA, forming BPDE-DNA adducts at the origin of BaP-induced DNA damage and carcinogenesis. BPDE-DNA adducts and DNA damages (DNA single-strand breaks [SSBs], chromosomal aberrations [CAs], sister chromatid exchanges [SCEs] and micronuclei [MNs]) are measured in human lymphocytes exposed to low BaP concentrations, taken from non-smoking healthy young subjects. Following BaP exposure, BPDE-DNA adduct levels, as well as CA and MN frequencies raise significantly, and then decrease to the higher BaP concentrations tested, suggesting metabolic enzyme saturation or induction of BaP phase II metabolism. As for SCEs test, a linear dose response curve is obtained, suggesting that production of additional DNA lesions requiring homologous recombination repair may occur. These lesions could be DNA breaks or oxidized DNA bases (8-OH-dG), as indicated by correlation analysis performed between our biomarkers. Additionally, when comparing the dose-response curves for men and women separately, some differences show up. Indeed, SCEs, CAs, and MNs are significantly increased in men at the lowest BaP concentration tested, while in women, this increase is present but not significant. Interindividual differences are also present and are more considerable for BPDE-DNA adducts, MNs and CAs, whereas they are very low for SCEs. Statistical analysis showed that four factors (BaP exposure level, BPDE-DNA adducts, CA frequency and number of MN per micronucleated cell) significantly explained up to 59 % of observed variability in SCE test, while no such factors could explain the observed variability in CA and MN test. Following analysis of mechanisms underlying the formation of early biomarkers, we suggest a modification of the Exposure-Disease Continuum of BaP. We propose that DNA breaks and oxidized DNA bases should be classified as biomarkers of biologically effective dose (part of the exposure biomarkers), as their presence are at origin of early biomarkers of genotoxicity (SCEs, CAs and MNs). On the other hand, CA and MN tests confirmed clastogenic properties of BaP, and highlighted aneugenic effects influencing mostly chromosome segregation during cell division. These aneugenic effects, linked to the progression step of carcinogenesis, could be of particular importance given that exposure to BaP and other PAHs (smoking, occupational exposure) are chronic and may last for decades. Understanding the mechanisms playing a role in early biomarkers formation, as well as the relations existing between them, can be largely applied in our environment to many known and emerging contaminants, thus contributing to characterize their mode of action.

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain. / Physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) models simulate the internal dose metrics of chemicals based on species-specific and chemical-specific parameters. The existing quantitative structure-property relationships (QSPRs) allow to estimate the chemical-specific parameters (partition coefficients (PCs) and metabolic constants) but their applicability is limited by their lack of consideration of variability in input parameters and their restricted application domain (i.e., substances containing CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, benzene ring and H in benzene ring). The objective of this study was to develop new knowledge and tools to increase the applicability domain of QSPR-PBPK models for predicting the inhalation toxicokinetics of organic compounds in humans. First, a unified mechanistic algorithm was developed from existing models to predict macro (tissue and blood) and micro (cell and biological fluid) level PCs of 142 drugs and environmental pollutants on the basis of tissue and blood composition along with physicochemical properties. The resulting algorithm was applied to compute the tissue:blood, tissue:plasma and tissue:air PCs in rat muscle (n = 174), liver (n = 139) and adipose tissue (n = 141) for acidic, neutral, zwitterionic and basic drugs as well as ketones, acetate esters, alcohols, ethers, aliphatic and aromatic hydrocarbons. Then, a quantitative property-property relationship (QPPR) model was developed for the in vivo rat intrinsic clearance (CLint) (calculated as the ratio of the in vivo Vmax (μmol/h/kg bw rat) to the Km (μM)) of CYP2E1 substrates (n = 26) as a function of n-octanol:water PC, blood:water PC, and ionization potential). The predictions of the QPPR as lower and upper bounds of the 95% mean confidence intervals were then integrated within a human PBPK model. Subsequently, the PC algorithm and QPPR for CLint were integrated along with a QSPR model for the hemoglobin:water and oil:air PCs to simulate the inhalation pharmacokinetics and cellular dosimetry of volatile organic compounds (VOCs) (benzene, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, m-xylene, toluene, styrene, 1,1,1-trichloroethane and 1,2,4 trimethylbenzene) using a PBPK model for rats. Finally, the variability in the tissue and blood composition parameters of the PC algorithm for rat tissue:air and human blood:air PCs was characterized by performing Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations. The resulting distributions were used for conducting Monte Carlo simulations to predict tissue:blood and blood:air PCs for VOCs. The distributions of PCs, along with distributions of physiological parameters and CYP2E1 content, were then incorporated within a PBPK model, to characterize the human variability of the blood toxicokinetics of four VOCs (benzene, chloroform, styrene and trichloroethylene) using Monte Carlo simulations. Overall, the quantitative approaches for PCs and CLint implemented in this study allow the use of generic molecular descriptors rather than specific molecular fragments to predict the pharmacokinetics of organic substances in humans. In this process, the current study has, for the first time, characterized the variability of the biological input parameters of the PC algorithms to expand the ability of PBPK models to predict the population distributions of the internal dose metrics of organic substances prior to testing in animals or humans.

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