Les développements actuels liés à l'ingénierie tissulaire et aux microtechnologies permettent aujourd'hui de proposer de nouveaux outils de criblages in vitro pour les études de toxicité. Nous proposons de développer une biopuce à cellules mimant un organe in vitro. Afin de valider notre approche, nous présentons l'influence du microenvironnement sur la culture de lignées cellulaires rénales (MDCK) et hépatiques (HepG2/C3A). <br />Dans cette étude, nous avons testé trois débits (0, 10 et 25 µL/min) et trois ensemencements cellulaires. Enfin, nous avons soumis notre biopuce à trois chargements de chlorure d'ammonium (0, 5 et 10 mM) afin de démontrer le potentiel de ce modèle pour de futures applications liées à la toxicité. L'activité cellulaire en biopuce a été suivie par la prolifération des cellules, les consommations de glucose et de glutamine, les productions d'albumine et d'ammoniac et enfin, par l'activité enzymatique de détoxification des CYP 1A.<br />En condition dynamique, il a été observé une augmentation des consommations et des productions cellulaires au regard des conditions statiques. L'activité de détoxification des CYP 1A a été également accrue. En présence du chlorure d'ammonium les réponses cellulaires furent similaires en biopuce au regard des conditions de culture standard en Pétri. De plus, le chlorure d'ammonium a semblé induire l'activité des CYP 1A en biopuce. <br />Par cette étude, nous montrons la pertinence de notre biopuce pour des tests de toxicité in vitro en condition dynamique. Ce nouveau modèle de culture cellulaire in vitro pourra à terme être applicable aux études de criblages dans les industries chimiques, pharmaceutiques et cosmétiques.

L'aluminium est le 3ème élément présent à la surface de la terre et le plus utilisé dans l'industrie, ainsi que dans le monde de la fabrication des ustensiles de cuisine et des emballages alimentaires, en particulier pour leur stockage et leur préparation. L'exposition de l'homme est donc inévitable et chaque jour, des taux modérés de ce métal pénètrent dans l'organisme et sont capables de s'accumuler dans certains organes. Longtemps considérée comme inoffensif, l'aluminium est considéré aujourd'hui comme un métal toxique. Le but de notre étude a été de vérifier s'il y avait une migration de l'aluminium dans les aliments, lors de leur stockage ou de leur cuisson, dans des matériaux à base d'aluminium ; d'évaluer la dose libérée d'aluminium, et de la comparer à la dose maximum admissible pour préserver la santé des populations afin d'apprécier si cette utilisation domestique de l'aluminium pouvait présenter un risque toxique potentiel en santé publique. Nous avons confirmé la libération de l'aluminium mise en contact avec des molécules chélatrices, présentes dans les aliments et testées en milieu simple ; et nous avons montré que cette solubilisation pouvait être très importante et était fonction de la nature de la molécule chélatrice, de sa concentration, de sa forme chimique et surtout de la température. Les formes salifiés étudiées (sels de K+, Na+ et Li+ de l'acide citrique, de l'acide oxalique et de l'acide lactique) nous ont permis de comprendre comment la modification d'une molécule pouvait changer la libération de l'aluminium soit par modification du pH, soit par modification de la réactivité. Nous avons également évalué l'impact de la matrice alimentaire sur la quantité d'aluminium relarguée à partir d'ustensiles de cuisine utilisés pour la conservation ou la cuisson. Différents aliments, ont été sélectionnés en fonction de leur composition en molécules chélatrices de l'aluminium. Le relargage de l'aluminium est fonction de l'aliment, de la localisation du prélèvement de l'échantillon, de la température, du temps et du type de contenant. En confrontant nos résultats aux différentes données de la littérature et en les intégrant dans le contexte des apports quotidiens et des limites de sécurité nous avons essayé de modéliser l'implication de l'aluminium, en fonction des quantités relarguées, dans notre nutrition. Ce travail nous a permis d'identifier d'éventuelles habitudes à risque, de proposer des recommandations concernant l'utilisation des ustensiles de cuisine en aluminium, de proposer un modèle cinétique et de découvrir une méthode de prétraitement permettant de réduire le transfert d'aluminium.

Du fait de leurs exceptionnelles propriétés, un très vaste champ d'applications s'ouvre aux nanotubes de carbone. La connaissance de leur toxicité est un enjeu primordial afin de connaître les risques et les dangers que ces objets représentent.Le travail présenté dans cette thèse vise à la synthèse de dérivés ayant pour but de favoriser les interactions entre les nanotubes et le milieu vivant.La synthèse d'une série de dérivés du cholestérol utilisables pour la fonctionnalisation des nanotubes de carbone a été mise au point. L'utilisation de tels dérivés a pour but de favoriser les interactions entre les objets greffés et les membranes cellulaires.Par ailleurs, de nombreux intermédiaires de synthèse présentent des propriétés mésomorphes. Celles-ci ont été étudiées au moyen de différentes méthodes telles que la microscopie optique, la calorimétrie différentielle à balayage et la diffusion des rayons X.Des nanotubes HiPco ont pu être purifiés et fonctionnalisés. L'analyse de leur cytotoxicité a été abordée, celle-ci a permis de mettre en avant une diminution de la toxicité des nanotubes greffés comparée à celles de nanotubes purifiés.

Les microcystines (MCs), hépatotoxines produites par des cyanobactéries d'eau douce, sont incriminées dans des intoxications humaines et animales. L'ingestion est leur principale voie d'exposition chez l'homme. Parmi les quelques 90 variants décrits, la MC-LR constitue le variant le plus toxique et le mieux connu sur lequel est fondé l'évaluation du risque associé aux MCs. Afin de mieux caractériser le danger pour l'homme par ingestion, nous avons choisi d'étudier et de comparer l'absorption et la toxicité de deux variants, la MC-LR et la MC-RR, sur un modèle cellulaire intestinal humain, les Caco-2. Ces deux variants, de structure quasi identique, sont connus pour leur différence de toxicité aiguë. Nous avons montré que, contrairement aux cellules hépatiques, les Caco-2 absorbent les deux variants de manière similaire. De plus, nos travaux suggèrent l'existence d'un efflux actif de la MC-LR et de la MC-RR par les Caco-2. Enfin, une étude à l'échelle pangénomique a permis de mettre en évidence des différences de réponses cellulaires, avec des atteintes plus marquées de la MC-LR sur la réponse au stress oxydant, la régulation du cycle cellulaire, le stress du réticulum endoplasmique et la dégradation des protéines. Ainsi, les mécanismes de toxicité mis en jeu par les deux variants semblent diverger. Nos travaux soulignent donc la nécessité d'obtenir de données complémentaires sur d'autres variants que la MC-LR pour affiner l'évaluation du risque associé aux MCs.

Lors de catastrophes pétrolières, l'utilisation de dispersant est une stratégie de lutte qui permet le transfert de la nappe de pétrole de la surface vers la colonne d'eau, sous forme de gouttelettes d'hydrocarbure. En milieu côtier, la dispersion d'une nappe de pétrole est une mesure controversée car la faible profondeur de la colonne d'eau ne permet pas une dissémination rapide des gouttelettes d'hydrocarbure et expose ainsi les écosystèmes aquatiques à de fortes concentrations de contaminant. Afin d'évaluer la toxicité de l'application de dispersant en zones côtières, une approche expérimentale a été menée chez des juvéniles de Liza sp. en considérant trois scenarii : (i) la dispersion mécanique de la nappe simulant une dispersion naturelle due aux conditions météorologiques ; (ii) la dispersion chimique de la nappe simulant l'application de dispersant ; (iii) l'absence de dispersion de la nappe simulant son confinement avant récupération. La toxicité de chaque condition a été évaluée au travers d'une mesure de la mortalité sur un groupe d'individu, par l'estimation des performances de nage et de la capacité métabolique au niveau de l'organisme, et par une approche multimarqueur au niveau de l'organe.La comparaison entre une nappe de pétrole non dispersée et une nappe de pétrole dispersée chimiquement montre que l'application de dispersant entraine une augmentation des phénomènes de mortalité et une diminution, au niveau hépatique et branchial, des capacités de défense contre les xénobiotiques. A l'inverse, la comparaison entre une nappe de pétrole dispersée mécaniquement et chimiquement montre que, lorsque l'agitation de la mer est importante, l'application de dispersant ne semble pas potentialiser la toxicité du pétrole.Ces résultats suggèrent que (i) la récupération de la nappe de pétrole devrait être considérée comme une technique de lutte prioritaire sur l'utilisation de dispersant ; (ii) l'application de dispersant pourrait être considérée lors de conditions météorologique appropriées.

La modélisation de propriétés et d'activités de molécules constitue un champ de recherche important, qui permet par exemple de guider la synthèse de médicaments. Les méthodes traditionnelles de modélisation établissent des relations non linéaires entre les propriétés étudiées et les caractéristiques structurelles des molécules, appelées descripteurs. Leurs principaux inconvénients résident dans la difficulté du choix des descripteurs et leur calcul préalable. Nous avons mis au point une nouvelle technique de modélisation qui s'affranchit de ces problèmes, en établissant une relation directe entre la structure des données et la propriété modélisée. L'apprentissage s'effectue non plus à partir de vecteurs de données, mais à partir de graphes. Les molécules peuvent en effet être représentées par des graphes, qui tiennent compte des liaisons chimiques, de la nature des atomes ou encore de la stéréochimie du composé initial. Chaque graphe de la base étudiée est alors associé à une fonction de même structure mathématique, appelée graph machine, obtenue par combinaison de fonctions paramétrées identiques. Ces paramètres sont alors déterminés par apprentissage. Nous montrons que les techniques traditionnelles de sélection de modèle peuvent être utilisées dans le cadre des graph machines ; elles permettent d'évaluer les capacités en généralisation des modèles proposés, mais aussi de détecter les catégories de molécules sous-représentées dans la base d'apprentissage, et d'estimer les intervalles de confiance des prédictions. De très bons résultats ont été obtenus par l'utilisation de cette technique sur un grand nombre de bases de données de propriétés ou d'activités moléculaires.

L'industrialisation et l'utilisation dans la vie courante d'un nombre croissant de produits chimiques et médicamenteux sont responsables de la dissémination dans l'environnement de substances variées nommées" polluants émergents ". Les traitements des eaux usées existants ne sont pas conçus pour éliminer cette catégorie de pollution et les polluants émergents sont alors rejetés dans le milieu récepteur. Une possible solution pour limiter le rejet de ces composés par les effluents de station d'épuration serait l'utilisation de procédés de traitement additionnels tels que les procédés d'oxydation avancés. C'est dans ce contexte qu'a démarré le projet Européen Clean Water en 2009 associant 7 entités dont le GEPEA-Ecole des Mines de Nantes. Le concept du projet est de développer des procédés photocatalytiques mettant en œuvre des nanomatériaux actifs sous la lumière solaire. Ces procédés visent à éliminer les polluants émergents tels que les perturbateurs endocriniens ou les produits pharmaceutiques. Dans ce programme, le laboratoire GEPEA est concerné par l'évaluation de l'efficacité des matériaux vis-à-vis de l'élimination des polluants émergents sous irradiations UV et visibles. Pour cela, une méthodologie expérimentale a été établie de façon à exprimer les performances des catalyseurs testés en termes de constantes cinétiques de dégradation, de taux de conversion et de minéralisation des molécules étudiées mais aussi en fonction de la formation de produits intermédiaires. Ces performances sont également évaluées en termes de biodégradabilité, d'effet de toxicité et de perturbation endocrinienne des produits intermédiaires. Dans un premier temps, la méthodologie expérimentale établie a été testée sur la dégradation de la tétracycline en utilisant un catalyseur de référence puis, elle a été appliquée sur la dégradation respective du bisphénol A et de la 17β-oestradiol en utilisant un catalyseur de référence et les catalyseurs élaborés dans le cadre du projet Clean Water. Les résultats sur la dégradation de la tétracycline ont montré que i) les intermédiaires réactionnels sont moins toxiques que la tétracycline, ii) la structure des intermédiaires réactionnelles est semblable à celle de la tétracycline ce qui explique la faible biodégradabilité de ces intermédiaires. Concernant la dégradation du bisphénol A et de la 17β-oestradiol, les résultats ont montré que i) les catalyseurs sont efficaces sous irradiation solaire simulée. Cependant, l'efficacité photocatalytique du catalyseur dépend du composé à dégrader, ii) la nature des intermédiaires réactionnels identifiés du bisphénol A dépend du catalyseur utilisé, iii) l'effet œstrogénique de la solution d'oestradiol persiste au cours du traitement photocatalytique.

Cette étude a pour objectif d'apporter des éléments de réponse à la compréhension de la nature et de l'origine des effets biologiques des nanoparticules (NP) de boehmite en réalisant des tests de contacts in vitro sur des macrophages de culture (RAW 264.7), les macrophages étant la cible cellulaire privilégiée au niveau du tractus respiratoire. Différents domaines de la réponse cellulaire en relation avec les propriétés physico-chimiques des particules ont été étudiés. Dans une première partie l'activité biologique a été mesurée sur des NP de boehmite puis après broyage ou dispersion permettant d'observer en particulier l'influence de la taille des particules dans la réponse cellulaire.Les résultats soulignent que les particules industrielles de boehmite sont principalement caractérisées par une activité modérée au niveau de la réponse inflammatoire, mais sans effet cytotoxique ou sans stress oxydant significatif. Des différences en fonction de la taille des particules ont été observées sur les paramètres inflammatoire et cytotoxique.Toutefois, les mesures des biomolécules libérées dans les surnageants de culture cellulaire peuvent être biaisées par l'adsorption de ces biomolécules sur les NP en présence. Ainsi, ce mécanisme d'adsorption doit être pleinement compris pour éviter une interprétation erronée des données obtenues. Dans un second temps l'objectif a donc été d'élaborer une méthodologie afin d'évaluer les interactions organo-minérales en terme d'affinité et de quantité de biomolécules adsorbées sur les nanoparticules à l'équilibre thermodynamique et de déterminer une loi de correction. Dans ce contexte nous nous sommes intéressés en particulier au TNF-α.

Au Québec, plus d'une vingtaine de ravageurs prépondérants et occasionnels et plus d'une dizaine de maladies fongiques s'attaquent à la culture du pommier. Afin de lutter contre ces organismes nuisibles dans le but d'éviter des pertes trop importantes, les pomiculteurs ont recours à la lutte chimique. Les vergers de pommiers québécois reçoivent en moyenne de 11 à 15 traitements de pesticides annuellement. Or, tous ces produits ne sont pas sans conséquences pour les organismes non ciblés. Certains affectent grandement les populations de prédateurs et parasites présents qui autrement participeraient à la lutte biologique du verger et diminueraient ainsi l'utilisation subséquente de pesticides. Anystis baccarum (L.), un prédateur acarien peu connu, est un bon exemple. Des études biologiques exploratoires ont permis de déterminer que ce dernier a la capacité de s'attaquer à des ravageurs présents dans les vergers, et ce, tout au long de la saison. Il est cependant presque absent des vergers commerciaux où le recours aux pesticides est fréquent. Des études de toxicité résiduelle dont les résultats ont été publiés dans deux journaux scientifiques ont permis de démontrer la toxicité très élevée de certains pesticides utilisés dans les vergers de pommiers commerciaux sur ce prédateur. Ainsi, leur utilisation entraîne une éradication quasi totale de la population présente. L'extrême toxicité de certains des pesticides testés relativement à la concentration recommandée dans les vergers envers ce prédateur soulève une inquiétude quant à leur toxicité humaine et environnementale. L'évaluation de la toxicité des pesticides, première étape de l'évaluation du risque, effectuée par les fabricants et présentée aux agences de réglementation à des fins d'homologation, est un processus scientifique qui comporte un nombre important de failles. Les protocoles adoptés et les mesures de toxicité utilisées, les hypothèses non vérifiées, le manque de représentativité dans les études écotoxicologiques entre les espèces testées et les régions où sont utilisés les produits, le manque de connaissances scientifiques quant à la validité de l'extrapolation des résultats des tests effectués chez les animaux aux humains, les effets sous-létaux qui, loin d'être négligeables, ne sont pas évalués, etc. démontrent que l'évaluation du risque de ces pesticides ne peut adéquatement rendre compte des dangers de ces produits pour l'humain et pour l'environnement. De plus, l'analyse de l'état des connaissances des agences de réglementation canadienne et américaine permet de constater que des pesticides sont homologués sans que toutes les études exigées soient présentées. On utilise donc des pesticides dans les vergers de pommiers québécois qui sont hautement toxiques pour les insectes et acariens bénéfiques. On nuit ainsi grandement à la biodiversité et à l'équilibre de l'écosystème. Par ailleurs, les agences de réglementation ne détiennent pas toutes les informations quant à la toxicité humaine et environnementale de ces pesticides. De plus, la validité des résultats des études évaluant leur toxicité est très discutable. Bien que la science ait considérablement avancé depuis l'arrivée sur le marché des pesticides, les dispositifs actuels d'évaluation de la toxicité de ces produits demeurent parsemés d'incertitudes. N'est-ce pas un exemple concret où le principe de précaution qui stipule qu'en cas de risque de dommages graves ou irréversibles, l'absence de certitude scientifique absolue ne doit pas servir de prétexte pour remettre à plus tard l'adoption de mesures effectives visant à prévenir la dégradation de l'environnement? En ce sens, notre étude de certains pesticides interroge très sérieusement la rigueur avec laquelle le mandat de protection de la santé publique et environnementale est rempli par les instances gouvernementales concernées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Anystis baccarum, Pomiculture, Pesticides, Toxicité humaine, Écotoxicité, Évaluation du risque.

Les perturbateurs endocriniens ont la capacité d'altérer les systèmes hormonaux des invertébrés. Lorsqu'elles sont rejetées dans le milieu aquatique, elles peuvent moduler le signalement de systèmes hormonaux centraux et, par conséquent, avoir un impact sur la physiologie et l'aptitude phénotypique des invertébrés aquatiques. Le changement de sexe et l'accumulation de l'hémoglobine chez Daphnia magna sont connus pour être des réponses aux perturbateurs endocriniens affectant le système de l'hormone juvénile. Cependant, dans plusieurs cas, notamment avec les effluents d'usines de pâte et papier et avec les substances pures des arbres, la détection, les effets et les mécanismes d'action de ces pollutions n'ont jamais été évalués. Notre premier objectif est alors de développer et de tester un bioindicateur de pollutions endocriniennes juvéniles chez le crustacé D. magna. Dans ce but, la modification de l'expression de l'hémoglobine impliquant le récepteur de l'hormone juvénile (JHR) est évaluée en utilisant la méthode PCR avec des amorces spécifiques au gène Hb2 chez les daphnies. De plus, la mesure de l'augmentation du phénotype mâle lorsque les daphnies sont exposées à des effluents d'usine de pâte et papier ou à une substance pure des arbres est faite par la méthode comparative. Nos résultats montrent que le pyriproxyfène, qui est un analogue de l'hormone juvénile servant de contrôle positif, induit plus de 2 fois le gène Hb2 à 1.6 µg/L et cause aussi une augmentation du phénotype mâle chez les rejetons. Les effluents ayant subi un traitement primaire (10% v/v), induisent plus de 2 fois l'expression du gène Hb2, contrairement aux effluents avec traitement secondaire (50% v/v) qui ne cause pas d'induction. Un analogue de l'hormone juvénile détecté dans les effluents primaires, la juvabione, est capable d'augmenter l'expression du gène Hb2, à de faibles concentrations (3.75 µg/L). Une exposition prolongée causant une diminution du niveau d'oxygène cause cependant une faible augmentation de l'expression du gène Hb2. Nos résultats indiquent que l'induction du gène Hb2 peut être utilisée afin de détecter les analogues de l'hormone juvénile; les juvénoïdes. Le second objectif est de détecter les effets physiologiques et phénotypiques des pollutions potentiellement juvénoïdes. Afin de déterminer ces effets sur la première génération de D. magna, nous avons mesuré le temps de mue des femelles et le nombre de néonates par portée. Pour leurs progénitures, le changement de phénotype sexuel sous le contrôle de l'hormone juvénile, la taille et la mortalité sont les paramètres testés. Avec les effluents primaires (2.5% v/v) un nouveau phénotype a été repéré: le phénotype "juvénile". De plus, une prolongation de la mue et une diminution du nombre de néonates par femelle furent observées. En revanche, avec les effluents secondaires, trois des quatres effluents testés n'ont pas démontré ces effets. Nos résultats suggèrent que ces différences entre les deux types d'effluents peuvent être attribuées au fait que le traitement secondaire diminue fortement la concentration de certaines substances naturelles des arbres comme la juvabione. En effet, la juvabione, à faible concentration (2.25 µg/L), empêche le développement de néonates et augmente le temps de la mue. L'analyse des résultats démontre aussi l'importance de faire des tests sur les adultes et sur les néonates pour de meilleurs résultats. En conclusion, l'induction du gène Hb2 combinée à des indicateurs biologiques comme le temps de la mue et le changement de phénotype sexuel, ont permis de détecter les effets potentiellement juvénoïdes et anti-ecdystéroïdes des effluents primaires et de la juvabione. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Hormone juvénile, Gène Hb2, Phénotype, Effluents d'usines de pâte et papier, Daphnia magna.