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

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles. / Anti-infectives are used to treat or prevent infections in humans, animals, insects and plants. The occurrence of traces of these substances in wastewaters, natural waters and even drinking water has caused concern among the scientific community especially because of their biological activiy. The goal of this research was to study the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters (wastewaters, natural waters, and drinking water) and to develop new analytical methods able to quantitate and confirm their presence in these matrices. A meta-analysis on the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters demonstrated that at least 68 parent compounds and 10 transformation products have been quantified to date. Environmental concentrations vary between 0.1 ng/L and 1 mg/L depending on the compound, the matrix and the source of contamination. According to this study, detrimental effects of anti-infectives on aquatic biota are possible and these substances could also affect indirectly human health because of their possible contribution to the dissemination of antibiotic resistance in bacteria. Preliminary tests on the development of a method of determination of anti-infectives in wastewaters showed the main difficulties to overcome during solid-phase extraction (SPE) as well as the importance of the detector selectivity. A novel method of determination of anti-infectives was described using off-line tandem SPE and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Six target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin and azithromycine) were quantitated at concentrations between 39 and 276 ng/L in samples of influent and effluent collected from a primary and physico-chemical wastewater treatement plant. Reported effluent concentrations indicate that the mean mass of these substances discharged daily in the St. Lawrence River was ~ 2 kg. In order to reduce total analysis time and simplify sample preparation, a new on-line SPE-LC-MS/MS was presented. This method used a column-switching technique to preconcentrate 1.00 mL of sample in an on-line SPE column. Method analytical performance allowed the quantitation of six anti-infectives in municipal wastewaters and limits of detection were of the same magnitude (13-60 ng/L) than methods based in offline SPE. Next, the application of turbulent flow chromatography on-line SPE columns for the preconcentration of six anti-infectives in wastewaters was explored. Results showed that these columns are an interesting alternative to traditional on-line SPE columns. Finally, in order to allow analysis of anti-infectives in surface and drinking water, we developed an on-line SPE-LC-MS/MS method using large-volume injections (10 mL). Breakthrough volumes of several on-line SPE columns were estimated and the column having the best retention, Strata-X, was chosen. Method detection and confirmation limits were between 1 and 6 ng/L. Analysis of real samples indicated that the concentration of the three target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim and clarithromycin) was lower that the method detection limits. Accurate mass measurement by time-of-flight mass spectrometry and product ion spectra obtained by a reversed-energy ramp in a triple quadrupole mass spectrometer were explored as alternative confirmation methods.

En raison de la diffusion incontrôlée sur le e-commerce, la sécurité et l’alternative légale aux stupéfiants habituels, les nouvelles substances psychoactives (NPS), d’apparition récente (2008), sont au cœur des phénomènes récents d’addiction et de décès mal expliqués. Au-delà des différents défis dans nos sociétés (prévention, législation), la capacité d’identifier les NPS dans des échantillons biologiques pour caractériser leur utilisation, présente de nombreux challenges analytiques. L’objectif principal de cette thèse a été de collecter des échantillons biologiques (sang, urine, cheveux) provenant de cas d’exposition à des NPS et d’y caractériser les substances présentes à l’aide de méthodes analytiques originales, dans le but d’enrichir les librairies de spectres de masse et d’améliorer, en conséquence, la détection de la consommation de NPS. En particulier, il s’agissait d’augmenter la fenêtre de détection de la prise de NPS en se focalisant sur les métabolites qui sont, le plus souvent, les produits majeurs d’élimination. Le développement analytique, par chromatographie liquide ultra haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (UHPLC-MS/MS), a demandé plusieurs mois d’optimisation afin d’obtenir une méthode robuste, exhaustive et sensible. Actuellement, la librairie de spectres MS comporte 114 NPS et est mise à jour régulièrement. A la suite de ce développement, ma thèse a porté sur l’étude de cas d’intoxication vus au service des urgences du CHU de Strasbourg, mais aussi en médecine légale, avec des situations de décès et d’identification de produits inconnus provenant de saisies (poudres et cristaux). Il a également été nécessaire de développer des outils analytiques complémentaires, tels que la caractérisation de métabolite(s) par étude sur microsomes hépatiques humains (HLMs), et l’utilisation de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) afin d’identifier avec certitude certains composés et de déterminer leur degré de pureté. Les outils analytiques développés et la stratégie mise en place ont permis la rédaction de 18 publications, ainsi que l’agencement de nombreuses collaborations. / Due to the uncontrolled spread on the Internet and their legal alternative to usual drugs, the new psychoactive substances (NPS), recently appeared (2008), are at the center of recent phenomena of addiction and badly explained deaths. Beyond different challenges in our societies (prevention, legislation), the ability to identify NPS in biological samples, in order to characterize their use, presents many analytical challenges. The main objective of this thesis was to collect biological samples (blood, urine, hair) from cases of exposure to NPS and to characterize the substances present using original analytical methods, in order to enlarge the libraries of mass spectra and improve, as a result, the detection of NPS consumption. In particular, it was intended to increase the detection sensitivity of NPS intake by focusing on the metabolites that are often the major products of elimination. This analytical development, by ultra-high liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS), required several months of optimization in order to obtain a robust, exhaustive and sensitive method. At present, the mass spectra database has 114 NPS and is regularly updated. Thereafter, ma thesis focused on the study of cases of intoxication observed in the emergency department of Strasbourg, but also in legal medicine with situations of deaths and identification of unknown products collected from seizures (powders and crystals). It has also been necessary to implement complementary analytical tools, such as the characterization of metabolites by human liver microsomes (HLMs), and the use of nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to accurately identify the compounds and establish their purity degrees. The analytical tools developed, and the strategy adopted, allowed the writing of 18 publications, as well as the setting up of numerous collaborations.

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles. / Anti-infectives are used to treat or prevent infections in humans, animals, insects and plants. The occurrence of traces of these substances in wastewaters, natural waters and even drinking water has caused concern among the scientific community especially because of their biological activiy. The goal of this research was to study the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters (wastewaters, natural waters, and drinking water) and to develop new analytical methods able to quantitate and confirm their presence in these matrices. A meta-analysis on the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters demonstrated that at least 68 parent compounds and 10 transformation products have been quantified to date. Environmental concentrations vary between 0.1 ng/L and 1 mg/L depending on the compound, the matrix and the source of contamination. According to this study, detrimental effects of anti-infectives on aquatic biota are possible and these substances could also affect indirectly human health because of their possible contribution to the dissemination of antibiotic resistance in bacteria. Preliminary tests on the development of a method of determination of anti-infectives in wastewaters showed the main difficulties to overcome during solid-phase extraction (SPE) as well as the importance of the detector selectivity. A novel method of determination of anti-infectives was described using off-line tandem SPE and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Six target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin and azithromycine) were quantitated at concentrations between 39 and 276 ng/L in samples of influent and effluent collected from a primary and physico-chemical wastewater treatement plant. Reported effluent concentrations indicate that the mean mass of these substances discharged daily in the St. Lawrence River was ~ 2 kg. In order to reduce total analysis time and simplify sample preparation, a new on-line SPE-LC-MS/MS was presented. This method used a column-switching technique to preconcentrate 1.00 mL of sample in an on-line SPE column. Method analytical performance allowed the quantitation of six anti-infectives in municipal wastewaters and limits of detection were of the same magnitude (13-60 ng/L) than methods based in offline SPE. Next, the application of turbulent flow chromatography on-line SPE columns for the preconcentration of six anti-infectives in wastewaters was explored. Results showed that these columns are an interesting alternative to traditional on-line SPE columns. Finally, in order to allow analysis of anti-infectives in surface and drinking water, we developed an on-line SPE-LC-MS/MS method using large-volume injections (10 mL). Breakthrough volumes of several on-line SPE columns were estimated and the column having the best retention, Strata-X, was chosen. Method detection and confirmation limits were between 1 and 6 ng/L. Analysis of real samples indicated that the concentration of the three target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim and clarithromycin) was lower that the method detection limits. Accurate mass measurement by time-of-flight mass spectrometry and product ion spectra obtained by a reversed-energy ramp in a triple quadrupole mass spectrometer were explored as alternative confirmation methods.

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