Les pyréthrinoïdes sont des insecticides largement utilisés. La population générale y est exposée par l’alimentation tandis que les travailleurs agricoles y sont exposés lors de tâches diverses en champs. Leurs effets neurotoxiques, immunitaires et endocriniens potentiels en font des composés à surveiller pour assurer la santé de la population. La mesure de biomarqueurs d’exposition, qui consiste à quantifier la concentration dans l’organisme d’une substance ou de ses métabolites, permet d’estimer les doses absorbées. Les biomarqueurs peuvent également être des molécules répondant à un stress physiologique, identifiées comme des biomarqueurs d’effets. Pour raffiner les stratégies de biosurveillance de l’exposition, on se doit de bien connaître la toxicocinétique d’un xénobiotique; actuellement, les études de biosurveillance considèrent rarement la variabilité temporelle, intra-invidivuelle et inter-individuelle, qui pourrait influencer l’estimation de l’exposition. L’objectif de la thèse est donc d’appliquer une approche cinétique pour l’évaluation de l’exposition aux pyréthrinoïdes en conditions contrôlées et en milieu de travail. Dans un volet exploratoire, l’effet de cette exposition sur des changements métaboliques précoces a également évalué. Trois métabolites finaux (cis-DCCA, trans-DCCA et 3-PBA) de deux pyréthrinoïdes les plus utilisés, soient la perméthrine et la cyperméthrine, ont été mesurés dans le plasma et l’urine de six volontaires oralement exposés à une dose équivalente à la dose de référence. Une demi-vie moyenne (t½) d’élimination apparente du trans-DCCA, cis-DCCA et 3-PBA dans le plasma de 5,1, 6,9 et 9,2 h, respectivement, a été obtenue après exposition orale à la cyperméthrine, comparativement à 7,1, 6,2 et 6,5 h après exposition à la perméthrine. Dans l’urine, la demi-vie d'élimination apparente (t½) était de 6,3, 6,4 et 6,4 h pour le trans-DCCA, cis-DCCA et 3-PBA, respectivement, après administration de la cyperméthrine comparé à 5,4, 4,5 et 5,7 h après administration de la perméthrine. Les profils temporels étaient semblables suite à l’exposition à la cyperméthrine et perméthrine. Ensuite, une étude en milieu agricole a été réalisée avec la participation de travailleurs pour évaluer leur exposition et raffiner les stratégies de biosurveillance. La variabilité intra-individuelle dans les niveaux de biomarqueurs d’exposition chez plusieurs travailleurs était plus importante que la variabilité inter-individuelle. Les échantillons urinaires ont également été utilisés pour identifier des modifications du métabolome pouvant fournir de nouveaux biomarqueurs d’effets précoces. Chez les travailleurs, une augmentation de l'hippurate urinaire (p <0,0001) a été observée après exposition aux pyréthrinoïdes, un biomarqueur de la conjugaison de l’acide benzoïque. En conclusion, cette étude a permis de mieux documenter la cinétique de biomarqueurs d’exposition aux pyréthrinoïdes dans des conditions contrôlées et réelles afin de raffiner les stratégies de biosurveillance. Elle a aussi contribué à renseigner sur les niveaux d’exposition agricole québécois et sur les paramètres professionnels associés à une plus forte exposition. Ce projet s’insère dans une démarche d’analyse de risque en santé au travail. / Pyrethroids are widely used insecticides. The general population is exposed to these compounds through the diet while agricultural workers are exposed during various tasks in the fields. Pyrethroids are compounds of interest given their neurotoxic, immune and endocrine disruptor effects; they should thus be monitored to ensure the health of the population. Measurement of biomarkers of exposure, which consists of quantifying concentrations of a substance or its metabolites in accessible biological matrices, allows estimating absorbed doses. Biomarkers can also be endogenous molecules that respond to a physiological stress and identified as biomarkers of effects. To refine biomonitoring of exposure strategies , one must be familiar with the toxicokinetics of xenobiotics; to date, biomonitoring studies rarely consider temporal variability, hence intra- and inter-individual variability, which may influence estimation of exposure The aim of the thesis was to apply a kinetic approach for the assessment of exposure to pyrethroids in controlled conditions and in the workplace. In an ancillary study, the effect of pyrethroid exposure on early metabolic changes was also evaluated. Three final metabolites (cis-DCCA, trans-DCCA and 3-PBA) of two of the most used pyrethroids, permethrin and cypermethrin, were measured in plasma and urine of six volunteers orally exposed to a dose similar to the reference dose, as analyzed by mass spectrometry. After oral exposure to cypermethrin, the mean apparent elimination half-life (t½) of trans-DCCA, cis-DCCA and 3-PBA in plasma was 5.1, 6.9 and 9.2 h, respectively, as compared to 7.1, 6.2 and 6.5 hours after permethrin exposure. In urine, the mean apparent elimination half-life (t½) of trans-DCCA, cis-DCCA and 3-PBA was 6.3, 6.4 and 6.4 h, respectively, after the administration of cypermethrin compared to 5.4, 4.5 and 5.7 h after permethrin exposure. The time profiles were similar following exposure to cypermethrin and permethrin. The data help to interpret the significance of biological measurements and optimal sampling strategies. Later, a biomonitoring study in agricultural workers was conducted for the assessment of their exposure and refinement of biomonitoring strategies. Within-subject variability in biomonitoring data of several workers was more important than inter-subject variability. Urine samples were also used to identify changes in the metabolome and hence potentially identify new biomarkers of early effects. In particular, an increased urinary excretion of hippurate (p <0.0001) was observed in workers exposed following an exposure episode to pyrethroid, a biomarker of the conjugation of benzoic acid. In conclusion, this study allowed to better document the toxicokinetics of key biomarkers of exposure to pyrethroids, in order to refine biomonitoring of exposure strategies. It has also provided more information on agricultural exposure in Quebec workers and professional parameters associated with high exposure. This project is part of a risk assessment in occupational health.

La contribution de l’inhalation et de la voie percutanée à l’exposition totale à des composés organiques volatils (COV) présents dans l’eau potable est une problématique qui suscite un intérêt grandissant en santé publique et au niveau réglementaire. Jusqu’à tout récemment, seule l’ingestion était considérée dans l’évaluation du risque des contaminants de l’eau. L’objectif de ce projet était de caractériser l’impact de l’exposition multivoie sur la pharmacocinétique et la dose interne de trois COV : le toluène (TOL), le n-hexane (HEX) et le cyclohexane (CYCLO). À cette fin, un modèle expérimental animal a été utilisé et un modèle toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été adapté pour le TOL. Des rats Sprague-Dawley ont été exposés par voies uniques (inhalation, orale et percutanée) ou simultanées (multivoie) aux solvants. Pour le TOL, les trois voies ont été expérimentées, alors que la voie percutanée n’a pas été retenue pour le HEX et le CYCLO. Des prélèvements sanguins ont permis de caractériser les cinétiques sanguines. Les niveaux sanguins, obtenus lors des expositions multivoies, étaient généralement plus élevés que la somme des niveaux associés aux expositions par voies uniques, fait illustré par le rapport des surfaces sous la courbe expérimentale versus les prédictions (TOL : 1,30 et 2,19 ; HEX : 1,55 ; CYCLO : 0,98 et 0,99). Le modèle TCBP prédit bien la cinétique du TOL lors d’expositions par voies uniques et par multivoies. Les données expérimentales obtenues suggèrent que la dose interne résultant d’une exposition multivoie ne peut pas toujours être prédite par la somme des doses internes obtenues lors d’expositions par voies uniques. Ce phénomène serait explicable par la saturation du métabolisme. La modélisation TCBP est un outil efficace pour l’estimation du risque relatif à l’exposition multivoie aux COV présents dans l’eau potable. / The contribution of dermal and inhalation routes of exposure to volatile organic chemicals (VOCs) in drinking water is increasingly drawing attention. Until recently, ingestion was the only route considered in risk assessment of drinking water contaminants. The general objective of this study was to characterize multi-route exposures on the pharmacokinetics and internal dose of three VOCs: toluene (TOL), n-hexane (HEX) and cyclohexane (CYCLO). Towards this goal, an experimental animal model was developed and a physiologically-based toxicokinetic (PBTK) model was adapted in order to take account route-specific absorption parameters of TOL. Sprague-Dawley rats were given a single dose of VOCs by oral ingestion, inhalation or dermal route. Additional groups of rat were exposed by the three routes simultaneously. In the case of HEX and CYCLO, dermal route was not considered. Blood samples were collected in order to compare kinetics following simple and multiroute exposures. Blood levels obtained following multiroute exposures were generally higher than predictions (i.e., the sum of the blood levels obtained for single route exposures) (as revealed by area under curve ratio: TOL :1,30 et 2,19; HEX : 1,55; CYCLO : 0,98 et 0,99). The PBTK model described adequately the kinetics of TOL in rats following single and multiroute exposures. The results suggest that internal dose arising from multiple routes is not necessarely comparable to the sum of the blood levels obtained for single route exposures. This phenomenon would be attributable to degree of saturation during aggregate exposures. Furthermore, the present study demonstrated that PBTK model can be used to predict/interpret blood levels associated with multiroute exposures to VOCs in drinking water, using toluene as a model substance.

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. / p-tert-Octylphenol is a degradation product of alkylphenol ethoxylates that can be found in the environment. It has been reported to act as a weak estrogenic compound by binding to the estrogen receptor. This study was undertaken to 1) develop a sensitive method for the determination of octylphenol in blood and various tissues using gas chromatography coupled with detection by mass spectrometry, 2) characterize the blood and tissues toxicokinetics of octylphenol in male and female Sprague-Dawley rats and 3) develop a physiologically-based toxicokinetic model for octylphenol that can describe/predict unchanged blood and tissues octylphenol concentrations in rats. Male and female Sprague-Dawley rats were given a single dose of octylphenol either by oral gavage, intravenous injection or subcutaneous injection. In a repeated dosing experiment, rats were given octylphenol (oral) daily for 35 days (female) or 60 days (male). Blood and tissue samples were collected at various time following the onset of exposure and analyzed for octylphenol content using a method developed in our laboratory. These results showed that blood and tissues octylphenol concentrations were generally higher in female than male rats. Experiments done with rat liver microsomes confirmed that these differences were related to octylphenol metabolism. The results of the repeated exposure study indicate that there is no bioaccumulation of octylphenol at these exposure levels. A physiologically-based pharmacokinetic model for octylphenol was developed and validated using the data obtained in female and male rats. The model simulates adequately blood and tissues octylphenol concentrations following oral, intravenous or subcutaneous exposure. In conclusion, this study provided essential data on the toxicokinetics of octylphenol. These data are essential to predict the relationship between the internal and the external dose of octylphenol and will facilitate the risk assessment of octylphenol in humans.

De nombreux travailleurs utilisent le captan et le folpet comme fongicides en agriculture, mais leur exposition n’est pas toujours mesurée de manière spécifique et précise. La surveillance biologique est un excellent outil à cet effet puisqu’elle permet de quantifier l’exposition réelle. Toutefois, la majorité des connaissances toxicologiques pour ces fongicides proviennent d’études sur les animaux, et les données chez l’humain sont limitées. Le but du présent projet est donc de développer des outils de surveillance biologique pour évaluer l’exposition de travailleurs au captan et au folpet. Dans cette perspective, le projet a été subdivisé en trois parties complémentaires, soit i) de développer des méthodes analytiques spécifiques pour quantifier les biomarqueurs d’intérêt du captan, à savoir le tétrahydrophtalimide (THPI), et du folpet, à savoir le phtalimide (PI) et l’acide phtalique, dans le plasma et l’urine; ii) de déterminer la toxicocinétique des deux fongicides en exposant des volontaires de façon aigüe à de faibles doses de captan ou de folpet par voie orale et cutanée dans des conditions semi-contrôlées et en quantifiant les biomarqueurs dans chacune des deux matrices, excepté l’acide phtalique qui a été mesuré seulement dans l’urine; iii) de valider les biomarqueurs d’exposition sélectionnés et d’évaluer l’exposition réelle des travailleurs et les voies prédominantes d’exposition au captan et au folpet en collectant des données biologiques chez des travailleurs en arboriculture et en viticulture lors d’activités de traitement et d’effeuillage pendant sept jours consécutifs. Selon ces travaux, le THPI et le PI sont deux biomarqueurs valides et spécifiques pour quantifier l’exposition au captan et au folpet, respectivement, chez l’humain. En effet, les méthodes développées pour ces deux métabolites sont robustes avec des limites de détection plus sensibles que celles rapportées dans la littérature, un taux de recouvrement de 90% pour le THPI et de 75% pour le PI, une très bonne linéarité (R2>0,99) et une bonne stabilité avec des variations intra- et inter-journalières faibles (RSD<15%). Elles ont permis de déterminer les profils cinétiques des deux métabolites chez les volontaires et chez les travailleurs. Ces derniers indiquent d’ailleurs une élimination rapide, avec une demi-vie d’élimination dans l’urine de 11,7 h et 18,7 h pour le THPI et de 27,3 h et 28,8 h pour le PI, respectivement après une absorption par voie orale et cutanée, ainsi qu’une faible absorption cutanée lorsque les valeurs sont comparées pour les deux voies d’exposition. Des profils parallèles sont aussi observés entre le PI et l’acide phtalique pour les volontaires et les agriculteurs, mais le folpet se retrouve davantage métabolisé sous forme d’acide phtalique que de PI. Quant à l’étude des agriculteurs, elle montre que la voie principale d’exposition de ces travailleurs est la voie cutanée. Il est aussi souligné qu’il est important 1) de favoriser les collectes d’urines complètes sur 24 h au urines ponctuelles, 2) de mesurer plusieurs métabolites, et 3) d’associer les données de surveillance biologique à la toxicocinétique. Ainsi, les connaissances acquises par cette étude peuvent s’appliquer à d’autres fongicides, voire d’autres substances. / Several workers use captan and folpet as fungicides in agriculture, but their exposure has yet to be measured specifically and precisely. Biomonitoring is an excellent tool for this purpose since it allows to quantify internal exposure. However, the majority of toxicological data on these fungicides come from animal studies and data in humans are limited. The aim of this project was thus to develop biological monitoring tools in order to assess exposure to captan and folpet in humans. In this perspective, the project was divided into three complementary parts: i) to develop specific and accurate analytical methods in order to quantify captan and folpet metabolites in urine and blood, namely tetrahydrophthalimide (THPI) for captan and phthalimide (PI) and phthalic acid for folpet; ii) to determine the toxicokinetics of the two fungicides in humans by exposing volunteers acutely to low-doses of captan or folpet by oral and dermal routes under semi-controlled conditions and by quantifying the biomarkers in plasma and urine, except phthalic acid which was only measured in urine; iii) to validate the use of the selected biomarkers of exposure to captan and folpet and estimate actual exposures of workers and main exposure routes to these fungicide in the context of a field biomonitoring study in farmers during treatment and harvest activities over seven consecutive days. This study showed that THPI and PI are both valid and specific biomarkers of exposure to captan and folpet, respectively, in humans. Indeed, the developed methods for these two metabolites are accurate showing more sensitive detection limits than those reported in the literature, good recovery rate (90% for THPI and 75% for PI), linearity (R2>0.99) and stability (RSD<15% for intra-and inter-day precision and accuracy). They allowed determining the kinetic profiles of the two metabolites in healthy volunteers and in workers. These profiles indicate a rapid elimination of both metabolites, since the urinary elimination half-life of THPI was 11.7 h and 18.7 h following an oral and dermal absorption, respectively, and 27.3 h and 28.8 h for PI. They also evidence a low dermal absorption for both fungicides when oral and dermal route are compared. In addition, parallel profiles were observed between PI and phthalic acid, but the administrated dose of folpet was mostly recovered as phthalic acid rather than PI. As for the study of farmers, it showed that the dermal route was the main route of exposure. It also pointed out that it is important 1) to perform 24-h complete urine collections rather than collect spot urines, 2) to measure several metabolites to better assess actual exposure, and 3) to rely on the toxicokinetics to help interpret biomonitoring data. Overall, knowledge acquired from this study may be applied to other fungicides or even to other substances.

En raison de leur petite taille, les nanoparticules (NP) (< 100 nm) peuvent coaguler très rapidement ce qui favorise leur pénétration dans l’organisme sous forme d’agglomérats. L’objectif de cette recherche est d’étudier l’influence de l’état d’agglomération de NP de dioxyde de titane (TiO2) de trois tailles de départ différentes, 5, 10-30 ou 50 nm sur la toxicité pulmonaire chez le rat mâle (F344) exposé à des aérosols de 2, 7 ou 20 mg/m3 pendant 6 heures. Dans une chambre d’inhalation, six groupes de rats (n = 6 par groupe) ont été exposés par inhalation aiguë nez-seulement à des aérosols ayant une taille primaire de 5 nm, mais produits sous forme faiblement (< 100 nm) ou fortement (> 100 nm) agglomérée à 2, 7 et 20 mg/m3. De façon similaire, quatre autres groupes de rats ont été exposés à 20 mg/m3 à des aérosols ayant une taille primaire de 10-30 et 50 nm. Les différents aérosols ont été générés par nébulisation à partir de suspensions ou par dispersion à sec. Pour chaque concentration massique, un groupe de rats témoins (n = 6 par groupe) a été exposé à de l’air comprimé dans les mêmes conditions. Les animaux ont été sacrifiés 16 heures après la fin de l’exposition et les lavages broncho-alvéolaires ont permis de doser des marqueurs d’effets inflammatoires, cytotoxiques et de stress oxydant. Des coupes histologiques de poumons ont également été analysées. L’influence de l’état d’agglomération des NP de TiO2 n’a pu être discriminée à 2 mg/m3. Aux concentrations massiques de 7 et 20 mg/m3, nos résultats montrent qu’une réponse inflammatoire aiguë est induite suite à l'exposition aux aérosols fortement agglomérés. En plus de cette réponse, l’exposition aux aérosols faiblement agglomérés à 20 mg/m3 s’est traduite par une augmentation significative de la 8-isoprostane et de la lactate déshydrogénase. À 20 mg/m3, les effets cytotoxiques étaient plus importants suite à l’exposition aux NP de 5 nm faiblement agglomérées. Ces travaux ont montré dans l'ensemble que différents mécanismes de toxicité pulmonaire peuvent être empruntés par les NP de TiO2 en fonction de la taille de départ et de l’état d’agglomération. / Given their small size, nanoparticles (NP) (< 100 nm) can coagulate quickly, which promotes their entry into the body in the form of agglomerates. The objective of this study is to evaluate the influence of the agglomeration state of three different primary particle sizes (5, 10-30 and 50 nm) of titanium dioxide (TiO2) NP on the pulmonary toxicity of male rats (F344) exposed to aerosols at 2, 7 or 20 mg/m3 for 6 hours. In an inhalation chamber, six groups of rats (n = 6 per group) were acutely exposed by nose-only inhalation to aerosols with a 5-nm primary particle size, produced in the form of small agglomerates (< 100 nm) (SA) or large agglomerates (> 100 nm) (LA) at 2, 7 and 20 mg/m3. Similarly, four other groups of rats were exposed to aerosols at 20 mg/m3 with a primary particle size of 10-30 and 50 nm. The different aerosols were generated by nebulization of suspensions or by dry dispersion. For each mass concentration, one group of control rats (n = 6 per group) was exposed to compressed air under the same conditions. The animals were sacrificed 16 hours after the end of exposure, and analysis of the bronchoalveolar lavage fluids was used to measure markers of inflammatory, cytotoxicity and oxidative stress effects. Lung sections were also analyzed for histopathology. The influence of the agglomeration state of TiO2 NP (5 nm) could not be determined at 2 mg/m3. For mass concentrations of 7 and 20 mg/m3, our results showed that an acute inflammatory response was induced following exposure to LA aerosols. In addition to this response, exposure to SA aerosols resulted in a significant increase in 8-isoprostane and lactate dehydrogenase. At 20 mg/m3, the cytotoxic effects were greater after exposure to the 5-nm NP in the SA aerosol. This study showed that TiO2 NP use different mechanisms to induce their pulmonary toxicity as a function of their primary particle size and their agglomeration state.

Le benzo[a]pyrène (BaP) est un contaminant environnemental de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques ayant été classé cancérogène chez l’humain. Cependant, la relation entre l’exposition et les effets est toujours mal documentée. L’objectif de cette thèse était de mieux documenter la relation quantitative entre l’exposition au BaP, l’évolution temporelle des biomarqueurs d’exposition et l’apparition d’altérations biologiques précoces, à partir d’études expérimentales chez le rat. Dans un premier temps, nous avons déterminé l’effet de 4 doses de BaP (0.4, 4, 10 et 40 µmol/kg) sur plusieurs biomarqueurs d’exposition (3- et 7-OHBaP, 4,5- et 7,8-diolBaP, BaPtétrol et 1,6-, 3,6- et 7,8-diones-BaP), les adduits à l’ADN et l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme du BaP, la réparation de l’ADN et le stress oxydatif. Le BaP et ses métabolites ont été mesurés dans le sang, les tissus et les excrétas, 8 h et 24 h après l’administration intraveineuse de BaP par chromatographie liquide à ultra haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. Les adduits à l’ADN ont été quantifiés dans les poumons par immuno-essai en chémoluminescence. L’expression des gènes dans les poumons a été réalisée par PCR quantitative en temps réel (qRT-PCR). Les résultats ont révélé une bonne relation dose-excrétion pour le 3-OHBaP, le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP et ils ont également renforcé l’utilité du 4,5-diolBaP comme potentiel biomarqueur du BaP en plus du 3-OHBaP. De plus, l’augmentation dose-dépendante de la formation des adduits et de l’expression de certains gènes impliqués dans le métabolisme et le stress oxydatif a suggéré l’intérêt de ces derniers comme biomarqueurs d’effet précoce. Dans un second temps, nous avons évaluer le profil cinétique des biomarqueurs en lien avec la modulation temporelle de la formation des adduits à l’ADN et de l’expression génique, en utilisant la dose de 40 µmol/kg de BaP telle qu’établie dans l’étude précédente, avec une série de mesures sur une durée de 72 h après l’injection intraveineuse de BaP. Il est apparu que le 3- et le 7-OHBaP ainsi que le 4,5- et le 7,8-diolBaP semblaient être de bons biomarqueurs d'exposition; les hydroxyBaP et diolBaP présentaient des cinétiques différentes, mais tous ces métabolites étaient corrélés de façon significative aux adduits BaPDE dans les poumons. L’expression de certains gènes et l’étude de leur profil cinétique a également permis de faire des liens avec la formation des adduits et de mieux comprendre le métabolisme du BaP. Après ces résultats, il semblait alors logique de s’intéresser à l’effet de la voie d’exposition dans un context d’exposition multiple de la population. Les données mesurées dans le sang et les excréta, après administration de 40 µmol/kg de BaP par voie intraveineuse, intratrachéale, orale, et cutanée, ont encore une fois montré l'intérêt de mesurer plusieurs métabolites pour l’évaluation de l’exposition en raison des différences en fonction de la voie d’administration du composé et des différences dans la cinétique de plusieurs biomarqueurs, notamment entre les hydroxy (3- et 7-OHBaP) et les diols-BaP (4,5- et 7,8-diolBaP). Les résultats suggèrent aussi que la mesure de ratios de concentrations de différents métabolites pourrait aider à indiquer le moment et la principale voie d’exposition. Ces données ont permis une meilleure compréhension du continuum entre l’exposition et les effets. / Benzo(a)pyrene (BaP) is a polycyclic aromatic hydrocarbon that has been classified as carcinogenic to humans. However, the relationship between exposure and effect is still poorly documented. The aim of this thesis was to document the quantitative relationship between exposure to BaP, the temporal evolution of biomarkers of exposure and the appearance of early biological alterations, by conducting experimental studies in rats. First, we determined the effect of four doses of BaP (0.4, 4, 10 and 40 µmol / kg) on several biomarkers of exposure (3- and 7-OHBaP, 4,5- and 7,8 -diolBaP, BaPtetrol and 1,6 -, 3,6 - and 7,8-dione-BaP), on DNA adducts and the expression of genes involved in the metabolism of BaP, DNA repair and oxidative stress. BaP and its metabolites were measured in blood, tissues and excreta, 8 h and 24 h after intravenous administration of BaP by ultra high performance liquid chromatography (UHPLC) coupled to fluorescence. The DNA adducts were quantified in lungs by chemiluminescence immunoassay. Gene expression in lungs was achieved by quantitative real time PCR (qRT-PCR). The results showed a good dose-excretion relationship for 3- OHBaP , 4,5- and 7,8- diolBaP and they also showed the usefulness of 4,5- diolBaP as a potential biomarker of BaP in addition to 3- OHBaP. Furthermore, the dose-dependent increase in the formation of adducts and the expression of certain genes involved in metabolism and oxidative stress highlighted the latter as potentially interesting biomarkers of effect. The following study was designed to evaluate the toxicokinetic profile of biomarkers of exposure related to the temporal modulation of the formation of DNA adducts and gene expression, using a dose of 40 µmol/kg BaP as set out in the previous study, but with regular measurements during the 72-h period following intravenous injection of BaP. It appeared that the 3 - and 7- OHBaP and 4,5 - and 7,8- diolBaP seemed to be good biomarkers of exposure; hydroxyBaPs and diolBaPs exhibited different kinetics but all the metabolites were significantly correlated with BaPDE adducts in the lungs. The expression of genes and the study of their kinetic profile also allowed to assess the relationship with the formation of adducts and better understand the metabolism of BaP. Based on these results, it seemed logical to focus on the effect of the route of exposure. The data measured in the blood and excreta after intravenous, intratracheal, oral, and cutaneous administration of 40 mmol/kg BaP have once again demonstrated the importance of measuring several metabolites due to kinetic differences depending on the route of administration of the compound and among biomarkers, in particular between OHBaPs (3 - and 7 - OHBaP) and diolBaPs (4,5 - and 7,8- diolBaP). Results also suggest that measurements of concentration ratios of different metabolites could help indicate the time and the main route of exposure. Overall, these data allowed a better understanding of the continuum between BaP exposure and early effects.

Methylmercury (MeHg) is a pervasive environmental contaminant with potent neurotoxic, teratogenic and likely carcinogenic activity, for which the underlying molecular mechanisms remain largely unclear. Base excision repair (BER) is important in mitigating the pathogenic effects of oxidative stress, which has also been implicated in the mechanism of MeHg toxicity, however the importance of BER in MeHg toxicity is currently unknown. Accordingly, we addressed this question using: (1) spontaneously- and Simian virus 40 (SV40) large T antigen-immortalized oxoguanine glycosylase 1-null (Ogg1-/-) murine embryonic fibroblasts (MEFs); and, (2) human Ogg1 (hOgg1)- or formamidopyrimidine glycosylase (Fpg)-expressing human embryonic kidney (HEK) cells; reciprocal in vitro cellular models with deficient and enhanced ability to repair oxidatively damaged DNA respectively. When spontaneously-immortalized wild-type and Ogg1-/- MEFs were exposed to environmentally relevant, low micromolar concentrations of MeHg, both underwent cell cycle arrest but Ogg1-/- cells exhibited a greater sensitivity to MeHg than wild-type controls with reduced clonogenic survival and increased apoptosis, DNA damage and DNA damage response activation. Antioxidative catalase alleviated the MeHg-initiated DNA damage in both wild-type and Ogg1-/- cells, but failed to block MeHg-mediated apoptosis at micromolar concentrations. As in spontaneously immortalized MEFs, MeHg induced cell cycle arrest in SV40 large T antigen-immortalized MEFs, with increased sensitivity to MeHg persisting in the Ogg1-/- MEFs. Importantly, cells seeded at a higher density exhibited compromised proliferation, which protected against MeHg-mediated cell cycle arrest and DNA damage. In the reciprocal model of enhanced DNA repair, hOgg1- and Fpg-expressing cells appeared paradoxically more sensitive than wild-type controls to acute MeHg exposure for all cellular and biochemical parameters, potentially due to the accumulation of toxic intermediary abasic sites. Accordingly, our results provide the first evidence that Ogg1 status represents a critical determinant of risk for MeHg toxicity independent of cellular immortalization method, with variations in cellular proliferation and interindividual variability in antioxidative and DNA repair capacities constituting important determinants of risk for environmentally-initiated oxidatively damaged DNA and its pathological consequences.

Methylmercury (MeHg) is a pervasive environmental contaminant with potent neurotoxic, teratogenic and likely carcinogenic activity, for which the underlying molecular mechanisms remain largely unclear. Base excision repair (BER) is important in mitigating the pathogenic effects of oxidative stress, which has also been implicated in the mechanism of MeHg toxicity, however the importance of BER in MeHg toxicity is currently unknown. Accordingly, we addressed this question using: (1) spontaneously- and Simian virus 40 (SV40) large T antigen-immortalized oxoguanine glycosylase 1-null (Ogg1-/-) murine embryonic fibroblasts (MEFs); and, (2) human Ogg1 (hOgg1)- or formamidopyrimidine glycosylase (Fpg)-expressing human embryonic kidney (HEK) cells; reciprocal in vitro cellular models with deficient and enhanced ability to repair oxidatively damaged DNA respectively. When spontaneously-immortalized wild-type and Ogg1-/- MEFs were exposed to environmentally relevant, low micromolar concentrations of MeHg, both underwent cell cycle arrest but Ogg1-/- cells exhibited a greater sensitivity to MeHg than wild-type controls with reduced clonogenic survival and increased apoptosis, DNA damage and DNA damage response activation. Antioxidative catalase alleviated the MeHg-initiated DNA damage in both wild-type and Ogg1-/- cells, but failed to block MeHg-mediated apoptosis at micromolar concentrations. As in spontaneously immortalized MEFs, MeHg induced cell cycle arrest in SV40 large T antigen-immortalized MEFs, with increased sensitivity to MeHg persisting in the Ogg1-/- MEFs. Importantly, cells seeded at a higher density exhibited compromised proliferation, which protected against MeHg-mediated cell cycle arrest and DNA damage. In the reciprocal model of enhanced DNA repair, hOgg1- and Fpg-expressing cells appeared paradoxically more sensitive than wild-type controls to acute MeHg exposure for all cellular and biochemical parameters, potentially due to the accumulation of toxic intermediary abasic sites. Accordingly, our results provide the first evidence that Ogg1 status represents a critical determinant of risk for MeHg toxicity independent of cellular immortalization method, with variations in cellular proliferation and interindividual variability in antioxidative and DNA repair capacities constituting important determinants of risk for environmentally-initiated oxidatively damaged DNA and its pathological consequences.

L’extraction aurifère est l’une des activités humaines qui a fortement accru l’émission de contaminants métalliques dans l’environnement. Le mercure (Hg), l’arsenic (As) et le sélénium (Se) sont 3 polluants métalliques de grande toxicité environnementale. En milieu aquatique, ils peuvent subir des transformations menant à des composés capables de bioaccumulation et de bioamplification. Il peut en résulter des concentrations 106 fois celle mesurée dans l’eau chez les poissons et les organismes situés en haut des chaînes alimentaires posant de ce fait de graves menaces pour la santé de ces organismes ainsi que leurs consommateurs y compris les humains. Cette étude a évalué les teneurs en Hg, As et Se dans les milieux aquatiques au Burkina Faso, une région d’Afrique sub-saharienne soumise à une exploitation minière intensive. Le risque potentiel pour les organismes aquatiques et les humains a été évalué en considérant les effets des interactions antagonistes Se/Hg et As/Se. La bioaccumulation et le transfert du Hg et du Se dans les réseaux trophiques sont également décrits. L’exposition au Hg de poissons par les humains a été également évalué au laboratoire par mesure de la bioaccessibilité comme équivalent de la biodisponibilité par simulation de la digestion humaine. En général, les milieux aquatiques étudiés étaient peu affectés par ces 3 métal(loïd)s bien que certaines espèces de poisson issus des réservoirs les plus profonds indiquent des teneurs de Hg au dessus de 500 ngHg/g (poids frais) recommandé par l’OMS. Ces niveaux sont susceptibles de présenter des risques toxicologiques pour les poissons et pour leurs consommateurs. En considérant l’antagonisme Se/Hg, 99 % des échantillons de poisson seraient moins exposés à la toxicité du Hg dû à la présence simultanée du sélénium dans le milieu et pourraient être consommés sans risque. Cependant, les effets potentiels de l’antagonisme As/Se pourraient réduire les effets bénéfiques du Se et ramener cette proportion à 83 %. L’application des mesures de signatures en isotopes stables d’azote (δ15N) et de carbone (δ13C) des organismes aquatiques a permis le traçage des voies de transfert du Hg et du Se dans les réseaux trophiques. On y observe des chaînes trophiques très courtes (3 - 4 niveaux trophiques) et des poissons majoritairement benthiques. L’approche isotopique n’a cependant pas permis de détecter les variations saisonnières des niveaux de contamination en Hg des poissons. L’exploration des contenus stomacaux des poissons a permis de mieux expliquer la baisse des concentrations en Hg et Se observées chez certains poissons au cours de la saison sèche en lien avec la variation de la composition des proies que l’analyse isotopique n’a pas cerné. L’étude suggère que l’analyse de contenus stomacaux ainsi que l’étude de la dynamique des communautés d’invertébrés couplées à celle des métaux pourraient améliorer la compréhension du fonctionnement des écosystèmes étudiés. Enfin, l’évaluation expérimentale de l’exposition au Hg indique que les modes de traitement avant consommation ainsi que l’usage de composés alimentaires tels le thé, le café lors de repas de poisson par certaines communautés humaines ont un impact sur la bioaccessibilité du Hg de poisson. Ces résultats, sous réserve de validation par des modèles animaux, suggèrent la prise en compte des habitudes alimentaires des communautés dans l’élaboration adéquat des avis de consommation de poisson. / Mining of gold is one of the human activities that have increased the inputs of trace elements into the environment. Mercury (Hg) arsenic (As) and selenium (Se) are trace elements that are of environmental importance. Under aquatic environmental conditions, they can be transformed into organic forms which can bioaccumulate through aquatic food webs to reach high concentrations in predatory fish posing harmful effects to wildlife and humans due to their toxicological properties. This study assessed mercury (Hg), arsenic (As) and selenium (Se) levels in aquatic systems and their potential health risk for humans and wildlife in African sub-Saharan region of Burkina Faso where small scale gold mining practices are widespread. Bioaccumulation and trophic transfer of Hg and Se through food webs were also assessed. Human Hg exposure from fish consumption was also assessed in vitro by measure of bioaccessibility as proxy of Hg bioavailability to improve risk assessment. Water and fish levels of these elements were relatively low and did not reveal an important impact of gold mining activities. However some fish, mainly from deepest reservoirs, exhibited Hg concentrations above the international marketing limit of 500 ngHg/g (w.w.) recommended by WHO/FAO. These levels may be harmful for these fish and their predators including human. However, when taking into account the antagonistic effect of Se on Hg toxicity, up to 99 % of all fish could be protected from Hg toxicity by their Se content. When considering both As/Se and Se/Hg antagonism, 83% instead the 99% of fish should be considered safe for consumption. Stable isotope ratios of nitrogen (δ15N) and carbon (δ13C) allowed us to draw food webs structure and pathways of Hg and Se bioaccumulation and biomagnification through food webs. We reported that food webs structure were similar across the three reservoirs. Many fish were found to rely on littoral habitat and were associated with short food chains (3-4 levels). However isotopic analyses were not sufficient to understand seasonal variation of Hg from fish linked to seasonal variation of main food items and subsequent analyses of gut contents suggest that stomach content analysis and invertebrate functional groups dynamics may be complementary to isotopic analysis in ecosystem dynamics studies. Bioaccessibility assessment indicated that cooking and addition of tea or coffee led to very low levels of Hg bioaccessibility suggesting that Hg bioaccessibilty from fish can be modified by cooking and by the co-ingestion of tea and coffee. These in vitro results should be further validated using in vivo approaches with animal models, thereby for each community, risk assessment should consider the impact of dietary habits on mercury bioavailability.

Reconnu par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) comme cancérigène chez l’être humain, le benzo[a]pyrène (BaP) est un des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) les plus étudiés. Souvent rencontrés dans de nombreux milieux de travail, les HAP sont un groupe de polluants omniprésents dans l’environnement, formé par des processus de combustion incomplets. Bien que le BaP présente un risque élevé pour la santé des travailleurs, il n’existe aucun biomarqueur spécifique au composé permettant le suivi et la surveillance d’exposition au BaP dans un lieu de travail. Le 3-hydroxybenzo[a]pyrène (3-OHBaP) est le métabolite du BaP le plus développé comme biomarqueur. Ce métabolite est principalement excrété dans les fèces, ainsi qu’une quantité infime dans l’urine, ce qui le rend difficile à mesurer. De plus, le 3-OHBaP montre une certaine rétention rénale, un facteur qui rend plus compliqué son utilisation en tant que biomarqueur car il oblige de prendre plusieurs critères en compte dans l’analyse de sa cinétique temporelle. Par ailleurs, le 1-hydroxypyrène (1-OHP) est un métabolite urinaire du pyrène souvent utilisé comme biomarqueur d’exposition aux HAP. Neanmoins, il s’agit du métabolite d’un HAP non-cancérigène et par conséquent sa capacité de démontrer le risque de cancer associé à une exposition donnée est faible. Ce mémoire visait à détecter et à évaluer l'exposition au BaP en suivant ses métabolites urinaires: le 4,5-dihydrodiol-benzo[a]pyrène et le 7,8-dihydrodiol-benzo[a]pyrène (le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP; les diolBaP). L’évaluation du 4,5-diolBaP et du 7,8-diolBaP s’est déroulée dans deux études: La première étude, surnommée « l’expérience du shampooing », portait sur un volontaire qui s’est exposé aux HAP dans un environnement contrôlé en utilisant un shampooing à base de goudron de houille. Cette étude a été conçue afin d’évaluer l'évolution temporelle du 7,8-diolBaP chez l'homme et de vérifier son potentiel en tant que biomarqueur d'exposition par comparaison avec le 1-OHP dans le même cadre expérimental. Elle a été réalisée avec deux expériences. La première portait sur une seule exposition et la seconde sur une exposition multiple. La deuxième étude, surnommée « l’étude des travailleurs », reposait sur une analyse comparative du 4,5-diolBaP, du 7,8-diolBaP, du 1-OHP et du 3-OHBaP dans un milieu de travail. Cette étude avait pour objectif d’évaluer les compétences des diolBaP dans un contexte réel à côté des biomarqueurs établis d'exposition au BaP et aux HAP. Cinq travailleurs d'une usine de production d'anodes en carbone ont accepté de participer à cette étude. Dans le cadre de ces deux études, les échantillons d'urine étaient analysés par la chromatographie en phase liquide à ultra-haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. « L’expérience du shampooing » : L’expérience de l’exposition unique et celle de l’exposition multiple ont révélé une élimination de façon mono-exponentielle du 7,8-diolBaP, identique à celle du 1-OHP, avec des concentrations dans le même ordre de grandeur. Nous avons également confirmé un taux d’élimination plus rapide pour le 1-OHP en regardant ses pics. Le 7,8-diolBaP augmente en valeur maximale après chaque exposition, et cette découverte a mis en évidence une accumulation tout au long de la semaine, alors que pour le 1-OHP, le deuxième pic est plus grand, mais le troisième est plus petit, montrant ainsi moins d'accumulation pendant la même période temporelle. « L’étude des travailleurs »: Selon les résultats, la méthode analytique utilisée était incapable de discerner correctement le 4,5-diolBaP des autres contaminants urinaires éluant pendant le même temps de rétention. Le 7,8-diolBaP, quant à lui, élue à des concentrations urinaires d'un ordre de grandeur similaire au 1-OHP tel que vu chez tous les travailleurs évalués. Chez certains travailleurs, la concentration urinaire du 7,8-diolBaP était toujours plus élevée avant le début d'un quart de travail avec l'élimination qui avait lieu pendant le quart de travail pour fournir une valeur de concentration inférieure à la fin du quart de travail. Cependant, la concentration du 1-OHP a eu une hausse immédiate avec l'exposition, culminant à la fin de chaque quart de travail. Pour les autres travailleurs, les concentrations du 7,8-diolBaP et du 1-OHP étaient systématiquement plus élevées à la fin du quart de travail. Il est probable que ces variations indiquent les différentes voies d'exposition. Le présent mémoire a montré le potentiel du 7,8-diolBaP en tant que biomarqueur d'exposition spécifique au BaP et par conséquent, il fournit un point de départ pour explorer la quantification du lien entre l'exposition au BaP et ses effets néfastes sur la santé de l'être humain. L’utilisation de la spectrométrie de masse est nécessaire à confirmer l’identité des diolBaP avant d'aller de l'avant. / Benzo[a]pyrene (BaP) is one of the more commonly studied polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a group of omnipresent pollutants in the environment formed through incomplete combustion processes. It is listed as a confirmed carcinogen to human beings by the International Agency for Research on Cancer (IARC) and is highly present in many workplaces. Although presenting a significant health risk to workers, there are currently no convenient compound-specific biomarkers that enable the tracking and monitoring of occupational exposure to BaP. 3-Hydroxybenzo[a]pyrene (3-OHBaP) is the most developed, as a biomarker, amongst the metabolites of BaP. It’s mostly excreted with the faeces, presenting in trace amounts in urine, which makes it difficult to measure; it is also demonstrates renal retention, which adds a layer of complexity in its use as a biomarker because there are many factors to take into consideration when looking at its kinetic time course. 1-Hydroxypyrene (1-OHP), in the other hand, is a urinary metabolite of pyrene that serves as a good representative of PAH presence. It is, however, the metabolite of a non-carcinogenic PAH, and is not fully capable of representing the cancer risk posed in a given scenario. This thesis sought to detect and assess BaP exposure through tracking its urinary metabolites: 4,5-dihydrodiol-benzo[a]pyrene and 7,8-dihydrodiol-benzo[a]pyrene (4,5-diolBaP and 7,8-diolBaP; diolBaPs). 4,5-DiolBaP and 7,8-diolBaP were evaluated through two studies: The first study, the “shampoo experiment”, featured a volunteer who self-exposed to PAHs in a controlled setting by using a coal-tar-based shampoo. The study consisted of two experiments. The first focused on a single exposure and the second on multiple exposures. This study was set to evaluate the time course of 7,8-diolBaP in humans and verifying its potential as a biomarker of exposure through a comparison with 1-OHP in the same experimental framework. The second study consisted of a comparative analysis of 4,5-diolBaP, 7,8-diolBaP, 1-OHP and 3-OHBaP in an occupational setting, evaluating the competency of the diolBaPs in a real-world setting alongside established biomarkers of BaP and PAH exposure. Five workers at a carbon anode production plant volunteered to participate in this study. For both of these studies, the urine samples were analysed by ultra-high-pressure liquid chromatography (UHPLC) coupled with fluorescence. “Shampoo Experiment”: The single and multiple exposures revealed a monoexponential elimination on the part of 7,8-diolBaP, identical to 1-OHP, with similar magnitudes of concentration. 1-OHP was also confirmed to undergo a more rapid elimination from the system, where after each exposure for 7,8-diolBaP, the ensuing peak value is higher. This finding demonstrated evidence of accumulation of 7,8-diolBaP throughout the week, whereas with 1-OHP, the second peak is larger, then the third one is smaller, thus showing less accumulation over the same time frame. “Worker Study”: The results showed that the analytical method used was unable to properly discern 4,5-diolBaP from other urinary contaminants eluting during the same retention time. 7,8-DiolBaP, on the other hand, eluted at urinary concentrations that were a similar order of magnitude to 1-OHP, as can be seen in all of the workers evaluated. For some workers, the urinary concentration of 7,8-diolBaP was consistently at its peak prior to the start of a shift and elimination took place during the shift, to provide a lower concentration value at the end of the shift. With 1-OHP, the rise was immediate with exposure, peaking at the end of every shift. For other workers, both 7,8-diolBaP and 1-OHP are consistently higher at the end of the shift. These variations are likely to indicate different routes of exposure. This thesis showed the potential use of 7,8-diolBaP as a compound-specific biomarker of exposure for BaP and thus provides a starting point in exploring the quantification of BaP exposure and negative health effects in humans. Confirmation of the compound’s identity is needed through the use of mass spectrometry.