Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’exposition à des polluants environnementaux est considérée comme l’un des facteurs pouvant expliquer l’augmentation exponentielle des maladies métaboliques dans le monde. Parmi ces polluants, plusieurs études épidémiologiques suggèrent une association entre exposition au cadmium (Cd) et incidence et sévérité des cas de diabète, mais le sujet reste controversé. Des travaux expérimentaux sur des modèles animaux montrent qu’une exposition au Cd induit des effets divers sur le métabolisme du glucose. Toutefois, ces études ont été réalisées avec des doses de Cd relativement fortes et avec des modèles d’exposition peu réalistes. De plus, très peu de données sont disponibles sur l’effet de l’exposition maternelle sur la descendance. L’objectif de ces travaux était donc d’étudier les possibles altérations du métabolisme du glucose après une exposition orale à des doses faibles de Cd, chez des rats adultes ainsi que sur des jeunes rats exposés via leur mère. Nos résultats montrent qu’à des niveaux de Cd proche des doses de références sans effets chez le rat, les femelles adultes présentent des perturbations du niveau d’insuline plasmatique ainsi qu’une légère diminution de la sensibilité à l’insuline. Ces effets diabétogènes ne sont pas retrouvés chez les mâles. Les résultats de notre seconde étude indiquent que l’exposition maternelle au Cd, pendant la gestation et la lactation, induit des modifications métaboliques précoces chez les descendance, 21, 26 et 60 jours après la naissance. A 21 jours, la tolérance au glucose est altérée. A 26 jours, la sensibilité périphérique à l’insuline est transitoirement restaurée mais la fonction pancréatique est impactée. Enfin, à 60 jours, le défaut de sensibilité à l’insuline est compensé par une sécrétion accrue. Ces travaux mettent en évidence les effets d’une exposition à doses faibles de Cd sur le métabolisme du glucose et renforcent l’idée que l’environnement périnatal, en particulier l’exposition aux polluants, impacte la santé de la descendance, à plus ou moins long terme. Au-delà de ces résultats, ces travaux portent une réflexion sur l’intérêt et la difficulté à mettre en place des modèles animaux d’exposition pertinents, pour répondre à l’enjeu de l’évaluation des risques de l’exposition chronique au Cd. / The exposure to environmental pollutants is considered one of the factors that could explain the exponential increase in metabolic illnesses worldwide. Among these pollutants, many epidemiological studies suggest a link between Cadmium (Cd) exposure and the occurrence and severity of diabetes, although the subject remains controversial. Experimental work on animals shows that exposure to Cd induces various effects on glucose metabolism. However, these studies were performed with relatively high doses of Cd and with unrealistic exposure models. In addition, very little data are available on the effect of maternal exposure and effect on descendants. The aim of this work was to study possible alterations in glucose metabolism after oral exposure to low doses of Cd in adult rats as well as in young rats exposed via their mothers. Results show that when exposed to Cd levels close to no-observed-effect reference values in rats, female rats show disturbances in plasma insulin level and a slight decrease in insulin sensitivity. These diabetogenic effects are not found in male rats. The results of the second study indicate that maternal exposure to Cd during pregnancy and lactation induces early metabolic changes in the offspring, 21, 26 and 60 days after birth. At 21 days, glucose tolerance is altered. At 26 days, the peripheral insulin sensitivity is transiently restored but the pancreatic function is impacted. Finally, at 60 days, the lack of insulin sensitivity is compensated by increased secretion. This work demonstrates the effects of low doses of Cd on glucose metabolism and reinforces the idea that the perinatal environment, in particular exposure to pollutants, affects the health of offspring in the long term. Beyond these results, this work allows the reader to reflect on the interest and difficulty of setting up relevant experimental animal models, in order to tackle the issue of risk assessment of chronic Cd exposure.

L'exposition durant la vie périnatale à des perturbateurs endocriniens (PE) anti-androgéniques, induit des altérations durables du système reproducteur mâle. Si leur action a été objectivée chez l’homme et l’animal, la question du seuil de toxicité reste entière, car l’exposition environnementale correspond à de faibles doses. Ici, nous exposons in utero des rats mâles à de faibles doses de flutamide: 10 mg/kg/j ; 1; 3 doses faibles selon la définition de l'OMS 0.1; 0.01; 0.001 et 0. L'exposition fœtale induit chez l’adulte (1) des altérations morphologiques à la dose 10 mg/kg/j (diminution du poids des organes du tractus génital et une diminution du compte spermatique); (2) des altérations cellulaires à partir de 1mg (augmentation de l'apoptose des cellules germinales) et (3) des altérations moléculaires à toutes les doses testées pour MCL1, BCL2, XIAP, HSPA2, ELAVL1 et MOV10L1. Ces altérations s’intègrent dans la dérégulation de 2 voies de signalisation expliquant l’apoptose des cellules germinalesLorsque l’exposition a lieu à l’âge l’adulte dans les mêmes conditions, les effets morphologiques et cellulaires sont observés uniquement à 10mg, les effets moléculaires uniquement aux doses 10 et 1 mg. Ces effets ne sont plus observés 2 mois après l’arrêt de l’exposition. En conclusion : Nous avons (i) identifié des voies de signalisation impliquées dans le phénotype d’infertilité induite par une exposition à de faibles doses d’anti-androgène ; (ii) montré que ces voies étaient actives aux plus faibles doses testées prédisposant à une infertilité masculine programmée in utero / Exposure during perinatal life to anti-androgenic endocrine disruptors (ED) induces sustained alterations of the male reproductive system. Although their action has been objectified in humans and animals, the question of the threshold of toxicity remains unchanged, as environmental exposure corresponds to low doses. Here, we exposed male rats, in utero, to low doses of flutamide: 10 mg/kg/d; 1; 3 low doses as defined by WHO 0.1; 0.01; 0.001 and 0. Fetal exposure induced in adults (1) morphological alterations at a dose of 10 mg/kg/day (decrease in the weight of organs of the genital tract and a decrease in the sperm count); (2) cellular alterations from 1mg (increase in germ cell apoptosis) and (3) molecular alterations at all doses tested for MCL1, BCL2, XIAP, HSPA2,LAVL1 and MOV10L1. These alterations are integrated in the deregulation of 2 signaling pathways explaining the apoptosis of the germ cellsWhen exposure occurs at adult age under the same conditions, morphological and cellular effects are observed only at 10mg, molecular effects only at doses 10 and 1 mg. These effects are no longer observed 2 months after discontinuation of exposure. In conclusion: We have (i) identified signaling pathways involved in the phenotype of infertility induced by exposure to low doses of antiandrogen; (ii) showed that these pathways were active at the lowest doses tested predisposing to programmed male infertility in utero

Suite aux accidents nucléaires de Tchernobyl (1986) ou Fukushima (2011), de grandes quantités de radioéléments ont été disséminées dans l’environnement. Parmi ces derniers, le césium 137 est le radionucléide le plus abondant et constitue la principale source d’exposition des populations avoisinantes sur le long terme, notamment par son intégration dans la chaîne alimentaire. Ce sont quelques milliers de becquerels qui sont quotidiennement ainsi ingérés. Un important questionnement concerne donc les effets potentiels que peuvent induire une telle exposition sur les fonctions physiologiques.Concernant le système cardiovasculaire, il existe une corrélation entre la dose d’exposition et la fréquence d’apparition de pathologies cardiovasculaires. Cependant, lorsqu’il s’agit d’une exposition à faibles doses, comme en cas de situations post-accidentelles, les études ne sont pas toutes en accord, dû au caractère multifactoriel de ces maladies, une grande prudence est nécessaire quant à l’interprétation des données épidémiologiques. Ainsi, ce travail de thèse vise à compléter les études épidémiologiques disponibles suivant une exposition interne à faibles doses de césium 137, et plus particulièrement dans le cadre de la pathologie athéromateuse. En effet, l’athérosclérose est reconnue comme étant la 1ère cause de mortalité/morbidité dans les pays industrialisés. Des animaux prédisposés à la pathologie (souris ApoE-/-), ont été exposés à des concentrations de césium de 4 à 100 kBq.L-1 pendant 3, 6 ou 9 mois.Ainsi, au bout de 3 mois d’exposition, les animaux ayant reçu la plus forte concentration présentent une augmentation de certains paramètres inflammatoires, notamment IFN-γ et VCAM-1, ainsi qu’une augmentation de l’épaisseur média-intima comparé aux animaux témoins. De plus, nous avons noté des variations concomitantes de l’expression d’enzymes pro/anti oxydantes (p47, p67, GPx). Ces observations ne perdurent pas au fil du temps. En effet, après 6 et 9 mois d’exposition, les plaques d’athérome qui se sont formées présentent des caractéristiques de stabilité plus importantes que les animaux témoins, avec des paramètres pro-inflammatoires (CRP, TNF-α, MCP-1 et IFN-γ) diminués, une augmentation du contenu en collagène, ainsi qu’une baisse de l’expression de certaines collagénases.L’ensemble de ces résultats suggèrent qu’une exposition interne chronique à faibles doses de césium 137 ne potentialise pas la pathologie athéromateuse dans notre modèle expérimental. Une telle exposition induit la mise en place d’une réponse adaptative au cours du temps, allant en faveur d’une amélioration du phénotype des plaques d’athérome, en agissant sur la balance des cytokines pro/anti inflammatoires, ainsi qu’une modulation du système anti-oxydant. / Large amounts of radionuclides were released in the environment after the Chernobyl (1986) or Fukushima-Daichii (2011) nuclear accidents, and mostly cesium 137. Populations living in contaminated territories are chronically exposed to radionuclides by ingestion of contaminated food. There is a real interrogation about the potential effects that could be induced following such ionizing exposure on physiological functions in the long term.Concerning the cardiovascular system, there is a correlation between the irradiation dose and the appearance of cardiovascular diseases. However, when we focused on post-accidental situations, with a low dose exposure, available data are not all in accordance, due to multifactorial aspect of these pathologies. Epidemiological results should be interpreted carefully.Thus, the aim of my thesis is to complete epidemiological studies about chronic internal γ low dose exposure, using cesium 137, in an atheromatous context. Atherosclerosis and its consequences are known to be the main cause of mortality/morbidity in industrialized countries.Predisposed animals (ApoE-/- mice) were exposed to 137Cs through the drinking water. The concentration range was 4 to 100 kBq.L-1, to surround concentration found in contaminated territories around Chernobyl. Exposure times were 3, 6 or 9 months to follow atherosclerosis progression.After 3 months exposure, for the early stages, mice exposed to the highest dose presented an increase in some inflammatory cytokines, notably IFN-γ and VCAM-1, with an intimal-medial thickness increased compared to non-exposed animals. Moreover, at this time exposure, we noticed concomitant variation of genic expression of pro and anti-oxydative enzymes (p47, p67, GPx). These effects are only transient and do not perdure over the time. Indeed, after 6 and 9 months exposure, atheromatous plaque observed in the aortic sinus, present more stability parameters than the control group (collagen), with also a decrease in pro-inflammatory profile cytokines expression (CRP, TNF-α, MCP-1 et IFN-γ), and MMPs expression, and increase in GPx activity compared to the control group.All together, these results suggest that chronic internal exposure to low dose ionizing radition with 137Cs do not potentiate atherosclerosis progression. Such exposure induces an adaptive response along the experimental process, with an amelioration of atheromatous plaque phenotype, acting on the balance of pro/anti-inflammatory cytokines, pro/anti oxydant system.

Les perturbateurs endocriniens (PE) font l’objet d’une controverse scientifique à l’heure actuelle car, pour certains scientifiques, ces molécules n’auraient pas de seuil de toxicité et agiraient à de très faibles concentrations. Cette particularité proviendrait du fait que les PE, quelles que soient leurs origines, agissent sur les hormones et leurs récepteurs. A ce titre, ils seraient assujettis aux mêmes règles que les hormones endogènes. Leurs effets à de très faibles doses s’expliqueraient par la sensibilité des récepteurs hormonaux aux faibles fluctuations de concentrations. L’absence de seuil d’effet pour les PE s’expliquerait par différents mécanismes, dont des différences d’affinité suivant la concentration entre substrat et récepteur, qui engendreraient des effets doses non monotones. Un certain nombre de revues remettent en cause ces hypothèses et les observations qui les accompagnent. Elles indiquent notamment le fait que ces données manquent de répétitions, qu’elles sont principalement issues d’études in vitro ou sur des modèles d’organismes en développement et non-nécessairement misent en perspective avec des effets toxiques pour l’organisme. Ainsi ces données ne seraient pas suffisantes pour statuer dans ce débat.Dans ce contexte, afin d’apporter de nouvelles données expérimentales au débat, nous avons cherché à caractériser les effets aux faibles doses d’un PE de référence, le flutamide (FLU), sur l’appareil reproducteur du rat mâle adulte. Pour ce faire, nous avons conduit trois études successives au cours desquelles nous avons exposé des rats Wistar de 7 semaines à une large gamme de doses de FLU. La dose la plus forte est connue pour induire des lésions testiculaires et une atrophie de la prostate. Les autres doses correspondent à la NOAEL définie dans une étude publiée précédemment, et à cette valeur divisée par 10, 100 et 1000, ce qui correspond à des faibles doses selon la définition de l’OMS. Pour chaque étude, chaque groupe était composé de 16 animaux gavés quotidiennement pendant 28 jours. Ces études ont permis d'explorer différents paramètres. Dans le cadre de la caractérisation du mode d'action du flutamide sur le testicule (Exposition --> blocage des récepteurs aux androgènes de l'hypophyse --> augmentation de la LH circulante --> prolifération des cellules de Leydig --> Hyperplasie), nous avons montré que, pour chaque évènement clé, l’effet dose est monotone et qu’il est possible de définir un seuil. Par ailleurs, nous proposons le Pdgfd, un facteur de croissance, comme médiateur de l’effet mitogène de la LH sur les cellules de Leydig.Pour la prostate, le mode d'action du flutamide n’étant pas complètement élucidé à ces niveaux de doses, le travail a été plus exploratoire. Afin d'expliquer, aux niveaux moléculaire et cellulaire, l'origine de la baisse du poids des prostates induites par le flutamide dès 1 mg/kg/j, nous avons exploré trois hypothèses: (1) l'augmentation de l'apoptose, avec un test d'activité des caspases 3 et 9 qui montre une activité supérieure pour le groupe forte dose de 10 mg/kg/j de flutamide, (2) la diminution de la prolifération, avec un marquage ki67 qui ne montre pas de différence entre le groupe témoin et la forte dose, et enfin (3) la baisse de la fonction de sécrétion de la prostate, évaluée par un western blot dirigé contre la probasine qui montre une baisse de sa production. Dans le même temps, nous avons montré, au niveau des transcrits hépatiques (RT-qPCR), que le flutamide exerce un effet-dose monotone sur certaines enzymes impliquées dans le métabolisme des xénobiotiques. En conclusion, dans ce modèle, pour l'ensemble des paramètres explorés, sur le testicule, l’hypophyse, la prostate, le sang et le foie, nous n'avons observé que des effets à seuil et aucun effet non monotone. / The dose-response characterization of Endocrine disrupting chemicals (EDCs) toxicity is an on-going debate which is controversial when exploring the nature of the dose-response curve and the effect at the low concentration. A part of the scientific community, suggests these molecules have no toxicity threshold and act at very low concentrations. This assumption stems from the fact that EDCs, whatever their origins, act on hormones and their receptors. As such, they would be subject to the same rules as the endogenous hormones. Effects at very low doses could be explained by the sensitivity of the hormone receptor to small fluctuations in concentrations. The lack of threshold for EDCs may be explained by different mechanisms, including affinity differences according to concentrations between substrate and receptor, which would generate non-monotonic dose-responses. A number of reviews challenge this assumption and the linked observations. They argue that the data are missing replication; they are mainly from in vitro studies or conducted in developing models and not-necessarily associated with toxic effects on the organism. Thus, these data are not sufficient to rule in this debate.In this context, in order to provide new experimental data to this debate, we worked to characterize the effects at low doses of a reference EDCs, flutamide (FLU) on the reproductive system of adult male rats. In that aim, we conducted three successive studies exposing Wistar rats of 7 weeks at a wide range of Flu doses. The highest dose is known to induce testicular damage and atrophy of the prostate gland. Other doses correspond to the defined NOAEL in a study published earlier, and to this value divided by 10, 100 and 1000, corresponding to low doses according to the WHO definition. For each study, each group consisted of 16 animals exposed daily by gavage for 28 days. During characterization of flutamide mode of action on the testis (Exposition -> androgen receptors blocking in the pituitary gland -> increase in circulating LH -> Leydig cells proliferation -> Leydig cells Hyperplasia), we have shown that for every key event, dose-response curve is monotonous and we were able to define a threshold. Furthermore, we suggest that the Pdgfd, a growth factor, mediates the mitogenic effect of LH on Leydig cells.In the prostate gland, the mode of action of flutamide is not completely elucidated at these dose levels, so the work was more exploratory. To explain, at the molecular and cellular levels, the origin of prostate atrophy induced by flutamide from 1 mg/kg/day, we explored three hypotheses: (1) the increase in apoptosis, with a caspases 3 and 9 activity test, which shows a higher activity for the high dosage group of 10 mg/kg/day of flutamide, (2) the decreasing of epithelium proliferation, with Ki67 marker which shows no difference between the control group and the high dose, and finally (3) the decrease in prostate secretory function, assessed by western blot against the Probasin which shows a drop in production.At the same time, we have shown in liver that flutamide has an effect on enzymes involved in the metabolism of xenobiotics with monotonic dose-response.In conclusion, in this model, for all investigated parameters on the testis, pituitary, prostate, blood and liver, we only observed threshold effects and no non-monotonic dose-responses.

La vie sur Terre s’est adaptée à un environnement où il y a un faible et persistent bruit de fond radiatif qui interagit avec les cellules. Loin des effets clairement nocifs des radiations à haute dose, il est difficile d’évaluer et de comprendre les impacts des faibles doses de la radioactivité naturelle sur les systèmes vivants. Nous avons tenté d’étudier si le bruit de fond radiatif est un facteur important dans l’évolution, en menant des expériences évolutives identiques avec Escherichia coli au Laboratoire de Physique Corpusculaire de Clermont-Ferrand, et au Laboratoire Souterrain de Modane. Malgré une différence d’un facteur 7,3 entre les taux d’interaction des rayonnements ionisants avec les cellules dans les deux laboratoires, aucune différence significative n’a pu être trouvée dans le fitness compétitif des populations cellulaires évoluées dans chaque laboratoire. Par simulation, nous avons montré que le taux d’interaction entre le bruit de fond radiatif et E. coli est cent fois plus faible que le taux de mutations d’origine endémique, ce qui renforce l’hypothèse que les radiations naturelles ont peu d’effet sur l’évolution. Dans le cadre du projet Geant4-DNA, nous avons développé une application complète de simulation mécanistique des dommages radio-induits à l’ADN, afin d’explorer davantage cette hypothèse. Avec cette application, on a irradié un modèle du génome d’E. coli, montrant que pour l’irradiation par des électrons d’énergies > 10 keV, le rendement des cassures double brin est de 0,006 – 0,010 CDB Gy-1 Mbp-1, selon le modèle de piégeage des radicaux chimiques. Ce résultat est en accord avec des données expérimentales, et souligne plus encore que les radiations ionisantes d’origine naturelle n’ont qu’une contribution mineure aux mutations responsables de l’évolution. / All life on earth has adapted to an environment where there is a small, persistent, radiation background interacting with cells. Unlike evaluating the clearly harmful effects of high radiation doses, understanding the effects of this low persistent radiation dose on living systems is incredibly difficult. We have attempted to study whether background radiation is an important factor in evolution by conducting identical evolution experiments with Escherichia coli in the Clermont-Ferrand Particle Physics Laboratory and the Modane Underground Laboratory. Despite a 7.3 fold difference in the rate of interactions between the radiation background and cells between the two environments, no significant difference was found in the competitive fitness of the cell populations grown at each location. Using simulations, we showed that the rate at which ionising radiation interacts with cells is one hundred times less frequent than E. coli’s mutation rate in our experimental conditions, supporting the contention that natural radiation has no strong evolutionary effect. To further support this conclusion, we developed a mechanistic simulation for DNA damage as part of the Geant4-DNA project. Using this application, we irradiated a model of an E. coli genome, showing that for electron irradiation > 10 keV, the double strand break yield can be reasonably estimated to be between 0.006 – 0.010 DSB Gy-1 Mbp-1, depending upon the modelling of radical scavenging. This is in agreement with experimental data, further highlighting the small role natural ionising radation plays as a cause of mutations.

Le risque potentiel de cancer induit par les irradiations mammographiques est sujet de santé publique majeur, d’intérêt médical et scientifique. Le but de ce travail a été de quantifier les cassures double-brin (CDB) de l’ADN en conditions exactes d’irradiations mammographiques. Cette quantification a été effectuée sur des cellules épithéliales mammaires non transformées issues de biopsies échoguidées en tissu sain en utilisant l’immunofluorescence de la protéine histone H2AX phosphorylée (γH2AX), avant, 10 min et 24 h après irradiation . Deux populations de patientes ont été incluses dans l’étude 19 sans antécédent familial de cancer du sein et/ou de l’ovaire (faible risque, FR) et 11 à haut risque identifié par le généticien avec ou sans mutation (haut risque, HR). En effet, les gènes mutés suppresseurs de tumeurs (BRCA1, BRCA2, CHK2, ATM, p53, PTEN) sont également impliqués dans la signalisation et/ou réparation des CDB. Spontanément, les patientes HR ont montré significativement plus de CDB spontanées que les LR. Trois effets radiobiologiques majeurs ont été mis en évidence : 1) Un effet de la dose, plus important chez les HR ; 2) Une augmentation significative du nombre de foci γH2AX entre 10 min et 24 h après irradiation ; 3) Un effet de répétition de dose, plus marqué chez les HR. Ces constatations devraient conduire à la ré-évaluation des séquences de dépistages mammographiques dans les populations où le bénéfice en terme de mortalité n’a pas été prouvé, comme dans la tranche d’âge des 40-49 ans et dans la surveillance des patientes où sont recommandées de façon annuelle IRM et mammographie dès l’âge de 30 ans ou 35 ans, les hauts risques et les femmes aux antécédents d’irradiation thoracique dans l’enfance, l’adolescence ou jeune adulte. Une seule incidence mammographique en dépistage pourrait être préconisée en dépistage dans l’attente de travaux radiobiologiques complémentaires évaluant la carcinogenèse éventuelle des irradiations mammographiques / The potential risk of cancer induced by radiation mammography is a major public health issue, medical and scientific interest. The purpose of this study was to quantify the double-strand break (DSB) DNA in exact terms of mammographic radiation. This quantification was performed on untransformed mammary epithelial cells from ultrasound-guided biopsies in healthy tissue using fluorescent protein phosphorylated histone H2AX (γH2AX) before, 10 min and 24 h after irradiation. Two patient populations were included in the study : 19 with no family history of breast cancer and/or ovarian cancer (low risk, LR) and 11 high-risk identified by the geneticist with or without mutation (high risk, HR). Indeed, mutated tumor suppressor genes (BRCA1, BRCA2, CHK2, ATM, p53, PTEN) are also involved in signaling and/or repair of DSBs. Spontaneously, patients showed significantly higher HR of DSBs that spontaneous LR. Three major radiobiological effects were highlighted : 1) A dose low effect, higher in HR; 2) A significant increase in the number of γH2AX foci from 10 min to 24 h after irradiation; 3) An effect of repeated doses more pronounced in HR. These findings should lead to re-evaluate mammographics procedures in screnning in populations where the benefit in term of mortality has not been proved, as women with high familial risk, in the age of group of 40-49 years, and in women treated with chest radiation for childhood, adolescent, or young adult cancer. A single mammographic view could be indicated. Further works assessing the possible carcinogenesis effects of mammographic irradiations will be necessary