The effect of a self-selected and semisynthetic diet on urinary conjugates levels was determined in 18 male adults (22-40 y). Urinary conjugates were also quantified to develop an index of detoxification using a multivariate approach. The four major urinary conjugates measured were glucuronides, sulfoconjugates, mercapturates, and amino acid conjugates. Subjects consumed a self-selected diet for three days and a semisynthetic diet for seven days. Mercapturates and amino acid conjugates were most affected by dietary change, excretion levels reduced by about 50% during the semisynthetic diet period (0.27±0.11 vs 0.14±0.02 mmol/24-h; 5.99 vs 3.03 mmol/24-h, respectively). Glucuronides were the least responsive to dietary change with no significant difference between the means of the two diet periods (self-selected diet 2.93±0.77; semisynthetic 3.21±0.29 mmol/24-h). Four methods for developing 'normal' ranges were presented: mean±SD; percentiles; principal component analysis (princomp); Mahalanobis distance (distquan). The four methods were compared. In summary, conjugate excretion levels were found to be sensitive to dietary changes, with some pathways more responsive than others. Also, the princomp and distquan methods were stressed because they are a multivariate approach which combine values for all three pathways and their interaction into a single value that would then be representative of an individual's total, or overall, detoxification level relative to the others in this group. / Ph. D.

The urinary excretion of D-glucaric acid (DGA) has been used as a nonspecific measure of the induction of hepatic enzymes associated with drug metabolism in man. A survey of 124 nonmedicated men (18-56 years of age), who kept a 5-day food and beverage intake record and collected their total urinary output for the last three days of the five, was conducted to assess the relationship between DGA excretion and various dietary factors. Eighteen nonmedicated, healthy women collected the same data, but started recording on the eighth day from the commencement of menstruation. DGA was determined by an enzymatic assay and recorded as micromoles D-glucaro-1,4-lactone/gm creatinine. There was a positive association between total DGA excreted and the use of marijuana, caffeine, and tobacco products, the heaviest users excreting significantly higher levels of urinary DGA than the moderate or low users of the same substance. Analysis of variance of mean DGA excretion also revealed significant differences between females (17.0±3.7) and males (14.3±5.2): male vegetarians (17.4±5.5) and nonvegetarians ( 13.9±5.1) ; and female vegetarians (19.8±4.6) and nonvegetarians (16.2±3.1). Alcohol consumption and family history of cancer incidences were not significantly related to DGA excretion in either sex. Multiple regression analyses revealed that consumption were the two vegetarianism and caffeine strongest predictors of DGA excretion, while alcohol and marijuana consumption affected DGA the least. These results indicate that dietary and environmental factors can exert a significant effect on DGA excretion, and these associations may identify dietary inducers of hepatic enzymes associated with xenobiotic biotransformations in humans. / Master of Science

The absorption of free carbohydrates produced by digestion of dietary fiber in monogastric animals was investigated. Previous studies have shown that dietary fiber is partially digested by monogastric animals in its passage through the alimentary canal. However, the ability of monogastric animals to absorb the products of digestion of dietary fiber is uncertain. Male rats of the Sprague-Dawley strain were fed a refined carbohydrate diet in which sucrose comprised 66.6 percent. The urine of rats fed this diet contained only sucrose and its component monosaccharides, glucose and fructose, indicating that the carbohydrate composition of urine reflects the carbohydrate composition of the diet. The rats were then fed diets containing 5 percent guar gum (a galactomannan), 10 percent xylan (a polymer of xylose), or 10 percent wheat bran. The appearance in the urine of the component carbohydrates of the ingested dietary fiber was used as an indication of the absorption of the carbohydrates derived from fiber digestion. The urine of rats fed guar gum contained galactose. Rats fed xylan excreted xylose in the urine. Xylose and arabinose were identified in the urine of rats fed wheat bran. It is postulated that the polysaccharides of dietary fiber are degraded to simple sugars by bacteria in the colon. The results of this study indicate that free carbohydrates produced by digestion of dietary fiber are absorbed in monogastric animals. The potential nutritional and toxicological effects of the absorption of the carbohydrate components of dietary fiber are discussed. / Master of Science

The bioessential trace metals (e.g. zinc, copper and iron) are primarily excreted via the gastrointestinal trace in normal man and animals. Although urinary losses of these trace metals are usually minimal, they have been reported to be markedly elevated during periods of physiological and pathological stress. The possibility that the decreased plasma insulin to glucagon ratio during episodes of stress is responsible for increased urinary trace metal excretion was examined in normal and streptozotocin-diabetic rats. Induction of the diabetic condition resulted in a rapid and persistent increase in the quantities of zinc, copper and iron lost in the urine daily. Diabetic rats excreted 3.4, 5.0, and 4.9-fold more zinc, copper and iron, respectively, at 14 days after injection with the diabetogenic drug than the controls. Insulin treatment of diabetic rats significantly reduced the daily urinary losses of these micronutrients, indicating that altered hormonal balance was the primary cause for elevated urinary excretion. Enhanced urinary losses of these metals were not associated with decreased concentrations of zinc, copper and iron in plasma, liver and kidney. Various processes, including the filterability of the metal, glomerular filtration rate, renal tubular reabsorption and transtubular secretion have been reported to influence urinary excretion of trace metals. Initial studies have been conducted to assess the influence of altered endocrine status on the characteristics of zinc binding and transport by renal brush border membrane vesicles (BBMV) in vitro. The accumulation of zinc by BBMV was found to be temperature dependent. No apparent differences in the binding and intravesicular accumulation of zinc by brush border membrane vesicles prepared from normal and STZ-diabetic rats were observed. Likewise, the efflux of zinc from BBMV prepared from control and diabetic renal cortex was similar. These results indicated that the potential for zinc reabsorption is not altered in the diabetic rats. In vivo studies are required to further assess the characteristics of zinc reabsorption in the native milieu. / M.S.

No / Aim: A diagnostic test that could detect Treponema pallidum antigens in urine would facilitate the prompt diagnosis of syphilis. Materials & methods: Urine from 54 individuals with various clinical stages of syphilis and 6 controls were pooled according to disease stage and interrogated with complementary mass spectrometry techniques to uncover potential syphilis biomarkers. Results & conclusion: In total, 26 unique peptides were uncovered corresponding to four unique T. pallidum proteins that have low genetic sequence similarity to other prokaryotes and human proteins. This is the first account of direct T. pallidum protein detection in human clinical samples using mass spectrometry. The implications of these findings for future diagnostic test development is discussed. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD009707.

L'acrylamide (AA) est une substance cancérigène formée lors de la cuisson à haute température d'aliments à forte teneur en amidon comme les frites et croustilles. Les objectifs de cette étude étaient d'établir une relation entre l'apport alimentaire en AA et les biomarqueurs de dose interne, ainsi qu'entre ces derniers et les cassures à l'ADN lymphocytaire, un biomarqueur d'effet génotoxique précoce, chez des adolescents montréalais. Deux cent adolescents âgés de 10 à 17 ans habitant Montréal, au Canada, ont été recrutés. Leurs caractéristiques sociodémographiques et leurs habitudes de vie ont été documentées par questionnaire. Les concentrations d'AA et de ses metabolites ont été mesurées dans 195 échantillons d'urine (collectés sur une période de 12 h) à l'aide d'un chromatographe en phase liquide couplé à un spectromètre de masse en tandem (LC-MS/MS). Les niveaux d'adduits à l'hémoglobine ont aussi été mesurés par LC-MS/MS dans 165 échantillons sanguins. Les cassures à l'ADN lymphocytaire ont été mesurées par le test des comètes en conditions alcalines à partir de 130 échantillons. Les deux principaux metabolites urinaires étaient le N-acétyl-cystéine-S-propionamide (NACP) et le NACP-sulfoxyde (NACP-S), avec des concentrations moyennes respectives de 31,2 et 14,2 umol/mol de creatinine (moyennes géométriques). Les concentrations moyennes de AAVal (adduit de l'acrylamide avec la valine) et GAVal (adduit du glycidamide, un metabolite de l'AA, avec la valine) étaient respectivement de 45,4 et 45,6 pmol/ g de globine. Ces deux adduits ont été détectés dans tous les échantillons à des niveaux similaires à ceux mesurés chez des Américains du même groupe d'âge. Les analyses multivariées ont révélées que la somme des concentrations urinaires de NACP et NACP-S est associée avec l'apport alimentaire moyen de AA durant les deux jours précédent les prélèvements (p < 0,0001) tandis que la somme des niveaux d'adduits AAVal et GAVal est associée à l'apport alimentaire journalier moyen durant le mois précédent les prélèvements (p < 0,0001) ainsi qu'au tabagisme passif (p < 0,05). Les biomarqueurs d'exposition n'étaient pas corrélés aux cassures à l'ADN lymphocytaire. Les concentrations urinaires de NACP et de NACP-S reflètent l'exposition récente à l'acrylamide, alors que niveaux des adduits AAVal et GAVal reflètent une exposition à plus long terme. L'exposition à l'AA chez ce groupe d'adolescents ne semble pas suffisamment élevée pour induire des dommages à l'ADN lymphocytaire.

La consommation de produits de la mer s’accompagne d’une exposition élevée au méthylmercure (MeHg) chez la population crie du Nord du Québec. Afin d’obtenir des pistes quant aux conséquences de cette exposition sur la santé de cette population autochtone, une étude de type métabonomique a été réalisée. Cette approche permet d’analyser les variations des concentrations de nombreux métabolites dans les fluides biologiques entre différents groupes de sujets. Par le biais d’analyses statistiques, il est possible d’obtenir de nouvelles informations sur les voies métaboliques altérées par le MeHg et de découvrir des biomarqueurs d’effets précoces générés par cette substance. Pour réaliser cette étude, 83 participants ont été recrutés afin de constituer trois groupes: un groupe de référence du sud du Québec, un groupe de cris montrant des faibles concentrations sanguines en mercure total (<10 nmol/L) et un groupe de cris montrant des fortes concentrations sanguines en mercure total (> 72 nmol/L). Les échantillons d’urine des participants, obtenus après un jeune de 12 heures, ont été analysés à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse ou liquide couplé à un spectromètre de masse de type temps de vol (LC-TOF-MS et GC-TOF-MS). Des tests bi- et multivariés des données LC-TOF-MS ont permis de cibler 11 biomarqueurs potentiels différents chez l’homme alors que deux l’ont été chez la femme. À partir des données du GC-TOF-MS, quatre candidats ont été observés chez l’homme, incluant l’acide lactique, l’adénosine et le xylose. Des analyses préliminaires par LC-Q-TOF-MS ont été effectuées pour caractériser certains métabolites ciblés. D’autres travaux seront nécessaires afin d’identifier la structure de ces biomarqueurs potentiels.

Au Canada, jusqu’à cinq adultes sur 10 000 vont souffrir de trouble de l’obstruction des voies urinaires, une maladie du système urinaire qui contribuait, en 2008, au fardeau économique du Canada à une hauteur de 3,8 milliards de dollars. Pour soulager le patient, les urologues devront ouvrir les voies urinaires de façon mécanique à l’aide d’une endoprothèse. Idéalement, cette endoprothèse permettra l’écoulement de l’urine sans obstruction, sera résistante à la calcification et sera biodégradable. Les métaux biodégradables ont le potentiel pour la création de ce type d’endoprothèse. Ce potentiel a été partiellement établi dans ce projet en évaluant les propriétés de dégradation de plusieurs métaux (Mg pur, Mg-2Zn-1Mn, Zn pur, Zn-0,5Mg, Zn-1Mg et Zn-0,5Al) à l’aide de techniques électrochimiques dans l’urine artificielle à 37 °C et par voie de techniques avancées de caractérisation de surface. Basés sur la technique de polarisation, les métaux du groupe du Mg montrent une vitesse de dégradation plus rapide que le groupe du Zn. Il en ait de même avec le bruit électrochimique jusqu’à 12h d’inversion. Ensuite, l’inverse est obtenu. Du point de vue de l’impédance, le groupe du Mg montre une seule constante de temps alors qu’il y en a deux pour le groupe du Zn. En microscopie électronique, le groupe du Mg montre une couche d’oxyde non uniforme alors que pour le groupe du Zn, il y a formation de produit de dégradation en forme de fleur, sauf pour le Zn-0,5Al. L’analyse de surface confirme que les produits de corrosion sont composés majoritairement d’hydroxyde, de carbonate et de phosphate, de plus les métaux du groupe du Zn sont dépourvus de calcium. Parmi tous les métaux étudiés, l’alliage Zn-0,5Al présente une couche d’oxyde uniforme et possède peu d’affinité avec les ions présents dans l’urine artificielle, ce qui fait de lui le candidat le plus intéressant par sa faible tendance à la calcification. / In Canada, up to five in 10 000 adults suffered from acute urinary tract obstruction, a kidney-related disease that contributes to the economy burden of Canada by $3.8 billion in 2008. Urologists mechanically open the obstructed urinary tract using a stent which ideally maintains an excellent urine flow, be resistant to infection and encrustation, and be biodegradable. Biodegradable metals could have the potential for making this ideal ureteral stent. This potential was partially assessed in this work by conducting detailed electrochemical corrosion tests in artificial urine at 37°C and advanced surface characterization on biodegradable pure Mg, Mg-2Zn-1Mn, pure Zn, Zn-0.5Mg, Zn-1Mg and Zn-0.5Al alloys. Based on polarization measurement, the Mg group was found to exhibit a faster corrosion rate than the Zn group, but then experienced a slow down at longer period of immersion as indicated by electrochemical noise measurement. The impedance of the Mg group surfaces showed a one-time constant behaviour with low double layer capacitance compared to the two-time constant of those of the Zn group. The SEM observation showed the formation of non-uniform corrosion layer on the Mg group and the formation of flower-like precipitates on the surface of the Zn group except for Zn-0.5Al alloy. The EDS and XPS analysis confirmed the main composition of corrosion layer as hydroxide, carbonate and phosphate, without calcium content for the Zn group. Among all tested metals, the Zn-0.5Al alloy exhibits the most interesting behavior by showing a uniform corrosion layer with low affinity to the ions in the artificial urine, indicating a low tendency to encrustation.

学位プログラム名: 京都大学大学院思修館 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(総合学術) / 甲第25517号 / 総総博第39号 / 京都大学大学院総合生存学館総合生存学専攻 / (主査)准教授 趙 亮, 教授 長山 浩章, 教授 関山 健 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy / Kyoto University / DGAM

Dans une perspective d’analyse des risques pour la santé publique, l’estimation de l’exposition revêt une importance capitale. Parmi les approches existantes d’estimation de l’exposition, l’utilisation d’outils, tels que des questionnaires alimentaires, la modélisation toxicocinétique ou les reconstructions de doses, en complément de la surveillance biologique, permet de raffiner les estimations, et ainsi, de mieux caractériser les risques pour la santé. Ces différents outils et approches ont été développés et appliqués à deux substances d’intérêt, le méthylmercure et le sélénium en raison des effets toxiques bien connus du méthylmercure, de l’interaction entre le méthylmercure et le sélénium réduisant potentiellement ces effets toxiques, et de l’existence de sources communes via la consommation de poisson. Ainsi, l’objectif général de cette thèse consistait à produire des données cinétiques et comparatives manquantes pour la validation et l’interprétation d’approches et d’outils d’évaluation de l’exposition au méthylmercure et au sélénium. Pour ce faire, l’influence du choix de la méthode d’évaluation de l’exposition au méthylmercure a été déterminée en comparant les apports quotidiens et les risques pour la santé estimés par différentes approches (évaluation directe de l’exposition par la surveillance biologique combinée à la modélisation toxicocinétique ou évaluation indirecte par questionnaire alimentaire). D’importantes différences entre ces deux approches ont été observées : les apports quotidiens de méthylmercure estimés par questionnaires sont en moyenne six fois plus élevés que ceux estimés à l’aide de surveillance biologique et modélisation. Ces deux méthodes conduisent à une appréciation des risques pour la santé divergente puisqu’avec l’approche indirecte, les doses quotidiennes estimées de méthylmercure dépassent les normes de Santé Canada pour 21 des 23 volontaires, alors qu’avec l’approche directe, seulement 2 des 23 volontaires sont susceptibles de dépasser les normes. Ces différences pourraient être dues, entre autres, à des biais de mémoire et de désirabilité lors de la complétion des questionnaires. En outre, l’étude de la distribution du sélénium dans différentes matrices biologiques suite à une exposition non alimentaire (shampoing à forte teneur en sélénium) visait, d’une part, à étudier la cinétique du sélénium provenant de cette source d’exposition et, d’autre part, à évaluer la contribution de cette source à la charge corporelle totale. Un suivi des concentrations biologiques (sang, urine, cheveux et ongles) pendant une période de 18 mois chez des volontaires exposés à une source non alimentaire de sélénium a contribué à mieux expliciter les mécanismes de transfert du sélénium du site d’absorption vers le sang (concomitance des voies régulées et non régulées). Ceci a permis de montrer que, contrairement au méthylmercure, l’utilisation des cheveux comme biomarqueur peut mener à une surestimation importante de la charge corporelle réelle en sélénium en cas de non contrôle de facteurs confondants tels que l’utilisation de shampoing contenant du sélénium. Finalement, une analyse exhaustive des données de surveillance biologique du sélénium issues de 75 études publiées dans la littérature a permis de mieux comprendre la cinétique globale du sélénium dans l’organisme humain. En particulier, elle a permis le développement d’un outil reliant les apports quotidiens et les concentrations biologiques de sélénium dans les différentes matrices à l’aide d’algorithmes mathématiques. Conséquemment, à l’aide de ces données cinétiques exprimées par un système d’équations logarithmiques et de leur représentation graphique, il est possible d’estimer les apports quotidiens chez un individu à partir de divers prélèvements biologiques, et ainsi, de faciliter la comparaison d’études de surveillance biologique du sélénium utilisant des biomarqueurs différents. L’ensemble de ces résultats de recherche montre que la méthode choisie pour évaluer l’exposition a un impact important sur les estimations des risques associés. De plus, les recherches menées ont permis de mettre en évidence que le sélénium non alimentaire ne contribue pas de façon significative à la charge corporelle totale, mais constitue un facteur de confusion pour l’estimation de la charge corporelle réelle en sélénium. Finalement, la détermination des équations et des coefficients reliant les concentrations de sélénium entre différentes matrices biologiques, à l’aide d’une vaste base de données cinétiques, concourt à mieux interpréter les résultats de surveillance biologique. / In the context of public health risk analysis, exposure assessments are of primary importance. Among the approaches used to assess exposure, tools such as food questionnaires, toxicokinetic modelling or reverse dosimetry, combined with biomonitoring allow to refine exposure estimates as well as toxicological health risk estimates. Such approaches and tools have been developed and applied to two contaminants of interest - methylmercury and selenium - due to the known toxic effect of methylmercury, the interaction between methylmercury and selenium which reduces its toxicity, and common sources of exposure through fish consumption. Hence, the main objective of this thesis consists in producing kinetic and comparative data for the validation and the interpretation of approaches and tools used for exposure assessment to methylmercury and selenium. These data are currently lacking. To achieve this goal, the influence of the method used to assess methylmercury exposure was determined by comparing daily intakes and health risk estimated with different approaches (direct exposure assessment using biomonitoring and toxicokinetic modelling or indirect exposure assessment using food questionnaires). Important discrepancies between these two methods have been observed: the questionnaire-based intakes are higher than modeled intakes higher by a six-fold factor. These two approaches lead to divergent health risk estimates considering that, with the direct exposure assessment, methylmercury daily intakes are above Health Canada guidelines in most cases (21 of 23 volunteers) while only 2 volunteers have intakes above guidelines when using the direct approach. Among possible reasons, discrepancies could be due to recall and desirability bias related to the completion of food questionnaire. Subsequently, the study of selenium distribution in different biological matrices following a non-dietary exposure (selenium-containing shampoo) aimed to study the kinetic of the selenium originating from this exposure as well as assess the contribution of this source to the total Se body burden. The time courses of selenium biological concentration in blood, urine, hair and nails over 18 months for volunteers exposed to a non-dietary source of selenium contributed to better elucidate the mechanisms of selenium transfer to blood (concurrency of regulated and non-regulated pathways). This study also confirms that, unlike methylmercury, the use of hair as a biomarker can lead to a significant overestimate of the actual selenium body burden if confounding factors such as the use of selenium-containing shampoo are not controlled. In addition, a detailed analysis of selenium biomonitoring data from 75 published studies in the literature was conducted in order to better understand the kinetic of selenium in the human body. In particular, this analysis led to the development of a tool that relates daily intakes and selenium concentrations in biological matrices using mathematical algorithms. Consequently, by using these kinetic data expressed as a system of logarithmic equations and graphical representations, it enables the assessment of daily intakes in an individual from various biological sampling. Moreover, it facilitates the comparison of selenium biomonitoring data from studies using different biomarkers. Overall, these results show that the approach used to assess exposure has a sound impact on health risk estimates. Research showed that selenium from a non-dietary source does not contribute significantly to total body burden, however it constitutes a confounding factor. Finally, the determination of equations and coefficients using an extensive kinetic database relating selenium concentrations from different biological matrices helps to better interpret biomonitoring data.