Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La gestion de la résistance aux insecticides et plus particulièrement aux pyréthrinoïdes chez les vecteurs du paludisme est un enjeu majeur pour conserver les acquis de la lutte antivectorielle contre le paludisme. Parmi les mécanismes de résistance, de nombreux travaux ont porté sur les mutations de la cible insecticides (kdr) ou encore les enzymes qui métabolisent les molécules insecticides. La résistance cuticulaire chez Anopheles gambiae a jusqu'à ce jour au mieux été suspectée mais pas démontrée. Dans ce cadre, le but de ce travail était donc de déterminer i) s’il y a une implication de la cuticule dans le phénotype résistant d’Anopheles gambiae aux pyréthrinoïdes ; ii) de déterminer les principaux acteurs de cette résistance. Nous avons construit une souche d’Anopheles gambiae présentant un phénotype résistant (MRS) mais ne portant pas la mutation kdr. Notre approche a été d’étudier l’expression des gènes, mais aussi celle des protéines de la cuticule et celles intervenant dans la détoxication. L’ultrastructure de la cuticule, sa composition en chaines hydrocarbonées ainsi que sa perméabilité à la deltaméthrine ont aussi été testés. Nous avons montré que la cuticule est impliquée dans le phénotype résistant plus particulièrement en réduisant significativement la pénétration de la deltaméthrine dans le corps de l’insecte. La structure même de la cuticule est profondément modifiée chez MRS. Nos résultats indiquent l’implication des membres de la famille CPAP3 dans la résistance cuticulaire et probablement des chaines hydrocarbonées. Des enzymes métaboliques sont également impliqués. Au cours de ce travail, nous avons démontré l’existence de la résistance cuticulaire chez An.gambiae, ce mécanisme agit de concert avec les mécanismes de détoxication. La caractérisation des différents acteurs nous permettra surement de trouver de nouvelles cibles pour la lutte anti-vectorielle.Mots clés : Résistance, cuticule, An.gambiae, deltaméthrine, ultrastructure, perméabilité, protéines / The management of Anopheles insecticide resistance, especially to pyrethroids, is a key challenge to preserve success of vector control against malaria. Among resistance mechanisms target site mutation (kdr) and metabolic resistance are well known. Cuticular resistance in malaria vectors has been overlooked, just suggested but not established so far. The aim of this PhD work was to demonstrate i) the involvement of cuticle in pyrethroid resistance in An. gambiae; ii) to determine which components act on this mechanism. To achieve this, we built An.gambiae strain resistant to pyrethroids and free of kdr mutation (MRS). We studied both cuticular and metabolic genes and proteins expressions by transcriptomic and proteomic approaches. Cuticle ultrastructure and biochemical composition were also investigated. At least, cuticle permeability to deltamethrin was also assessed. Our results showed that cuticle is involved in resistant phenotype in An.gambiae. MRS cuticle reduces insecticide uptake in the mosquito’s body linked to an increasing cuticle thickness in MRS. Expression and chemical studies revealed that CPAP3 family and epicuticular hydrocarbons takes part in this process. This work also suggested that metabolic enzymes act together with cuticular mechanism to resistant phenotype. How the different components interacts could improve our knowledge of resistance and bring new target for vector control.Keywords: Resistance, cuticle, An.gambiae, deltamethrin, ultrastructure, permeability, proteins

Les différentes techniques d'extraction et d'analyse existant pour étudier les insecticides contenus dans le miel ne permettent pas toujours d'atteindre de faibles limites de détection. Or, pour évaluer la toxicité des pesticides, des valeurs de limites de détection de l'ordre du ng/g doivent être obtenues. L'objectif de ce travail a été de développer des méthodes d'extraction et d'analyse compatibles avec différents types de miels (miels de nectars et de miellats, monofloraux et multifloraux) et permettant de rechercher 25 insecticides d'intérêt appartenant à 3 familles (nicotinoïdes, pyréthrinoïdes et pyrazoles,), avec des limites de détection les plus faibles possibles et en éliminant au maximum les interférences liées à la matrice. Après comparaison de différentes méthodes d'extraction, la technique retenue est basée sur la méthode QuEChERS EN 15662, qui consiste en une extraction et une purification à l'aide de sels adaptés à la matrice et aux composés à extraire. Les analyses ont ensuite été effectuées en chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse en tandem (GC-MS²), pour les pyrazoles et les pyréthrinoïdes, et en chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS²) pour les nicotinoïdes et un pyrazole, les réglages des appareils devant être optimisés pour permettre d'obtenir une limite de détection très basse. Les rendements d'extraction obtenus sont majoritairement compris entre 60 et 140%. Les méthodes développées sont spécifiques pour les miels testés. / Several extraction and analytical techniques existing to study insecticides in honey do not always allow reaching low limits of detection. However, to evaluate the toxicity of pesticides, values of limits of detection have to be close to 1 ng/g. The aim of this work was to develop extraction and analytical methods compatible with various types of honey (nectars and honeydews, monofloral and multifloral) and allowing to look for 25 insecticides belonging to 3 families (nicotinoids, pyrethroids and pyrazoles), with the lowest possible limits of detection and eliminating the maximum interference due to the matrix. After comparison of different extraction methods, the reserved technique is based on the QuEChERS EN 15662 method, which consists of an extraction and a purification with mixtures of salts adapted to the matrix and to the compounds to be extracted. Analysis were then performed using gas chromatography coupled with tandem mass spectrometry (GC-MS²) for the pyrazoles and the pyrethroids, and using high performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS²) for the nicotinoids and one pyrazole. Device settings have to be optimized to obtain a very low limit of detection. The mean extraction yields were typically between 60 and 140%. The methods are specific for tested honeys. These methods are applicable to analyze commercial honeys and allow reaching limits of detection between 0.2 and 0.7 ng/g. In practice, the dosage of these 3 families in different types of honeys, at low concentrations can be made in routine in an analysis laboratory.

La perméthrine fait partie de la famille des pyréthrinoïdes qui sont abondamment utilisés en agriculture. Le but de cette étude était d'obtenir des données sur la cinétique des biomarqueurs d'exposition à la perméthrine en condition réelle d'exposition chez les travailleurs agricoles. Douze travailleurs (un applicateur, un superviseur et dix cueilleurs) exposés à la perméthrine dans le cadre de leur emploi ont été recrutés dans une ferme maraichère de la Montérégie (Québec). Ils ont fourni toutes leurs urines sur une période de trois jours suivant le début des travaux dans un champ traité. Les trois principaux métabolites de la perméthrine, l'acide cis-/trans-3-(2,2-dichlorovinyle)-2,2-diméthylecyclopropane carboxylique (cis-/trans-DCCA) et l'acide 3-phénoxybenzoïque (3-PBA) ont été analysés par chromatographie liquide à ultra-haute performance couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol. Pour l'applicateur, une augmentation progressive des valeurs d'excrétion a été observée avec un pic unique atteint environ 30 h après le début de l'exposition d'une durée de 3,5 h suivi d'une élimination avec une demi-vie de 8 h. Pour le superviseur et l'un des cueilleurs, les profils d'excrétion de trans-DCCA et de 3-PBA étaient compatibles avec de multiples entrées dans la zone traitée pendant la période d'échantillonnage accompagné d'une élimination rapide entre les épisodes d'exposition.L'applicateur aurait été exposé indirectement par contact main-bouche, alors que les autres travailleurs auraient été exposés par la voie cutanée. Pour une surveillance biologique adéquate, nous recommandons de mesurer deux biomarqueurs de la perméthrine, soit le trans-DCCA et le 3-PBA et de prendre un minimum de trois échantillons urinaires, un avant et deux pendant ou suivant la période d'exposition. / Permethrin is a synthetic pyrethroid insecticide widely used in agriculture worldwide. This study aimed at obtaining data on the time courses of biomarkers of exposure to permethrin in agricultural workers following typical exposure conditions. Twelve workers (an applicator, a supervisor and ten harvesters) exposed to permethrin were recruited from a corn production farm in the Montérégie (Quebec). They provided all their urine voided over a period of three days following the onset of a spraying episode of permethrin or work in a treated area. Three major metabolites of permethrin, cis-/trans-3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2-dimethylycyclopropane carboxylic acid (cis-/trans-DCCA) and 3-phenoxybenzoic acid (3-PBA) were analyzed by ultra-high performance liquid chromatography coupled to quadripole time-of-flight mass spectrometry (UHPLC/Q-TOF MS). For the applicator, a progressive rise in excretion values was observed with a single peak being reached about 30 h following the onset of the 3.5 h exposure and ensuing elimination with a half-life of 8 h. For the supervisor and one harvester excretion profiles of trans-DCCA and 3-PBA were more compatible with multiple entries in the treated area during the 3-day sampling period and rapid elimination between exposure episodes. The applicator would have been indirectly exposed by hand-to-mouth contact, while other workers would have been exposed by the dermal route. Time-dependent variability in excretion values of workers confirms the need for serial urine sampling of at least two biomarkers of exposure for routine biomonitoring, with minimally pre-exposure, end-of-shift sample the day of the onset of exposure and following morning void.

L'étude du comportement dynamique des substances actives pendant l'épandage de produits insecticides ménagers commerciaux dans les atmosphères intérieures nécessite le développement et l'adaptation de procédures analytiques de mesure en ligne ayant une résolution temporelle élevée. Un HS-PTR-MS et un HR-ToF-AMS ont par conséquent été utilisés pour mesurer les contaminants à la fois en phase gazeuse et particulaire. Les substances actives ciblées par cette étude appartiennent à la famille des pyréthrinoïdes, présentes dans différentes formulations commerciales du type diffuseurs électriques et sprays aérosols, qui ont été appliqués dans une pièce d'étude simulant une atmosphère réelle dans la maison expérimentale MARIA du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment. Les résultats de ces mesures montrent des pics de concentration compris entre 1,5 et 8,5 µg.m-3, après 8 heures de branchement des diffuseurs électriques. Les pics de concentration des substances actives après l'application des sprays peuvent atteindre plusieurs dizaines de µg.m-3. La ventilation et la sédimentation des aérosols apparaissent comme des mécanismes majeurs d'élimination des polluants du compartiment air. Par ailleurs, une distribution importante des substances actives avec les surfaces de la pièce (murs, sol, plafond, particules en suspension et poussières) est observée. L'évaluation de l'exposition par inhalation aux produits insecticides étudiés montre qu'il n'existe a priori pas de risque pour la santé. Néanmoins, une évaluation intégrée, prenant en compte toutes les voies d'exposition est nécessaire avant de conclure à une absence de risque sanitaire. / The study of the dynamic behaviour of the active substances during the application of commercial household insecticide products in indoor atmospheres requires the development of the adaptation of on-line analytical procedures with high time resolution. A HS-PTR-MS and a HR-ToF-AMS have therefore been used to measure contaminants both in the gaseous and particulate phase. The active substances targeted by this study belong to the pyrethroids, which are present in different commercial formulations like electric vaporizers and sprays that were applied in a full-scale test room simulating a real atmosphere in the experimental house MARIA of the French scientific and technical centre for building. The results of these measurements show that peak concentrations during a 8h-emission of electric vaporizers range from 1,5 et 8,5 µg.m-3. The peak concentrations of active substances during spraying can reach several dozens of µg.m-3. Ventilation and deposition of aerosols are major elimination mechanisms of pollutants from the air compartment. Moreover, an important distribution of active substances with the surfaces of the room (walls, floor, ceiling, suspended particles and dust) is observed. The evaluation of inhalation exposure to the studied insecticide products show that adverse effects are not likely to occur. Nevertheless, to conclude that these products are safe, it is necessary to perform an integrated evaluation, taking into account all exposure routes.

Chez les abeilles domestiques, les neurones à récepteurs olfactifs hébergés dans les antennes sont des neurones sensoriels primaires responsables de la détection des odeurs et des phéromones. L'information olfactive est ensuite acheminée par les nerfs antennaires jusqu'aux lobes antennaires qui constituent le premier étage d'intégration de l'information olfactive. Les abeilles butineuses sont exposées aux insecticides, notamment ceux de la classe des pyréthrinoïdes, qui sont utilisés pour la protection des plantes et la lutte contre les insectes considérés comme étant nuisibles.Nous avons caractérisé l'effet des pyréthrinoïdes sur les canaux sodiques activés par le potentiel (responsables des potentiels d'action) dans les deux premiers étages du système olfactif de l'abeille. Nos enregistrements électrophysiologiques en mode potentiel imposé dans les neurones à récepteurs olfactifs mis en culture révèlent que l'effet des pyréthrinoïdes de type I et II (notamment la tétraméthrine et la deltaméthrine) est amplifié par une intensification de l'activité électrique neuronale. Cette amplification survient notamment via le démasquage de canaux sodiques silencieux que nous avons également mis en évidence avec la toxine d'anémone de mer ATX-II. Le niveau maximal de canaux sodiques modifiés est atteint en quelques centaines de millisecondes. Dans les neurones centraux des lobes antennaires, cette amplification apparait très limitée voire absente avec les pyréthrinoïdes mais elle peut toutefois survenir en présence de l'alcaloïde végétal vératridine. Par ailleurs, dans ces neurones centraux, les pyréthrinoïdes semblent être à l’origine d’une accélération de l'inactivation lente des canaux sodiques auparavant décrite en présence de certains anesthésiques locaux. Les modifications différentielles observées dans les neurones périphériques et centraux pourraient être responsables des effets délétères des pyréthrinoïdes sur les capacités de perception, d'orientation et d'apprentissage de l'abeille domestique. / In domestic honeybees, the olfactory receptor neurons localized in the antennae are primary sensory neurons responsible for the detection of odor and pheromone compounds. The olfactory information is further conveyed to the antennal lobes by the antennal nerves. The antennal lobes are the first stage of integration of the olfactory information. Forager bees are exposed to insecticides, especially pyrethroids that are used for plant protection and eradication of pests.In the honeybee olfactory pathway, we investigated the effects of pyrethroids on the voltage-gated sodium channels (which underlie action potentials). Our patch-clamp recordings in the antennal olfactory receptor neurons maintained in cell culture reveal that the effects of type I and type II pyrethroids (e.g. tetramethrin and deltamethrin) are increased by an augmentation of neuronal electrical activity. The amplification of the effects of pyrethroids occurs as a result of the unmasking of silent sodium channels that we have also shown evidence for, with sea anemone toxin ATX-II. The maximal sodium channels modification takes place within few hundreds of milliseconds. In the central antennal lobe neurons, that amplification is rather limited or absent with pyrethroids but the plant alkaloid veratridine is able to induce such an amplification. Furthermore, in the latter cell type, pyrethroids cause an acceleration of the sodium channels slow inactivation. Such an effect has been previously reported for some local anesthetics. The differential actions of pyrethroids that we have observed in the peripheral and central neurons may be responsible for the impairment of learning performance, perception and disorientation exhibited by pyrethroid-exposed honeybees.

Les pyréthrinoïdes et les organophosphorés sont des pesticides très utilisés, à l’origine d’une imprégnation forte de la population, exposée à ces contaminants principalement via l’alimentation. De plus en plus d’études scientifiques suggèrent des liens entre l’exposition à ces composés et des maladies chroniques ou des troubles du développement de l’enfant. Paradoxalement, leur devenir biologique chez l’homme est mal connu. Certaines études suggèrent que ces insecticides sont susceptibles d’intéragir avec les transporteurs membranaires ABC et SLC, protéines localisées au niveau d’interfaces hémato-tissulaires qui prennent en charge de nombreux substrats endogènes, médicaments et contaminants de l’environnement. L’objectif de notre étude a été de caractériser les effets d’insecticides des familles des pyréthrinoïdes et des organophosphorés sur l’activité de nombreux transporteurs ABC et SLC prenant en charge des médicaments (P-gp, BCRP, MRPs, OATP-1B1,-2B1,-1B3, OCT1-3, OAT1, OAT3, MATE1 et MATE2K) par une approche in vitro. Nous nous sommes également attachés à caractériser par des expérimentations in vitro et in silico, les mécanismes des interactions et les éléments structuraux des pesticides à l’origine de ces effets. Nous avons montré que de nombreux organophosphorés et pyréthrinoïdes étaient capables d’inhiber des transporteurs d’efflux (MRP, BCRP, P-gp) et d’influx (OATP1B1, OAT3, MATE1, OCT1-2) et de stimuler l’activité de certains OATPs. Les pesticides testés inhibaient très fortement l’activité des transporteurs de cations (OCT1 et OCT2) et ont pu bloquer le transport de catécholamines médiés par ces protéines. Une approche qSAR a permis de définir des paramètres physicochimiques associés aux effets modulateurs des pesticides et une approche d’amarrage moléculaire (docking) a mise en évidence les sites de liaisons de la P-gp impliquées dans ces interactions. Les conséquences des modulations de l’activité des transporteurs, en termes d’effets toxiques et d’interactions médicamenteuses, restent à définir pour les populations exposées à de fortes doses de pesticides. Toutefois, la contribution des interactions observées aux effets toxiques de ces insecticides est peu probable car nécessitant des concentrations nettement supérieures à celles atteintes dans le cadre d’une exposition environnementale de la population générale. / The general population is chronically exposed to pyrethroids and organophosphorus insecticides, mainly through alimentation. Several epidemiological studies have found an association between non-occupational exposure to these pesticides and chronic diseases and developmental disorders. Paradoxically, their biological fate in humans is poorly understood. Some studies suggest that these insecticides could interact with ABC and SLC membrane transporters. These membrane proteins, located at blood-tissue interfaces (liver, kidney, intestine ...), handle many endogenous substrates, drugs and pollutants. The objective of our study was to characterize, using an in vitro approach, the effects of pyrethroid and organophosphorus insecticides on the activity of numerous ABC and SLC human drug-transporters (P-gp, BCRP, MRPs, OATP-1B1, -2B1, -1B3, OCT1-3, OAT1, OAT3, MATE1 and MATE2K). We have also tried to analyze the mechanisms of interactions and the structural requirements for insecticides-mediated modulation of drug transporters activities using in vitro and in silico approach. We have shown that many organophosphorus and pyrethroids are able to inhibit ABC (MRP, BCRP, P-gp) and SLC (OATP1B1, OAT3, MATE1, OCT1-2) transporters and can stimulate the activity of some OATPs. Moreover, the tested pesticides inhibited very strongly the activity of OCT1 and OCT2 and blocked catecholamine transport mediated by these transporters. A qSAR approach allowed to define physicochemical parameters associated with the modulating effects of pesticides and a molecular docking approach revealed the P-gp binding sites involved in these interactions. The consequences of transporter activitie modulation, in terms of toxic effects and drug interactions, remain to be defined for populations exposed to high doses of pesticides, occurring notably in response to poisoning. However the alterations of these transporter activities by insecticides are unlikely to contribute to organophosphorus or pyrethroids toxicities of chronic low-dose exposure.