Cerastoderma glaucum est un modèle biologique de choix pour des études phylogéographiques et écotoxicologiques.Une étude de sa structure génétique en méditerranée occidentale a été réalisée en utilisant deux types de marqueurs, mitochondrial et nucléaire. Les résultats obtenus ont révélé à travers l’ADN mitochondrial une population très divergente de toutes les autres populations (Ellouza, Sud de la Tunisie).Une étude écotoxicologique sur des populations issues de ce site Ellouza et deux autres sites à proximité dans la région du golfe de Gabès a été réalisée dans le but d’étudier la réponse adaptative des populations de la coque C. glaucum en milieu naturel à différents niveaux de l’organisation biologique allant du niveau individuel jusqu’au niveau cellulaire et moléculaire. En parallèle à cette étude, deux expérimentations en laboratoire ont été réalisées afin de préciser les mécanismes pouvant expliquer le succès ou l’échec du maintien des populations de C. glaucum. La première expérimentation a été réalisée en utilisant des effluents industriels et la deuxième en utilisant un contaminant pur le cadmium. Les niveaux de l’organisationbiologique concernés par cette étude étaient le niveau individuel et le niveau moléculaire. Différents biomarqueurs impliqués dans la réponse à différents types de stress : (MT), (ABCB1), (MnSOD et CuZnSOD), (CAT), (HSP70) et (COI) ont été utilisés en milieu naturel ainsi qu’en conditions contrôlées et les résultats obtenus ont montré l’importance dumétabolisme énergétique dans la réponse au stress quelque soit l’approche utilisée (in situ/ expérimental) à travers la régulation de l’expression du gène COI. / Cerastoderma glaucum is an adequate biological model for phylogeographic and ecotoxicological studies.A study of its genetic structure in the Western Mediterranean sea was conducted using two markers types: mitochondrial and nuclear. The DNA mitochondrial marker results show a divergent population from all the other ones (Ellouza South ofTunisia).An ecotoxicological study of populations sampled from Ellouza site and two other nearby sites in the Gulf of Gabes region was carried out in order to study the adaptive response of natural populations of C. glaucum at different levels of biological organization from the individual level to the cellular and molecular ones. In parallel, two laboratory experiments were performed to clarify the mechanisms that may explain the success or failure of maintaining populations of C. glaucum. In thefirst one, industrial effluents were used and in the second we have used a pure contaminant, the cadmium. These studies experiments concerned individual and molecular levels. Different biomarkers involved in the response to different types of stress: (MT), (ABCB1) (MnSOD and CuZnSOD) (CAT) (HSP70) and (COI) were used in natural and exposed cockles.Results showed the importance of energy metabolism in response to stress whatever the used approach (in situ / Experimental) through the regulation of the expression of the COI gene.

L’Accident Vasculaire Cérébral (AVC) est une maladie grave pour laquelle des critères très stricts encadrent l’administration du traitement curatif en phase aigüe. Ces critères limitent drastiquement l’accès à ce traitement : on estime que seuls 10% des patients atteints d’un AVC en bénéficient. L’objectif de ce travail est de proposer un modèle prédictif de l’évolution de l’AVC qui permette d’identifier le volume de tissu à risque de chaque patient. Ce volume, qui correspond au bénéfice potentiel du traitement, permettra de mieux orienter le médecin dans sa décision de traiter. Pour répondre à cet objectif nous nous intéressons aux problématiques d’évaluation de modèles prédictifs dans un contexte de faible prévalence, de modélisation prédictive sur données spatiales, de prédiction volumique en fonction de l’option de traitement et de segmentation d’images en présence d’artefacts. Les outils développés ont été rassemblés au sein d’une librairie de fonctions du logiciel R nommée MRIaggr / Stroke is a serious disease that needs emergency health care. Due to potential side effects, the patients must fulfil very restrictive criteria for eligibility to the curative treatment. These criteria limit drastically the accessibility to treatment : currently, an estimated 10% of stroke patients are treated. The purpose of this work was to develop a statistical framework for stroke predictive models. We deal with assessing predictive models in a low-prevalence context, building predictive models for spatial data, making volumic predictions depending on the treatement option, and performing image segmentation in presence of image artefacts. Tools developed in this thesis have been collected in an R package named MRIaggr

L’extraction de l’uranium a eu pour conséquence une remobilisation de cet actinide au niveau des écosystèmes avoisinants les mines. L’utilisation de sels métalliques lors de la réhabilitation des sites miniers et la présence naturelle de métaux ont accentué les niveaux de la contamination métallique dans les hydrosystèmes soumis aux rejets miniers uranifères.Des expériences in situ ont été conduites au niveau de deux anciens sites miniers uranifères français. L’encagement de l’épinoche à trois épines a été employé pour connaître les effets sublétaux de ce mélange métallique, ainsi que sur la susceptibilité de ce poisson envers un stress biologique.Cette pollution, caractérisée par de plus importantes concentrations métalliques (notamment en uranium), a entraîné un stress oxydant chez l’épinoche visible sur plusieurs biomarqueurs, ainsi que d’autres effets dépendants du site d’exposition.La contamination polymétallique a occasionné une augmentation de la susceptibilité des épinoches au stress biologique, en empêchant leurs réponses phagocytaire antioxydante à ce stress. Ces travaux ont permis de renforcer l’intérêt de la technique d’encagement lors d’une étude environnementale, et celui des immunomarqueurs au sein d’une approche multi-biomarqueurs. / Uranium extraction has resulted in a remobilisation of this actinide into mine surrounding ecosystems. Uses of metal salts during mining site rehabilitation, and the natural presence of metals have increased the metal contamination in hydrosystems submitted to mine tailings.In situ experiments were conducted in two former French uranium mining sites. Three-spined stickleback caging was used to determine the sublethal effects of this metal mixture on this freshwater fish, as well as its effects on fish susceptibility to a sudden biological stress.This pollution, characterised by higher metal concentrations (especially for uranium), has led to an oxidative stress in sticklebacks visible through several biomarkers, and other effects dependent on the study site. The polymetallic contamination has modified the stickleback responses to the biological stress, by preventing their phagocytic and antioxidant responses. This work has reinforced the interest of the caging technique during environmental studies and that of immunomarkers in a multi-biomarker approach.

Les promesses de la médecine de précision dépendent de nouvelles solutions technologiques pour le diagnostic. Dans l’aire post-génomique, les approches de biologie synthétique pour la médecine apportent de nouvelles façon de sonder, monitorer et interfacer la physiopathologie humaine. Émergeant en tant que champ scientifique mature dont la transition clinique s’accélère, la biologie synthétique peut être utilisée pour appliquer des principes d’ingénierie afin de concevoir et construire des systèmes biologiques comprenant des spécifications cliniques. Une application particulièrement intéressante est de développer des outils diagnostiques polyvalents, programmables et intelligents étroitement interconnectés avec la thérapie. Cette thèse présente de nouveaux concepts et approches d’ingénierie pour concevoir des dispositifs biosynthétiques capable d’interfacer les maladies humaines dans des échantillons cliniques en exploitant du traitement de signal au niveau biomoléculaire, à la lumière d’un besoin croissant en termes de capacités et de robustesse. Cette thèse s’intéresse en premier lieu à l’ingénierie de circuits synthétiques de gènes, reposant sur les portes logiques à integrases, pour intégrer des opérations modulaires et programmables de biodétéction de biomarqueur associées à des algorithmes de décisions au sein de population de bactéries. Elle s’intéresse ensuite à des méthodologies systématiques dites bottom-up, pour programmer des protocellules synthétiques microscopiques, capables d’exécuter des opérations de biodétéction médicale et de biocomputation. Nous décrivons le développement de méthodes simples de fabrications microfluidique associées à des solutions pour implémenter des opérations Booléenne complexes en utilisant de circuits biochimiques synthétiques. Cette contribution s’élargit aussi à la caractérisation de l’espace de conception de protocellules à l’aide d’approches de design assisté par ordinateur, ainsi que à l’analyse de preuves mathématiques et biologiques pour l’utilisation de protocellules comme des dispositifs universels de calcul. L’articulation des principes biologiques fondamentaux avec les implications médicales concernant les dispositifs biosynthétiques développés dans ce travail, a été jusqu’à la validation clinique, et initie de nouveaux modèles pour le développement de diagnostics de nouvelle génération. Ce travail prévoit que la biologie synthétique est en train de préparer le future de la médecine, en supportant et accélérant le développement de diagnostics avec de nouvelles capacités, apportant un progrès biotechnologique direct depuis le laboratoire de biologie clinique jusqu’au patient. / The promise for real precision medicine is contingent on novel technological solutions to diagnosis. In the post-genomic era, synthetic biology approaches to medicine provide new ways to probe, monitor and interface human pathophysiology. Emerging as a mature field increasingly transitioning to the clinics, synthetic biology can be used to apply engineering principles to design and build biological systems with clinical specifications. A particularly tantalizing application is to develop versatile, programmable and intelligent diagnostic devices closely interconnected with therapy. This thesis presents novel engineering concepts and approaches to design synthetic biological devices interfacing human diseases in clinical samples through biomolecular digital signal processing, in light of a need for dramatic improvements in capabilities and robustness. It addresses primarily the engineering of synthetic gene circuits through integrase based digital genetic amplifiers and logic gates, to integrate modular and programmable biosensing of biomarkers and diagnostic decision algorithms into bacteria. It then investigates systematic bottom-up methodologies to program microscale synthetic protocells performing medical biosensing and biocomputing operations. We demonstrate streamlined microfluidic fabrication methods and solutions to implement complex Boolean operation using integrated synthetic biochemical circuits. This contribution also extends to the characterization of protocell design space through novel computer assisted design frameworks, as well as the analysis of mathematical and biological evidence for universal protocellular biocomputing devices. The articulation of biological governing principles and medical implications for the synthetic devices developed in this work was further validated in the clinic, and initiates new models towards next-generation diagnostics. This work envisions that synthetic biology is preparing the future of medicine, supporting and speeding up the development of diagnostics with novel capabilities to bring direct improvement in biotechnologies from the clinical lab to the patient.

Le cancer colorectal (CCR) est un problème majeur de santé publique. Les nouvelles stratégies thérapeutiques incluant les anticorps anti-EGFR ou anti-VEGF en association avec les chimiothérapies ont amélioré la survie des patients présentant un CCR métastatique. Nous avons évalué le rôle de nouveaux biomarqueurs pour individualiser les patients porteurs d’un CCR métastatique qui peuvent bénéficier d’un traitement par thérapies ciblées. Dans la première partie, nous avons démontré pour la première fois la valeur de pSTAT3 (STAT3 phosphorylé) comme biomarqueur prédictif pour sélectionner les populations porteuses d’un CCR métastatique qui pourraient bénéficier d’un traitement par anti-EGFR. Dans ce cadre nous avons publié les résultats de la valeur prédictive et pronostique de pSTAT3 chez 94 patients porteurs d’un CCR métastatique traités par cétuximab en 2ème ligne de traitement (Dobi et al, 2012).La probabilité d’avoir une réponse objective était de 13% chez les patients avec l’expression de STAT3 comparé à 41% chez les patients pSTAT3 négatif (p=0.02). Nous avons montré également l’impact négatif de pSTAT3 sur la durée de la survie sans progression (PFS) et de la survie globale (OS) des patients présentant un CCR métastatique. Ce résultat montre l’intérêt de STAT3 comme biomarqueur prédictif de traitement par anti-EGFR. Dans la deuxième partie, nous avons évalué l’impact en survie des facteurs d’angiogenèse complexe comme angiopoetin-2, syndecan-1 (CD138), FGL2. Dans ce cadre nous avons étudié une cohorte exploratoire à Besançon de patients porteurs d’un CCR métastatique, traitée par chimiothérapie cytotoxique et bévacizumab (anti-VEGF). Après la détermination des seuils de valeurs de chaque biomarqueurs dans le sérum de patients utilisant les courbes ROC, nous avons évalué l’impact négatif de score élevé d’angiopoetin-2 et CD138 en survie de ces patients. Nous avons également démontré l’impact négatif de la combinaison de 3 marqueurs combinés en termes d’OS et de PFS dans une cohorte de validation incluant 244 patients de Besançon, Tours et Dijon. / Despite the progress made in the management of metastatic colorectal cancer (mCRC), this disease remains a major health problem. Targeted therapies (anti-EGFR and anti-VEGF therapies) have improved the clinical outcomes achieved by conventional chemotherapy regimens. Half of the patients with K-RAS wild type colo-rectal cancer doen’t benefit from adding anti-EGFR to standard chemotherapy regimen. We decided to assess the clinical outcomes of anti-EGFR containing chemotherapy regimens in 94 patients with mCRC according to phosphorylated STAT3 (pSTAT) status. The probability of achieving an objective reponse was 13% among patients with positive nuclear expression of pSTAT3 compared with 41% for patients displaying pSTAT3 négative tumors (p=0.02). In a multivariate logistic regression model, high-grade skin rash, wild-type K-RAS status, and negative pSTAT3 status significantly improved time to progression (TTP) and overal survival (OS). These results underscore the impact of pSTAT3 on the clinical efficacy of anti-EGFR-containing chemotherapy regimens and support the prospective assessment of this biomarker. Inhibition of pSTAT3 in mCRCs might be a promising strategy to target chemotherapy-resistant cancer cells and should be assessed in association with anti-EGFR monoclonal antibodies. The second goal of our study was the identification of angiopoetin-2, syndecan1 (CD 138) and FGL2 as prognostic biomarquers of metastatic colorectal cancer patients. Plasma angiopoetin-2, FGL2 et CD 138 levels were mesured in 10 healthy volunteers, 13 patients with locally advanced CRC et 51 mCRC, received bevacizumab containing chemotherapy. Angiopoetin-2 and CD138 levels were significantly elevated in patients with mCRC compared with healthy controls. Amongst patients with mCRC, low pre-therapeutic plasma angiopoetin-2 and CD 138 levels were associated with a prolonged median progression-free survival (PFS) (p<0.01 and p=0.03 respectively), and overall survival (p<0.01 and p=0.02 respectively). PFS and OS was prolonged in patients with out or with only one detectable biomarker compared with patients with two or three high biomarker levels (p<0.01).

La production de viande à moindre coût nécessite de disposer d’animaux robustes, efficaces, capables de s’adapter aux contraintes d’élevage. Ceci requiert l’évaluation de la capacité de l’animal à constituer et restituer ses réserves énergétiques. Ce travail de thèse a donc pour objectif d’identifier de potentiels biomarqueurs sanguins en lien avec la composition corporelle. Pour cela, deux espèces monogastriques sont étudiées, le porc et le poulet. Au sein de chaque espèce, les animaux de deux lignées génétiques (sélection divergente sur la Consommation Moyenne Journalière Résiduelle chez le porc et sur la proportion de gras abdominal chez le poulet) ont reçu des régimes alimentaires contrastés (riches en lipides et en fibres vs. riches en amidon) mais isoprotéiques et isoénergétiques. Les paramètres plasmatiques et le transcriptome du sang ont été étudiés en réponse à ces régimes alimentaires.Les métabolites et hormones plasmatiques sont affectés par le régime chez le porc alors que ces paramètres sont affectés par le régime et la lignée chez le poulet. L’analyse du métabolome associée aux mesures ciblées des concentrations en métabolites et hormones montre que l’association de plusieurs paramètres sanguins explique entre 37 et 75% de la variabilité de la masse adipeuse chez le porc ou le poulet. Pour les deux espèces, le transcriptome du sang est plus affecté par la lignée génétique que par le régime alimentaire. Les porcs et les poulets nourris avec un régime riche en lipides et en fibres, surexpriment le gène codant la forme hépatique d’une enzyme mitochondriale : CP / Meat production at a lower cost requires robust and efficient animals able to adapt to different rearing conditions. This requires assessing animal’s abilities to store and restore its energy reserves. The objective of the current thesis was to identify potential blood markers of body composition. Two monogastric species were studied, pig and chicken. For each species, animals of two genetic lines (divergent selection on Residual Feed Intake in pigs and abdominal fat proportion in chicken) received two diets contrasted in energy sources (high vegetable oils and fibers vs. rich in starch) but isoproteic and isoenergetic. Plasma parameters and the blood transcriptome were studied in response to those diets.Plasma metabolites and hormones were affected by the diet in pigs whereas those parameters were affected by the diet and the genetic lines in chickens. Metabolome analysis, associated with targeted measurement of metabolites and hormones concentrations, shows that the combination of several blood parameters explained between 37 and 75% of the variability of body fat in pig or chicken. For both species, the blood transcriptome was more affected by the line than by the diet. Pigs and chickens fed a diet rich in lipids and fibers, overexpressed the gene encoding the hepatic form of a mitochondrial enzyme: CPT1A. In summary, this work supports the potential use of blood transcriptome to study variations of phenotypes in a dynamic way throughout the life of the animal and to highlight biomarkers for future selection process.

En Europe, le nombre de cancers est en constante augmentation et explique l’augmentation des traitements. Les bases de ces traitements sont la chimiothérapie et la radiothérapie, seules ou en association. Les chimiothérapies sont effectuées à l’aide de médicaments anticancéreux qui ont des propriétés toxiques pour les cellules. Après administration des traitements aux patients, les médicaments sont excrétés et se concentrent dans les effluents hospitaliers et les réseaux d’égouts. Bien que beaucoup de ces composés soient éliminés dans les stations d’épuration, certains sont difficilement biodégradables et sont directement rejetées dans le milieu naturel où ils représentent un risque toxique pour la flore, la faune et l’Homme. Bien que les concentrations soient faibles (ng/L - μg/L), très peu de données sont disponibles sur leurs impacts écotoxicologiques. Leur présence dans l’environnement est d’autant plus préoccupante que les produits de métabolisation sont souvent plus toxiques que la substance d’origine. L’objectif de la thèse a été d’évaluer le risque (éco)toxicologique induit par de faibles doses de médicaments rejetés seuls ou en mélanges dans les effluents hospitaliers, urbains et dans l’environnement. De par leur utilisation courante dans les traitements anticancéreux, trois molécules ont été sélectionnées pour notre étude : la ciprofloxacine (antibiotique), le tamoxifène (perturbateur endocrinien), et le cyclophosphamide (anticancéreux). Des gammes de concentrations représentatives des effluents hospitaliers, station d’épuration et de l’environnement ont été testées à l’aide de bioessais appliqués à des organismes aquatiques (V. fischeri, P. subcapitata, L. minor) et de biomarqueurs appliqués à une levure (S. cerevisiae) et des cellules humaines hépatiques et mammaires. La viabilité cellulaire (test MTS) et la génotoxicité (cassures à l’ADN et adduit à l’ADN) ont été comparés aux tests standardisés Microtox ®, Algaltoxkit F™, ainsi que d’inhibition de croissance de Lemna minor. Le potentiel perturbateur endocrinien a été évalué en parallèle à l’aide du test YES/YAS. Cette batterie de tests a ensuite été appliquée a des effluents bruts (hospitaliers, station d’épuration) pour en évaluer le potentiel (géno)toxique. Des échantillons à proximité de l’hôpital de Gérone (Espagne) ont été prélevés en sortie de l’hôpital, en entrée et en sortie de station d’épuration, pendant trois mois consécutifs. Plusieurs effets de toxicité ont été observés sur les modèles d’étude, comme notamment l’apparition de phénomènes d’hormèses sur la viabilité des cellules hépatiques exposée au tamoxifène et à la ciprofloxacine, seuls ou en mélange. Le même schéma est observé pour les mélanges avec le test Microtox®. D’autre part, l’exposition respective des cellules hépatiques et mammaires aux médicaments n’entraîne pas de cassures de l’ADN et entraine l’apparition d’adduits seulement avec le tamoxifène, alors qu’on note une augmentation dose-dépendant des cassures et des adduits à l’ADN après exposition aux mélanges. De même, une réponse positive est observée avec le test Algaltox F™. Concernant les effluents, les effets dépendent à la fois du type d’organisme et du temps d’exposition. Les tests Microtox®, Algaltox F™ et le post-marquage des adduits à l’ADN sont apparus être les pertinents pour l’analyse. Les interactions observées entre les composés mettent en avant la nécessité d’évaluer les effets des contaminants à petites doses en mélanges, à plusieurs temps d’exposition et avec différents tests. L’application d’une telle batterie de tests à des échantillons environnementaux permet de qualifier les effluents et de suivre l’efficacité de moyens d’épuration. A terme, son application pourrait permettre de mieux appréhender les risques (éco)toxiques associés aux rejets de médicaments dans l’environnement et pouvant être à l’origine de cancer secondaire chez l’Homme. / In Europe, cancers rate is constantly raising, which explain the increase in treatments. They are usually chemotherapy and radiotherapy, alone or combine. Chemotherapy is done with anticancer drugs with toxic characteristics on cells. After administer the treatments to the patients, some of the drugs are excreted in significant proportion and released in hospital and communal effluents. Even though a lot of the compounds are either removed by adsorption or bio-degradation in waste water treatment plant (WWTP), some of their are not are directly released in the environment and represent a toxic risk for aquatic organisms and the Human health. Despite low concentrations (ng/L-μg/L), few data are available about the ecotoxicological impact. The importance of chemical compounds pollutants, especially anticancer drugs, are a real concern because the metabolites of the chemicals are even more toxic than the original substance. The aim of the thesis is to develop a battery based approach to evaluate the risks induct by low doses of drugs released independently or in mixture, in hospital waste water. Because of their common use in anticancer treatment procedures, three molecules have been chosen for our study: ciprofloxacin (antibiotic), tamoxifen (endocrine disruptor), cyclophosphamide (anticancer). Concentrations were range from hospital sewers and WWTP to the environment have been tested with a battery base approach using standardized bioassays applied on aquatic organisms (V fischeri, S. subcapitata, L. minor) and biomarker applied on yeast (S. cerevisia), hepatic and mammary human cell lines. Cell viability (test MTS) and genotoxicity (DNA breaks, DNA adducts) were compared with the standardized bioassays Microtox®, Algaltoxkit F™, and Lemna minor growth inhibition. In parallel, the endocrine disruptor activity was estimated the YES/YAS assay. The battery assay was then applied to evaluate the (geno)toxicity of raw effluents (hospital, wastewater-treatment plant). Samples from the hospital of Girona (Spain) were taken got out of it from the hospital, in entrance and got out of it from water-treatment plant, during three consecutive months. Several toxic effects have been observed during this work on aquatic organisms and both human cell lines. Results show especially hormetic effect on viability of hepatic cell line exposed to ciprofloxacin and tamoxifen alone or in mixture. Same results were observed the Microtox assays after mixtures exposures. On the other hand, the individually hepatic and mammary cell exposure to the drugs doesn’t induce DNA break, and induce DNA adduct only with the tamoxifen. Furthermore, we observe a dose-dependent increasing of the DNA break and adduct if the cells are exposed in mixture. Same results were observed with Algaltox F™. Concerning the effluents, effects depending on the kind of organisms and time exposure. The Microtox ®, Algaltox F ™ and the DNA adducts post-labelling appeared to be the most relevant for the analysis. The interactions observed between drugs pinpoint the necessity to assess the effect of contaminants in low doses mixtures, at many exposure times, and using different tools. The application of this battery with environmental raw samples is in use to rank outflows toxicity and follow the WWTP efficiency, which could lead to a better understanding of the human health risks.

L'objectif de ce travail était de proposer des approches d'études complémentaires permettant d'identifier des rejets industriels pharmaceutiques à risque pour la santé des espèces piscicoles chroniquement exposées. Après avoir décrit ce tissu industriel complexe en France métropolitaine et identifié un ensemble de rejets à ‘haut risque' pour l'environnement, deux d'entre eux furent analysés selon une approche ‘amont/aval'. Les effets écotoxicologiques sublétaux chez les espèces (goujon ou épinoche) ont été étudiés in situ au moyen d'une batterie de biomarqueurs histologiques et biochimiques complémentaires et préalablement développés. Les résultats obtenus furent confrontés aux données contextuelles disponibles ainsi qu'aux résultats théoriques obtenus par une approche d'extrapolation des données pharmacologiques, appliquée à chaque production spécifique, afin d'étayer un éventuel lien de causalité. L'analyse des goujons n'a révélé aucune influence écotoxicologique liée au rejet ligérien, mais nos résultats semblent indiquer des perturbations biologiques complexes chez les épinoches du ruisseau Commerce, correspondant à des modifications générales documentées chez des poissons chroniquement exposés à des micropolluants. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'interface de communication entre scientifique et législateur, afin d'améliorer la compréhension mutuelle et l'utilisation des informations scientifiques dans le cadre de la biosurveillance de ces rejets industriels. / The aim of this work was to suggest complementary approaches to identify pharmaceutical factory discharges ‘at risk' for wild fish chronically exposed. First, we described this complex industrial network in France. Next, we identified several industrial outlets with ‘high risk' for aquatic environment, and two of them were analyzed according to an ‘upstream/downstream' approach. Subletal in situ ecotoxicological effects in wild species (gudgeon or stickleback) were studied by means of histological and biochemical biomarkers previously developed. Then, these ecotoxicological results were discussed to contextual data and theoretical conclusions from a pharmacological ‘read-across' approach, applied to each specific drug production, to support a potential causal link. Results from gudgeons living in Loire did not allow us to suspect ecotoxicological disturbances in fishes exposed to this pharmaceutical outlet. On the contrary, our results highlights complex biological disturbances in sticklebacks from Commerce, which seem to be consistent with general disruptions of health status of wild fish exposed to micropollutants. Finally, we were interested of science/policy interface to improve the understanding and the use of scientific data within the framework of the biomonitoring of these industrial discharges.

Dans le contexte européen actuel visant la réduction des risques et de l‘utilisation des pesticides, le développement d‘outils permettant d‘évaluer les impacts environnementaux est un objectif majeur. Cette thèse recouvre approche écotoxicologique et approche écologique sous forme d‘études de l‘échelle tissulaire à l‘échelle des populations. L‘espèce modèle est un prédateur généraliste, le forficule, et le site d‘étude les vergers de pommiers du Sud-est de la France. Les effets des pesticides ont été testés aussi bien en condition de laboratoire qu‘en conditions réelles (en vergers). Les études en laboratoire nous ont permis de caractériser et d‘étudier la localisation tissulaire des B-estérases (AChE et CbE) et d‘évaluer la capacité prédatrice chez Forficula auricularia après exposition, sur le puceron Dysaphis plantaginea. Les CbE sont plus sensibles que l‘AChE chez F. auricularia et les B-estérases des mâles sont toujours plus sensibles aux insecticides organophosphorés que celles des femelles. Ces résultats nous permettent de valider l‘utilisation des B-estérases comme biomarqueurs biochimiques chez F. auricularia. La capacité prédatrice de F. auricularia est diminuée par certains insecticides avec les mâles plus impactés que les femelles. Les mesures d‘activité des B-estérases ont corroboré les résultats validant le comportement de prédation comme un nouveau biomarqueur. A l‘échelle de l‘organisme, la reproduction et le développement des premiers stades larvaires ont été suivis grâce à un élevage mis en place à partir d‘insectes prélevés dans des vergers soumis à différentes pratiques phytosanitaires (agriculture biologique, raisonnée et conventionnelle). Le nombre d‘oeufs par ponte est réduit et la date de ponte retardée pour les forficules provenant des vergers à agriculture « conventionnelle ». Pour évaluer l‘effet des pesticides à l‘échelle des populations, l‘abondance et la diversité du forficule (F. auricularia et F. pubescens) ont été suivies en vergers en prenant également en compte des caractéristiques paysagères. L‘impact des pratiques phytosanitaires est plus important que celui des caractéristiques paysagères. L‘espèce F. pubescens est plus sensible que F. auricularia, avec la même différence de sensibilité entre sexes chez les deux espèces (mâles plus sensibles). Le forficule devient alors une espèce bioindicatrice pertinente de l‘utilisation des pesticides en verger de pommiers. Cette étude soulève le besoin de biomarqueurs complémentaires capables de mettre en évidence les modifications physiologiques et comportementales qui influencent les populations d‘auxiliaires et la régulation naturelle des ravageurs. / In the European context which aims at reducing risk and uses of pesticides, the development of tools to evaluate environmental impacts is a major focus. This thesis uses ecotoxicological and ecological approaches, from tissue level to population level. The model species is a generalist predator, the earwig, and the study site is apple orchards in Southeastern France. Pesticides expositions were tested both in laboratory or real conditions (in orchards). Lab studies allowed us to characterize and investigate the tissular distribution of B-esterases (AChE and CbE) of Forficula auricularia and to study its predatory behavior on the aphid Dysaphis plantaginea after exposure. CbE were more sensitive than AChE and males B-esterases were more sensitive than females ones to organophosphorus pesticides. The overall results allowed us to validate the use of B-esterases as biochemical biomarkers on F. auricularia. The predation behavior of F. auricularia was impacted by some insecticides with males more sensitive than females. The behavior results were supported by inhibition of biochemical biomarkers (B-esterases) validating predation behavior as a new biomarker. Taking into account the individual level, the reproduction and development of first larval stages were carried out thanks to a breeding set up with earwigs trapped in orchards conducted under different pest management (organic, integrated and conventional management). Eggs number by clutch was reduced and clutch date was delayed for earwigs trapped in orchards conducted under conventional agriculture. To assess the impact of pesticides on population level, the abundance and diversity of earwig (F. auricularia and F. pubescens) were carried out in different orchard management considering small-scale landscape parameters. Pesticide use had clearly much higher effects on earwig abundances and diversity than landscape characteristics. F. pubescens was more sensitive than F. auricularia, with the same sensitivity difference between sex on both species (males more sensitive) making earwigs a relevant bioindicator species of pesticides use in apple orchards. This study enhances the need of complementary biomarkers able to highlight physiological and behavioral modifications which influence natural enemy populations and the natural regulation of pests.

Ce travail de thèse avait pour objectif l'élaboration d'un capteur optique pour la détection directe de molécules d'intérêt dans un fluide biologique. Deux stéroïdes et un xéniobiotique (herbicide) ont été choisis en tant que biomarqueurs apparaissant dans des fluides corporels : respectivement l'acétate de cyprotérone, le cortisol et l'acide 2,4 dichlorophénoxyacétique. La partie détection, d'une part, est assurée par les polymères à empreintes moléculaires (MIPs, de l'anglais Molecularly Imprinted Polymers). Ces récepteurs synthétiques sur mesure présentent en effet de nombreuses qualités pour l'intégration dans un capteur. Des polymères à empreintes moléculaires ont ainsi été développés pour les analytes visés. L'optimisation des formulations de polymère a été basée sur des plans d'expériences. La transduction optique, d'autre part, est basée sur la structuration du polymère sous la forme d'un cristal photonique. Des opales ont été fabriquées avec un procédé industrialisable pour permettre la mise en forme du MIP en opale inverse. Ainsi structuré à l'échelle submicronique, le matériau présente une couleur susceptible d'évoluer lors de la détection de l'analyte, et ce, grâce à un changement de conformation (gonflement). Les formulations polymères étudiées ont généré des gonflements réduits mais visibles en spectrophotométrie. Le travail rapporté dans cette thèse consiste donc en l'élaboration de polymères à empreintes moléculaires et leur intégration dans un capteur afin de détecter un analyte de façon directe, rapide et ne nécessitant que des équipements transportables, voire portables. / This thesis aimed at elaborating an optical sensor to detect molecules in a biological fluid. Two steroids and a xenobiotic were identified as biomarkers released in some body fluids: cyproterone acetate, cortisol and 2,4-dichlorophenoxyacetic acid respectively. On one hand, detection was performed by Molecularly Imprinted Polymers (MIPs). These tailor-made synthetic receptors display numerous qualities that foster their integration in sensors. MIPs were therefore developed against the targeted analytes. Formulation optimization was led thanks to experimental designs. On the other hand, optical transduction was made possible thanks to the structuring of a polymer into a photonic crystal. Opals were manufactured with a new process suitable for large scales and were used to mold MIPs in inverse opals. Thus, submicron structures of the polymer are responsible for the color of the sensor. A change of color is triggered by the recognition of the analyte by the polymer (upon swelling). Polymers studied displayed sufficient swelling observed by spectrophotometry. Finally, the work of this thesis consisted in elaborating polymer formulations and their integration in a sensor so as to detect an analyte with direct, rapid and unobtrusive means.