Recreational abuse of the drugs cocaine, methamphetamine, and morphine continues to be prevalent in the United States of America and around the world. While numerous methods of detection exist for each drug, they are generally limited by the lifetime of the parent drug and its metabolites in the body. However, the covalent modification of endogenous proteins by these drugs of abuse may act as biomarkers of exposure and allow for extension of detection windows for these drugs beyond the lifetime of parent molecules or metabolites in the free fraction. Additionally, existence of covalently bound molecules arising from drug ingestion can offer insight into downstream toxicities associated with each of these drugs. This research investigated the metabolism of cocaine, methamphetamine, and morphine in common in vitro assay systems, specifically focusing on the generation of reactive intermediates and metabolites that have the potential to form covalent protein adducts. Results demonstrated the formation of covalent adduction products between biological cysteine thiols and reactive moieties on cocaine and morphine metabolites. Rigorous mass spectrometric analysis in conjunction with in vitro metabolic activation, pharmacogenetic reaction phenotyping, and computational modeling were utilized to characterize structures and mechanisms of formation for each resultant thiol adduction product. For cocaine, data collected demonstrated the formation of adduction products from a reactive arene epoxide intermediate, designating a novel metabolic pathway for cocaine. In the case of morphine, data expanded on known adduct-forming pathways using sensitive and selective analysis techniques, following the known reactive metabolite, morphinone, and a proposed novel metabolite, morphine quinone methide. Data collected in this study describe novel metabolic events for multiple important drugs of abuse, culminating in detection methods and mechanistic descriptors useful to both medical and forensic investigators when examining the toxicology associated with cocaine, methamphetamine, and morphine.

Chemical warfare agents continue to pose a global threat despite the efforts of the international community to prohibit their use in warfare. For this reason, improvement in the detection of these compounds remains of forensic interest. Protein adducts formed by the covalent modification of an electrophilic xenobiotic and a nucleophilic amino acid may provide a biomarker of exposure that is stable and specific to compounds of interest (such as chemical warfare agents), and have the capability to extend the window of detection further than the parent compound or circulating metabolites. This research investigated the formation of protein adducts of the nitrogen mustard chemical warfare agents mechlorethamine (HN-2) and tris(2-chloroethyl)amine (HN-3) to lysine and histidine residues found on the blood proteins hemoglobin and human serum albumin. Identified adducts were assessed for reproducibility and stability both in model peptide and whole protein assays. Specificity of these identified adducts was assessed using in vitro assays to metabolize common therapeutic drugs containing nitrogen mustard moieties. Results of the model peptide assays demonstrated that HN-2 and HN-3 were able to form stable adducts with lysine and histidine residues under physiological conditions. Results for whole protein assays identified three histidine adducts on hemoglobin, and three adducts (two lysine residues and one histidine residue) on human serum albumin that were previously unknown. These protein adducts were determined to be reproducible and stable at physiological conditions over a three-week analysis period. Results from the in vitro metabolic assays revealed that adducts formed by HN-2 and HN-3 are specific to these agents, as metabolized therapeutic drugs (chlorambucil, cyclophosphamide, and melphalan) did not form the same adducts on lysine or histidine residues as the previously identified adducts formed by HN-2 and HN-3. Results obtained from the model peptide and full protein work were enhanced by comparing experimental data to theoretical calculations for adduct formation, providing further confirmatory data. This project was successful in identifying and characterizing biomarkers of exposure to HN-2 and HN-3 that are specific and stable and which have the potential to be used for the forensic determination of exposure to these dangerous agents.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants (POP) issus d’une combustion incomplète de matière organique, d’origine naturelle (incendies de forêt) et anthropique (chauffage au gaz, trafic routier, industrie…). La consommation par les animaux d’élevage de couverts végétaux et sols contaminés en HAP, couplée à une forte lipophilie de ces derniers, constitue un risque potentiel en terme de contamination des produits animaux (lait, viande, œufs…). Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’évaluation de l’exposition du ruminant laitier aux HAP au travers de l’utilisation de biomarqueurs métaboliques d’exposition orale aux HAP. Nous avons tout d’abord testé l’aptitude du 1-hydroxypyrène dans l’urine et/ou le lait à être utilisé comme biomarqueur métabolique spécifique d’exposition orale et subchronique (7 jours, 40 jours) de la chèvre au mélange : phénanthrene, pyrène, benzo(a)pyrene. Ceci en utilisant de l’huile comme vecteur de contamination sur la plage 0.04-50 mg/jour de chacun des 3 HAP. Les résultats démontrent entre autres que (i) le 1-hydroxypyrène est excrété de manière proportionnelle au niveau d’exposition sur toute la plage d’exposition testée dans le lait (taux de transfert stable de l’ordre de 1% dans le lait et 10% dans l’urine) ; (ii) qu’un plateau d’excrétion est obtenu au plus tard 10 jours après le début de l’exposition. La seconde partie de ce travail a permis de démontrer le potentiel de l’activité ethoxyresorufin-o-deethylase (EROD) dans les lymphocyte périphérique sanguins (LPS) à être utilisé comme un biomarqueur d’exposition orale aspécifique du ruminant laitier aux POP CYP450 inducteurs, dont certains HAP. Des cinétiques d’induction EROD lymphocytaire par exposition orale aux HAP ont ainsi pu être modélisées par un modèle de type logistique sur 40 jours d’exposition suivis de 10 jours post-exposition. Une ébauche de courbe dose-réponse de type Michaelis-Menten a par ailleurs pu être déterminée, autorisant plusieurs commentaires relatifs au métabolisme des HAP par le ruminant laitier. Une dernière étude cinétique, menée chez le rat en mode subchronique sur 32 jours, a finalement permis, entre autres, de mettre en évidence une bonne corrélation entre les activités EROD dans les lymphocytes sanguins périphériques, le foie et le tissu cérébral. L’ensemble des résultats obtenus démontre la pertinence de l’usage combiné de l’activité EROD lymphocytaire et du 1-OH pyrène dans le lait ou l’urine comme outils d’évaluation pratiques et accessibles du risque lié à l’ingestion de POP par les ruminants laitiers / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants (POP) produced during the incomplete burning of organic materials. Their production can be of natural origin (forest fire) or anthropic origin (gaz heating, vehicular traffic, industry). The ingestion of PAH contaminated vegetal covers or soils by farm animals, coupled with the high lipophily of these PAH, therefore represents a potential hazard in terms of contamination of animal products (milk, meat, eggs…). In the present work, we focused on the evaluation of the dairy ruminant exposure to PAH through the use of metabolic biomarkers of exposure. At first we tested the potential of 1-hydroxypyrene excreted in urine or milk to be used as a metabolic and specific biomarker of subchronic (7 to 40 days) and oral exposure of the goat to a ternary mixture consisting of phenanthrene, pyrene and benzo(a)pyrene. Each PAH was solubilized in oil to reach contamination levels in the range 0.04-50 mg/day. Results demonstrate that (i) 1-hydroxypyrene excretion in milk and urine is proportional to the level of exposure all along the tested exposure range (stable transfer rates of 1-OH pyrene: about 1% in milk and 10 % in urine); (ii) excretion of 1-OH pyrene reached a plateau at the latest 10 days after the beginning of exposure. In the second part of this work, it was demonstrated that the ethoxyresorufin-o-deethylase (EROD) activity, when measured in peripheral blood lymphocytes (PBL), can be used as a convenient and non-specific biomarker of oral and chronic exposure of dairy ruminant to CYP 450 inducting POP, such as many PAH. Induction kinetic of EROD activity PBL could be fitted with a logistic-like model over 40 days of exposure followed by 10 days post-exposure. An approximate dose/response curve could be fitted using a Michaelis-Menten-like model, allowing for several comments about the metabolism of PAH in dairy ruminant. A final kinetic study, which was run on rats under subchronic conditions (32 days), next to other results, showed a good correlation between EROD activities in PBL, liver and brain. Achieved results demonstrate the relevance of the combined use of the EROD activity in PBL and of the 1-OH pyrene in milk or urine as convenient and cost-limited tools for risk assessment in terms of PAH and more generally POP ingestion by dairy ruminants

Les infections virales transmises à l'homme par les moustiques Aedes, sont en pleine émergence ou ré-émergence dans le monde entier. Le contrôle des populations de vecteurs reste la seule méthode de lutte. Pour un contrôle plus efficace, de nombreux efforts sont déployés pour développer de nouveaux indicateurs évaluant l'exposition de l'Homme aux piqûres des Aedes. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse était de développer un biomarqueur, basé sur l'évaluation quantitative de la réponse anticorps (Ac) spécifique au peptide salivaire Nterm-34kDa d'Ae. aegypti chez les populations exposées. Pour cela, nous avons évalué le potentiel de cette réponse Ac spécifique à i) mesurer l'intensité d'exposition aux piqûres, ii) évaluer le risque de transmission des arboviroses et iii) évaluer l'efficacité des stratégies de lutte anti-vectorielle (LAV). Nos résultats ont montré qu'une réponse IgG anti-peptide Nterm-34kDa pouvait être détectée chez les individus exposés à Ae. aegypti et Ae. albopictus. Le niveau de cette réponse IgG spécifique augmentait entre les saisons de faibles densités de moustiques et celles de fortes densités, indiquant que ce candidat biomarqueur permettrait d'évaluer l'exposition aux piqûres des Aedes. La distribution spatiale similaire de la prévalence de nouvelles infections au virus de la dengue et la prévalence de la réponse IgG spécifique montrait également que ce candidat biomarqueur permettrait d'identifier des zones à risque de transmission. La comparaison des réponses IgG anti-peptide Nterm-34kDa avant et après les interventions de LAV, a montré qu'une baisse post-LAV de cette réponse Ac spécifique permettrait d'évaluer l'efficacité de la LAV contre les Aede. Ce biomarqueur salivaire pourrait donc représenter un indicateur de la réduction du contact homme-vecteur. L'ensemble de ces travaux montre que la réponse Ac spécifique au peptide salivaire Nterm-34kDa constitue un pertinent biomarqueur pour évaluer l'exposition de l'Homme aux vecteurs des arboviroses. La validation supplémentaire de ce biomarqueur et son développement sous forme de test rapide permettraient aux structures en charge de la surveillance des arboviroses et de la lutte anti-vectorielle, de disposer d'un outil complémentaire des indicateurs entomologiques et épidémiologiques de référence. / Human viral infections transmitted by Aedes mosquitoes are rapidly emerging or re-emerging worldwide. Vector control strategies remain currently the unique method to control these infections. To improve the effectiveness of this control, much effort is being devoted to develop new indicators for measuring the human exposure to Aedes bites. In this way, this project aimed to develop a biomarker based on the quantitative assessment of antibody response (Ab) to Ae. aegypti Nterm - 34kDa salivary peptide, in human exposed populations. We evaluated thus the potential of this specific Ab response to: i) measure the intensity of human exposure to Aedes bites, ii) assess the risk of transmission of arboviruses and iii) evaluate the efficacy of vector control strategies. Our results showed that a specific IgG response to Nterm-34kDa peptide could be detected in individuals exposed to Ae. aegypti or Ae. albopictus. The level of specific IgG response increased from the season of low mosquito densities to high densities one, indicating that this biomarker candidate could evaluate the intensity of exposure to the Aedes bites. The observed similar spatial distribution of the prevalence of new infections with dengue virus and specific IgG response showed that this biomarker candidate could identify areas at risk of transmission. The comparison of the specific IgG responses to Nterm-34kDa peptide before and after the vector control intervention showed a decline of the specific Ab response after implementation of control. It indicated that such salivary biomarker could assess the effectiveness of vector control against Aedes, and that this salivary biomarker could be an indicator of the reduction of man-vector contact. Altogether, the results of this work show that the specific IgG response to the Nterm-34kDa salivary peptide could be a relevant biomarker for assessing human exposure to arboviruses vectors. This promising indicator, developed as a rapid test, could represent a complementary tool for entomological and epidemiological surveillance of arboviruses diseases.

Les mycotoxines sont des métabolites secondaires des moisissures qui peuvent naturellement contaminer de nombreuses denrées alimentaires, notamment les céréales. Dans les travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à deux mycotoxines majeures produites par des champignons du genre Fusarium, le Déoxynivalénol (DON) et la Fumonisine (FB). Les objectifs de la thèse ont été de déterminer les effets individuels et combinés d’une contamination en DON et FB chez le porc, une espèce cible et sensible aux mycotoxines. Les effets sur les fonctions immunitaires lors d’un challenge antigénique ainsi que sur les fonctions intestinales ont été évalués. Par ailleurs, dans le cadre d’un partenariat avec un industriel, nous avons évalué in vivo les effets de méthodes de détoxification par biotransformation et ciblant spécifiquement ces deux toxines. Chez le porc, l’ingestion d’aliments contaminés avec de faibles doses de mycotoxines (DON, 3 mg/kg ; FB, 6 mg/kg) a provoqué des lésions tissulaires (foie, reins et poumons) et a fortement altéré la mise en place d’une réponse immunitaire spécifique de l’antigène (expression des cytokines, prolifération des lymphocytes et anticorps spécifiques). Les animaux ont été significativement plus affectés après la consommation du régime co-contaminé, et l’interaction a pu être considérée comme additive. De plus, les paramètres intestinaux examinés ont révélé des changements dans la morphologie, dans le profil de sécrétion des cytokines et dans l’adhésion cellulaire. L’interaction des deux toxines a pu ici être caractérisée comme moins qu’additive. Les approches de détoxification biologique proposées par l’industriel étaient basées sur la transformation par voie enzymatique du DON et des FB, à partir d’un microorganisme entier et d’une enzyme respectivement. La stratégie d’élimination des FB a suscité un intérêt plus important étant donné que cette méthode est non commercialisée et en cours de développement. Ainsi, la toxicité du produit d’hydrolyse de la FB1 (mycotoxine principale de la famille des FB) obtenu initialement par traitement enzymatique, a été comparée in vivo à celle de la molécule mère la FB1. Les résultats ont montré que l’hydrolyse de la FB1 réduisait fortement la toxicité hépatique et intestinale chez les porcelets. L’expérimentation animale avec le DON et la FB, seuls ou en combinaison a ensuite été reproduite afin de déterminer l’efficacité d’hydrolyse de ce procédé chez le porc après incorporation de l’enzyme dans les aliments contaminés. Dans ces aliments, le microorganisme entier ciblant le DON avait également été inclus. La nette diminution du marqueur d’exposition des FB et la neutralisation partielle ou totale des effets ont suggéré que le procédé avait fortement réduit la biodisponibilité des FB dans le tractus gastro-intestinal. Cette observation a aussi été en partie confirmée pour l’approche de dégradation du DON. La biotransformation par voie enzymatique des mycotoxines représente ainsi une stratégie biotechnologique prometteuse dans la lutte contre ces contaminants. / Mycotoxins are secondary metabolites of fungi that are natural contaminants of several commodities, in particular cereals. In the present work, we focused on two major mycotoxins produced by the Fusarium genus, Deoxynivalenol (DON) and Fumonisin (FB). The main objectives of the thesis were to determine the toxic effects of individual and combined DON and FB contamination in pig, a target species highly sensitive to mycotoxins. The effects on the immune functions following an antigenic challenge and also on the intestinal functions were evaluated. Besides, within the framework of an industrial partnership, we evaluated in vivo the effects of detoxifying methods by biotransformation and targeting specifically these two toxins. In pigs, ingestion of contaminated feeds with low doses of mycotoxins (DON, 3 mg/kg ; FB, 6 mg/kg) triggered tissular lesions (liver, kidneys and lungs) and strongly impaired the establishment of the antigenic immune response (cytokines expression, lymphocytes proliferation and specific antibodies). Animals consuming the cocontaminated diet were more affected and the interaction could be considered as additive. In addition, changes in morphology, in profile of cytokines secretion and in cell adhesion were observed at intestinal level. The interaction here could be characterized as less than additive. The biological detoxification approaches proposed by the industrial were based on the transformation by enzymatic way of DON and FB, from intact microorganism and enzyme respectively. We paid a particular attention to the strategy of FB removal as this method is not marketed and still in development. Therefore, the toxicity of the hydrolysis product of FB1 (major mycotoxin in the FB group) initially obtained by enzymatic way, was compared in vivo to the toxicity of the parent compound FB1. Results showed that the hydrolysis of FB1 strongly reduced the toxicity in piglets at intestinal and hepatic levels. The animal experiment with DON and FB, alone or in combination was then repeated in order to determine in pigs the hydrolysis efficiency of this process when enzyme was incorporated in contaminated feeds. In these feeds, the intact microorganism toward DON was also included. The marked decrease of the biomarker of exposure to FB and the partial or total counteraction of the effects suggested that the process had greatly reduced the FB bioavailability in the gastrointestinal tract. This observation was also in part confirmed for the method degrading DON. The biotransformation method of mycotoxins by enzymatic way represents therefore a promising biotechnological strategy in the control of these contaminants.