La viande rouge est un facteur de risque du cancer colorectal, considérée comme probablement cancérigène chez l'Homme. Le lien entre la viande rouge et le cancer colorectal impliquerait la lipoperoxydation induite par le fer héminique, aboutissant à la formation d'aldéhydes cytotoxiques présents dans les eaux fécales des rats ayant consommé de l'hème, dont le 4-hydroxynonénal (HNE). Ces eaux fécales ont préférentiellement induit la mort cellulaire dans des cellules coliques murines normales plutôt que dans des cellules coliques murines mutées pour le gène APC (adenomatous polyposis coli), considérées comme prénéoplasiques. Cette résistance des cellules prénéoplasiques est associée à une activité plus élevée du Nrf2 (Nuclear factor (erythroid-derived)-like 2) par rapport aux cellules normales, mise en evidence par l'invalidation du Nrf2. Afin de valider l'importance des aldéhydes néoformés derives de la lipoperoxydation, nous avons optimisé la depletion des composes carbonyls dans les eaux fécales qui a aboli le différentiel de mortalité entre les cellules normales et prénéoplasiques. En utilisant des cellules épithéliales coliques humaines (CECH) afin de se rapprocher de la physiologie humaine, nous avons confirmé que le HNE et les eaux fécales des rats ayant consommé de l'hème ont aussi induit une mortalité plus élevée dans les CECHs normales que dans celles invalidées pour APC ; et qu'une activité de Nrf2 plus élevée est aussi observée dans ces dernières. L'autophagie, dont le niveau est plus élevé dans les CECHs invalidées pour APC, exercerait des effets protecteurs contre la toxicité du HNE et des eaux fécales en activant Nrf2. Globalement, nos résultats suggèrent que le Nrf2 et l'autophagie seraient impliqués dans la résistance des cellules prénéoplasiques suite à une exposition aux eaux fécales des rats ayant consommé de l'hème. Ce différentiel de résistance pourrait expliquer l'effet promoteur de la viande rouge sur la cancérogenèse colorectale, en établissant une sélection positive des cellules prénéoplasiques au détriment des cellules normales. / Red meat is a factor risk for colorectal cancer, considered as probably carcinogenic to humans. Red meat is associated to colorectal cancer through the oxidative properties of heme iron released in the colon. This latter is a potent catalyst for lipid peroxidation, resulting in the neoformation of deleterious aldehydes present in the fecal water of heme-fed rats, including 4-hydroxynonenal (HNE). Fecal water of heme-fed rats preferentially induced mortality in mouse normal colon epithelial cells than in those harboring mutation on APC (adenomatous polyposis coli) gene, considered as preneoplastic. This relative resistance of preneoplastic cells to fecal water of heme-fed rats was associated with their higher activity of Nrf2 (Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2) compared to normal cells, as evidenced by Nrf2 invalidation. To investigate the importance of secondary aldehydes derived from lipid peroxidation, depletion of carbonyl compounds in the fecal water was optimized and this turned out to abolish the difference of mortality between normal and preneoplastic cells. By using human colon epithelial cell (HCEC) lines to approach human physiology, we confirmed that HNE and fecal water of heme-fed rats also induced higher mortality in normal HCECs compared to APC-invalidated HCECs, and that higher Nrf2 activity in APC-invalidated HCECs was also associated with such a difference. Furthermore, autophagy, found to be up-regulated in APC-invalidated HCECs, was suggested to exert protective effects against HNE and fecal water toxicity by activating Nrf2. Taken together, these findings suggest that Nrf2 and autophagy were potentially involved in the resistance of preneoplastic cells upon exposure to HNE or fecal water of heme-fed rats. This different resistance could explain the promoting effect of red meat and heme-enriched diet on colorectal cancer, by initiating positive selection of preneoplastic cells over normal cells.

Le 4-hydroxy-2-nonénal (HNE), un aldéhyde --insaturé, produit secondaire de la peroxydation des acides gras polyinsaturés en n-6 qui est cytotoxique et génotoxique in vitro. Cet aldéhyde a été largement étudié dans divers états pathologiques dans lesquels sa formation est la conséquence d’un stress oxydant associé à un état inflammatoire. Cependant, outre sa formation endogène, le HNE peut également être formé à partir des lipides alimentaires, entraînant sa présence dans les aliments mais également sa néoformation dans le tractus digestif. Ainsi, le rôle du HNE est suspecté dans la cancérogénèse colorectale induite par le fer héminique. L’effet promoteur du fer héminique, présent en grande quantité dans la viande rouge, a été démontré dans des modèles animaux, aux stades prénéoplasique et tumoral et a également été associé à la lipoperoxydation luminale. Ce travail a eu pour vocation la caractérisation du métabolisme du HNE alimentaire et l’étude de son rôle dans la cancérogénèse colorectale associée à la consommation de viande rouge, en explorant un possible effet proinflammatoire. Au préalable, nous avons démontré expérimentalement l’effet initiateur du fer héminique dans la cancérogénèse colorectale en plus de l’effet promoteur déjà validé. Concernant l’étude de métabolisme, nous avons identifié et caractérisé les métabolites du HNE présents dans l’urine suite à une exposition par voie orale chez le rat grâce à une méthode de suivi isotopique. Les voies majeures de métabolisation du HNE ont été identifiées et quantifiées. De plus, de nouveaux métabolites urinaires tel que des conjugués thiométhyles et glucuronides ont été mis en évidence pour la première fois. Les études de cancérogénèse ont porté sur les effets co-initiateurs ou promoteurs des régimes. De plus, les liens entre l’inflammation et le cancer du côlon étant souvent évoqués dans la littérature, nous avons également testé les effets du HNE sur l’inflammation colique. Au cours d’études court terme chez le rat F344, nous avons démontré l’absence d’effet du HNE sur l’inflammation et la perméabilité colique. Dans l’étude de co-initiation testant l’effet d’un régime alimentaire contenant du fer héminique ou du HNE pendant 15 jours suivi d’une initiation chimique par l’azoxyméthane, nous avons démontré pour la première fois un effet co-initiateur du fer héminique mais pas du HNE sur la cancérogénèse colorectale, au stade prénéoplasique. Dans l’étude de promotion de la cancérogénèse colorectale sur rats chimio-induits, nous avons également démontré une absence d’effet au stade prénéoplasique d’un régime riche en HNE donné pendant 100 jours après la chimio-induction. En conclusion, cette thèse apporte : (i) une description précise des métabolites urinaires du HNE absorbé par voie orale, (ii) une première démonstration expérimentale de l’effet co-initiateur du fer héminique sous forme hémine, (iii) une démonstration de l’absence d’effet du HNE seul et aux doses testées sur la cancérogénèse colorectale et l’inflammation colique. / This thesis focuses on 4-hydroxynonenal (HNE), an --unsaturated aldehyde by-product of polyunsaturated fatty acids n-6 peroxidation, which is demonstrated to be cytotoxic and genotoxic in vitro. This aldehyde has been extensively studied in various pathological conditions in which its formation is the result of oxidative stress associated to inflammation. However, in addition to its endogenous formation, the HNE can also be formed from dietary fats, leading to its presence in food but also to its new formation in the digestive tract. The role of HNE is suspected in heme iron induced colorectal carcinogenesis. Indeed, it has been experimentally shown that heme iron, found in large amounts in red meat, increases the incidence of preneoplastic lesions in animal models concomitantly with luminal lipoperoxidation. This work aims at characterizing the metabolism of dietary HNE and at studying its role in colorectal carcinogenesis associated with red meat consumption, because HNE is suspected to be one of reactive intermediates between heme iron and the development of this cancer. Suspected pro-inflammatory effects have also been tested. Beforehand, we have experimentally validated the initiating effect of heme iron in colorectal carcinogenesis in addition to its promoting effect already demonstrated. Regarding the metabolism study, we identified and characterized HNE metabolites in urine following oral exposure in rats using a stable isotope tracking method. The major routes of metabolism of HNE were identified as oxidation of carbons 1 and 9 (ALDH and P450 CYP 4A), - oxidation and mercapturic acids derivatives. In addition, new urinary metabolites such as glucuronide conjugates and thiomethyl were highlighted for the first time. Regarding carcinogenicity studies on the co-initiating or promoting effect of diet, we used doses of heme iron or HNE that are representative of a diet rich in meat or of a highly peroxidized diet. Furthermore, as the links between inflammation and colon cancer are often mentioned in the literature, we also tested the effects of HNE on colonic inflammation. First of all, during 2 short term studies of 2 and 3 weeks in F344 rats, we demonstrated the lack of effect of HNE on colonic inflammation and permeability. In the co-initiation study in which rats where fed for 15 days with a diet rich in heme iron or HNE, followed by chemical initiation azoxymethane, we demonstrated a co-initiating effect of heme iron but not of HNE on colorectal carcinogenesis. In the promotion study, we also have shown the lack of effect of a diet rich in HNE given for 100 days using a chemically-induced carcinogenesis model in rats. In conclusion, this thesis provides: (i) a precise description of urinary metabolites of HNE absorbed orally, (ii) a first experimental demonstration of the co-initating effect of heme iron in hemin form, (iii) a demonstration of the lack of effect of HNE on colorectal carcinogenesis and inflammation.

Le cancer colorectal est un problème de santé publique majeur à travers le monde. Les données épidémiologiques mettent en avant une association positive entre consommation de viande rouge et risque de cancer colorectal. En 2007, le fond mondial de recherche contre le cancer (WCRF) et l’institut américain de recherche contre le cancer (AICR) ont établi deux recommandations fortes qui sont de limiter la consommation de viande rouge à 500 g par semaine et d’éviter la consommation de charcuterie. Cependant, la viande rouge possède des qualités nutritionnelles intéressantes. De plus, les recommandations alimentaires sont très peu suivies par les populations appartenant aux catégories socio-professionnelles inférieures, qui consomment le plus de produits à base de viande et sont donc les plus à risque. Deux mécanismes semblent expliquer l’effet promoteur de la viande : la peroxydation des acides gras alimentaires et la formation de composés N-nitrosés, ces deux réactions étant catalysées par le fer héminique provenant de la viande rouge. Dans ce contexte, le projet SécuriViande a été mis en place afin de développer de nouveaux moyens de production qui permettraient, à terme, de diminuer le risque de cancer colorectal en inhibant les deux réactions catalysées par l’hème. Cette thèse a permis de valider expérimentalement l’association épidémiologique en montrant que la consommation de viande rouge et de charcuteries modèles induit la promotion de la cancérogenèse colorectale dans deux modèles animaux : le rat initié à l’azoxyméthane et la souris Min. De plus, mariner la viande bovine avec un mélange aqueux de raisin-olive est efficace pour diminuer le nombre de lésions précancéreuses chez le rat initié et les biomarqueurs associés à la cancérogenèse hème-induite dans les deux modèles. Cette thèse a également permis de proposer de nouveaux mécanismes pouvant expliquer l’effet promoteur de l’hème. Ainsi, le microbiote intestinal participe à la lipoperoxydation induite par le fer héminique. De plus la consommation d’hème, via la production d’aldéhydes issus de la lipoperoxydation, induit une augmentation de la perméabilité, de l’inflammation et de la génotoxicité au niveau de la muqueuse intestinale. En conclusion, cette thèse apporte : (i) une validation expérimentale de l’effet promoteur de la consommation de viande rouge et de charcuterie fraîches, (ii) un mode de prévention par la marinade de la viande bovine avec des extraits d’un mélange d’antioxydants raisin-olive, (iii) la mise en évidence de l’implication du microbiote dans la lipoperoxydation hème-induite et (iv) une meilleure caractérisation des conséquences de la consommation de fer héminique sur la muqueuse intestinale, via la formation d’aldéhydes. A terme, ces résultats pourraient être utilisés afin de mettre sur le marché des produits à base de viande plus sains vis-à-vis du risque de cancer colorectal, sans modifier les habitudes des consommateurs et ainsi de diminuer l’incidence du cancer colorectal. / Colorectal cancer is a real health issue worldwide. Epidemiological studies show positive association between red meat intake and colorectal cancer risk. In 2007, the World Cancer Research Fund (WCRF) and the American Institute for Cancer Research (AICR) made two strong recommendations: reduce fresh red meat intake less than 500 g per week and avoid cured meat. Nevertheless, red meat has nutritional interest and dietary recommendations are poorly followed by people in the lowest socio-professional category, who consume the most meat products and so who have the highest risk. Two mechanisms appear to explain promoting effect of meat: dietary fatty acids peroxidation and N-nitroso compounds formation, both reactions being catalyzed by heme iron from red meat. In this context, SécuriViande project was set up to develop new production ways which could lead to reduced colorectal cancer risk inhibiting the two reactions catalyzed by heme. This thesis has shown that fresh red meat and cured-meat intake induce colorectal carcinogenesis promotion in two animal models: azoxymethane induced-rats and Min mice. Marinate beef with an aqueous mixture of grape-olive is effective to reduce the number of precancer lesions in rats and biomarkers associated with heme-induced carcinogenesis in both models. This thesis also highlights new potential mechanisms of promoting effect of heme. Thus, microbiota is involved in heme-induced lipid peroxidation. Moreover, heme iron intake increases intestinal mucosa permeability, inflammation and genotoxicity, via aldehydes produced by lipoperoxidation. In conclusion, this thesis provides (i) an experimental validation of fresh red meat and cured meat promoting effect, (ii) a way to prevent this promoting effect by marinating beef with extracts of grape-olive antioxidants, (iii) the demonstration of microbiota involvement in heme-induced lipoperoxidation and (iv) a better characterization of heme iron intake consequences on intestinal mucosa via aldehydes formation. Ultimately, these findings could be used to market safer meat products, without changing consumer habits and so reduce colorectal cancer incidence.