Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La peau, qui est le plus grand organe du corps humain, est composée de plusieurs couches dont l'une de leurs fonctions est d'isoler l'intérieur du corps humain de l'environnement extérieur. Au cours de sa vie, un individu sera exposé constamment à divers facteurs environnementaux, comme le rayonnement solaire, la pollution atmosphérique et des produits chimiques, ce qui peut entraîner plusieurs effets néfastes et mener notamment au vieillissement cutané. Dans les dernières années, une interaction intéressante, mais alarmante, a reçu une attention particulière de la communauté scientifique, soit celle entre les rayons solaires et la pollution atmosphérique. Alors que les progrès continuels effectués en recherche fondamentale tentent incessamment d'élucider l'énigme du vieillissement cutané, considéré comme un phénomène inévitable et multifactoriel propre à chaque individu, les études actuelles démontrent néanmoins un manque de connaissance quant à l'interaction entre les nombreux facteurs environnementaux de l'exposome cutané. Actuellement, plusieurs paramètres limitent encore notre capacité à développer des thérapies de prévention et/ou de traitement adéquates qui peuvent être adaptées aux expositions environnementales spécifiques de chaque individu. Les principaux sont la compréhension du vieillissement cutané et des facteurs uniques à l'exposome de chaque individu, ainsi que les modèles de peau existants. Le premier objectif de cette thèse, présenté au chapitre 2, a donc été de trouver de nouvelles avenues thérapeutiques pour contrer le vieillissement cutané en exploitant les effets d'un exposome bénéfique, soit en utilisant un extrait de Kalmia angustifolia. Les effets bénéfiques potentiels du K. angustifolia ont d'abord été évalués à l'aide d'un modèle préexistant de substituts cutanés reconstruits par génie tissulaire selon la méthode usuelle afin de mieux comprendre l'interaction entre l'extrait et le tissu cutané. Les résultats de cette étude ont permis de démontrer l'activité biologique de cette plante, ainsi que son potentiel anti-âge. Devant ces résultats prometteurs et afin de repousser les limites de notre recherche, notre équipe a voulu tenter la mise au point d'un modèle pouvant mieux représenter le phénomène du vieillissement cutané. Bien que plusieurs modèles aient su répondre à divers questionnements et faire avancer la recherche fondamentale au cours des dernières années, aucun d'entre eux n'est encore arrivé à mimer parfaitement le vieillissement cutané; surtout en raison de la complexité de ce phénomène. L'objectif suivant a donc été de développer un modèle de substituts cutanés mimant davantage l'exposome cutané auquel les individus de notre époque sont quotidiennement soumis. Pour ce faire, une caractérisation de l'interaction entre deux facteurs environnementaux nuisibles au vieillissement cutané, soit la fumée de cigarette et les rayons solaires, a d'abord été réalisée sur des kératinocytes primaires humains cultivés en monocouche et ensuite sur un modèle de substituts cutanés. Les résultats présentés aux chapitres 3 et 4 de cette thèse tentent de démystifier la nature de cette interaction et d'évaluer ses effets sur la peau. Les résultats issus de ces deux études ont permis d'établir qu'une synergie toxique pour les cellules cutanées se produit entre les deux facteurs environnementaux et que ce stress photo-polluant provoque une augmentation du stress oxydatif. Cette synergie s'est aussi avérée néfaste au niveau structurel, notamment en provoquant une diminution de la production et de l'expression des collagènes, ainsi qu'une augmentation de l'activité de métalloprotéinases matricielles et de l'expression de cytokines pro-inflammatoires, le tout médié par différentes voies signalétiques pouvant être impliquées dans l'apparition des signes de l'âge. En conclusion, outre sa contribution significative à l'avancement des connaissances quant à la complexité des interactions menant au vieillissement prématuré de la peau, cette thèse a également permis de concevoir un modèle de substituts cutanés présentant plusieurs signes et caractéristiques de ce phénomène. Ainsi, cette thèse propose un modèle plus représentatif du vieillissement sur lequel une double exposition (fumée de cigarette et rayonnement solaire) a été réalisée et ce, de manière chronique. Enfin, ce nouveau modèle présente une opportunité substantielle dans le domaine des dermocosmétiques pour évaluer l'efficacité de composés anti-âge, de nouvelles formulations, ainsi que l'implication de l'exposome cutané unique à chaque individu. / he skin, which is the body's largest organ, is composed of multiple protective layers whose function, among others, is to insulate the interior of the human body from the external environment. Over the course of an individual's lifetime, it will be subjected to varied and constant environmental factors, including solar radiation, air pollution, and chemicals, which can lead to several detrimental effects, including skin aging. In recent years, an interesting, but alarming, interaction has received particular attention from the research community: the interaction between solar rays and air pollution. While constant progress in basic research continues to attempt to elucidate the enigma behind skin aging, which is viewed as an inevitable and multifactorial phenomenon unique to each individual, current studies nonetheless demonstrate a continued lack of knowledge as to the interaction between the many environmental factors of the skin exposome. Currently, there are still several parameters that limit our ability to develop adequate prevention and/or treatment therapies that can be tailored to an individual's specific environmental exposures; the main ones being a better understanding of skin aging in the context of an individual's unique exposome, as well as the shortcomings of existing skin models. The first objective of this thesis, presented in chapter 2, was to find new therapeutic avenues to counteract skin aging by exploiting the effects of a beneficial exposome, namely a plant extract from Kalmia angustifolia. The potential benefits of K. angustifolia were first evaluated using a pre-existing model of skin substitutes reconstructed by tissue engineering according to the usual method in order to better understand the interaction between the extract and the cutaneous tissue. The results of this study demonstrated the biological activity of the plant as well as its anti-aging potential. In light of these promising results and in order to push the limits of our research, our team decided to develop a model that could better represent the phenomenonof skin aging. Despite the pre-existence of several models, which have been able to answer various questions and advance research in the field, none of them has yet been able to perfectly mimic skin aging, especially because of the complexity of the phenomenon. The second objective of this thesis was, therefore, to develop a model of skin substitutes that would better mimic the skin exposome that individuals are subjected to daily. In that context, a characterization of the interaction between two environmental factors harmful to skin aging, namely cigarette smoke and solar radiation, was first carried out on human primary keratinocytes cultivated in monolayers and, subsequently, on a 3D model of skin substitutes. The results presented in chapters 3 and 4 of this thesis try to demystify the nature of this interaction and to assess its effects on the skin. Specifically, the results demonstratethat a toxic synergy for skin cells occurs between these two environmental factors and that this photo-pollutant stress causes an increase in oxidative stress. This synergy also proves to be harmful at the structural level, in particular by causing a decrease in the production and expression of collagens, as well as an increase in the activity of matrix metalloproteinases and the expression of pro-inflammatory cytokines, all mediated by different signaling pathways that can be involved in the appearance of signs of aging.In conclusion, in addition to its significant contribution to the advancement of knowledge regarding the complexity surrounding interactions leading to premature skin aging, this thesis also develops a model of skin substitutes which includes several signs and characteristics of this phenomenon. Thus, this thesis proposes a more representative model of aging on which a double exposure (tobacco smoke and solar radiation) has been performed chronically. Finally, this new model presents a substantial opportunity into the field of dermocosmetics to assess the efficiency of anti-aging compounds, new formulations, as well as the involvement of unique individual exposomes.

L'environnement professionnel est une source multifactorielle d'expositions où des nuisances d'origine industrielle, chimique ou toxique interagissent pour produire des effets néfastes sur la santé. Le Réseau National de Vigilance et de Prévention des Pathologies Professionnelles (RNV3P) est une base de données où des médecins spécialistes enregistrent des Problèmes de Santé au Travail (PST) à la suite d'un interrogatoire professionnel avec le patient. Un PST est défini comme l'association entre une pathologie et des expositions professionnelles multiples (1 à 5 nuisances, un métier et un secteur d'activité). Les objectifs consistent à développer une approche prenant en compte la multi-exposition professionnelle pour surveiller et détecter les PST potentiellement émergents. Ce travail débute par l'investigation des méthodes et outils statistiques existants pour la surveillance et la détection des événements sanitaires émergents. Nous décrivons ensuite la base de données du RNV3P, son activité et les travaux de recherche déjà réalisés, puis définissons le concept d'émergence au sens des données du RNV3P. Dans un premier temps, nous avons développé une approche basée sur les réseaux relationnels, appelée "Exposomes", qui permet de caractériser et surveiller les expositions professionnelles simples ou multiples potentiellement en cause dans la survenue de la pathologie. A partir du processus d'enregistrement des PST, nous avons dans un deuxième temps développé des travaux de modélisation, appelés "Fonctions Expertes", et construit une stratégie pour détecter des Problèmes de Santé au Travail potentiellement émergents. / The occupational environment is a multifactorial source of exposures where industrial, chemical or toxic hazards interact to produce adverse effects on health. The French national occupational disease surveillance and prevention network (called RNV3P for Réseau National de Vigilance et de Prévention des Pathologies Professionnelles) is a database of Occupational Health Problems (OHPs) defined by physician scientists after a professionnal examination with the patient. An OHP is defined as an association between a disease and a set of occupational exposures (1 to 5 hazards, poste and activity sector). Objectives consist in developing an approach taking into account occupational multi-exposure for temporal surveillance of OHPs and identifying potentially emerging OHPs. This work begins with investigation of existent methods and statistical tools for surveillance and detection of emerging public health events. We then describe the RNV3P database, activity and researches already done, and then we define the concept of emergence in the sense of RNV3P data. First, we developed an approach based on relational networks, called "exposome" which is used to characterize and monitor single or multiple occupational exposures potentially involved in the onset of the disease. Second, from the OHP registration process, we develop a modeling work, called "Experts Functions", and built a strategy to detect potentially emerging OHPs.

Mes travaux de thèse mettent en avant le développement de la stratégie métabonomique dans le cadre de deux thématiques d'actualité : le domaine du dopage sportif (Partie A) et celui de l'Exposome (Partie B). La première partie regroupe deux études et a pour objectif d'évaluer la contribution de la métabonomique au développement de nouveaux outils de criblage du dopage. Au cours de ces études, je me suis intéressée à l'analyse non-ciblée d'échantillons d'urine d'athlètes dopés et non- dopés, fournis par l'Agence Française de Lutte contre le Dopage et par des volontaires. L'originalité de cette démarche réside dans son caractère non-ciblé et plus particulièrement, dans sa capacité à mettre en évidence des perturbations au niveau métabolique grâce à (i) la spectrométrie de masse haute résolution (ToF) et très-haute résolution (FT-ICR) et (ii) l'analyse de données multivariées. Des potentiels biomarqueurs du dopage au tétrahydrocannabinol, salbutamol et budésonide ont ainsi pu être mis en évidence. La deuxième partie de ma thèse a pour objectif d'évaluer l'impact de la vinclozoline sur le système hormonal de rats et répond ainsi aux besoins de la nouvelle réglementation. Pour cette étude, je me suis donc intéressée aux échantillons de testicules de rats ayant subi un traitement à la vinclozoline. De par son caractère compréhensif, l'approche métabonomique m'a permis d'apporter des informations complémentaires aux études ciblées réalisées auparavant. Ces travaux me permettent alors de mettre en évidence les apports et les limites de la stratégie métabonomique par rapport : (1) au choix et à la préparation des échantillons d'origine biologique, (2) aux avantages et aux inconvénients des différentes techniques analytiques, (3) aux possibilités en termes de traitement des données, (4) aux exigences statistiques et (5) à la valeur biologique des résultats obtenus / My research work highlights the development of a metabonomic strategy through two topical issues: the doping in sport (Part A) and the Exposome (Part B). The first part includes two studies and aims to assess the contribution of metabonomics to the development of new screening tools. During these studies, I focused on the non-targeted analysis of clean and doped urine samples provided by the French Anti-Doping Agency and by volunteers. The originality of this approach lies in its non-targeted nature and, particularly, in its ability to highlight metabolic disruptions by (i) high-resolution (ToF) and very high-resolution (FT ICR) mass spectrometry and (ii) the analysis of multivariate data. The implemented strategy revealed several potential biomarkers for the use of tetrahydrocannabinol, budesonide and salbutamol. The second part of this thesis aims to evaluate the impact of vinclozolin on the hormonal system of rats and thus meets the requirements of the new regulations. For this study, I focused on testes extracts coming from rats treated with vinclozolin. Due to its comprehensive nature, the metabonomic study provided additional information to the previous targeted approach. All these results highlight the contributions and the limitations of metabonomics with regard to: (1) the choice and the preparation of biological samples, (2) the advantages and disadvantages of different analytical techniques, (3) the opportunities in terms of data processing, (4) the statistical requirements and (5) the biological value of the results

Ces travaux mettent en avant le développement de méthodes analytiques afin d'évaluer l'Exposome selon différentes stratégies. Une méthode multirésidus sélective permettant l'analyse d'additifs plastiques et de leurs produits de dégradation pouvant être relargués par des emballages plastiques dans les boissons et les aliments, et ainsi être ingérés par l'Homme, a tout d'abord été mise au point. Cette méthode consiste en une extraction de type Stir Bar Sorptive Extraction sur des barreaux à base de dérivés de polydiméthylsiloxane des additifs plastiques ciblés, suivie d'une analyse par chromatographie liquide ultra-haute performance couplée à un spectromètre de masse en tandem de type triple quadripôle. Afin de détecter et quantifier une plus large gamme de contaminants entrant en contact avec l'Homme, une méthode de screening a été développée par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution avec un instrument de type QqToF, à partir d'une matrice urinaire. La méthode de screening ciblé, validée selon les recommandations FDA, a permis de quantifier des contaminants appartenant à diverses familles dans l'urine, sans préparation préalable de l'échantillon, à des concentrations de l'ordre du ng/mL. Appliquée à des urines de volontaires, la méthode de screening non ciblé a permis d'émettre de nombreuses hypothèses d'identification de composés après fragmentation MS/MS. La mise en place de tels outils pour caractériser l'Exposome, associée à des études statistiques et bio-informatiques, contribueront grandement à la compréhension des relations de causalité entre les maladies humaines et les facteurs environnementaux / These research works highlight the development of analytical methods, based on mass spectrometry, to assess the Exposome according to different strategies. A selective multiresidue method for the analysis of plastic additives and their degradation products that may be released by plastic packaging in food and beverages and thus ingested by man was developed. This method consists of a Stir Bar Sorptive Extraction with bars covered by polydimethylsiloxane derivatives, followed by an analysis by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry with a triple quadrupole instrument. To detect and quantify a wide range of contaminants in contact with man in daily routine, a screening method was developed by liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry with a quadrupole-time-of-flight instrument from urinary matrix. The targeted screening method validated according to FDA guidelines allows the quantification of contaminants classified according to different families, in urine without sample preparation, at concentrations of the order of ng.mL-1. This method was applied to volunteers’ urine samples. The non-targeted screening method allows issuing numerous assumptions of compound identification after MS/MS fragmentation. The implementation of this tool to measure the Exposome associated with statistical studies, contribute greatly to the understanding of the causal relationships between diseases and environmental factors

L'environnement professionnel est une source multifactorielle d'expositions où des nuisances d'origine industrielle, chimique ou toxique interagissent pour produire des effets néfastes sur la santé. Le Réseau National de Vigilance et de Prévention des Pathologies Professionnelles (RNV3P) est une base de données où des médecins spécialistes enregistrent des Problèmes de Santé au Travail (PST) à la suite d'un interrogatoire professionnel avec le patient. Un PST est défini comme l'association entre une pathologie et des expositions professionnelles multiples (1 à 5 nuisances, un métier et un secteur d'activité). Les objectifs consistent à développer une approche prenant en compte la multi-exposition professionnelle pour surveiller et détecter les PST potentiellement émergents. Ce travail débute par l'investigation des méthodes et outils statistiques existants pour la surveillance et la détection des événements sanitaires émergents. Nous décrivons ensuite la base de données du RNV3P, son activité et les travaux de recherche déjà réalisés, puis définissons le concept d'émergence au sens des données du RNV3P. Dans un premier temps, nous avons développé une approche basée sur les réseaux relationnels, appelée "Exposomes", qui permet de caractériser et surveiller les expositions professionnelles simples ou multiples potentiellement en cause dans la survenue de la pathologie. A partir du processus d'enregistrement des PST, nous avons dans un deuxième temps développé des travaux de modélisation, appelés "Fonctions Expertes", et construit une stratégie pour détecter des Problèmes de Santé au Travail potentiellement émergents.

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L'impact de la population sur l'environnement et celui de l'environnement sur la santé humaine est indéniable et représente depuis les années 2000 de réels enjeux de Santé Publique. Il a été constaté en outre des augmentations de prévalence de cancer, de maladies respiratoires ou encore des troubles de la reproduction, dont les origines multifactorielles sont de plus en plus suspectées. Dans ce contexte, la surveillance est devenue un outil indispensable à la prise de décision en santé publique, et les réseaux de surveillances des évènements sanitaires se sont multipliés, donnant naissance à de nombreuses bases de données, parfois massives, dont les utilisations sont encore limitées.L'objectif de ces travaux de thèse était de développer un nouveau concept de surveillance, la Surveillance Observationnelle (SO), permettant une utilisation optimale des bases de données observationnelles, généralisable à différentes bases et problématiques, et pouvant tenir compte des informations multiples qu'elles contiennent.La SO est basée sur la méthode de l'exposome, ayant pour but de restructurer les données sous forme de réseau, permettant ainsi l'étude des associations entre les informations mais également l'étude de leur structure. Il a alors été développé plusieurs indicateurs permettant d'étudier à la fois les différentes associations d'informations recrutées au sein d'une base de données pour un évènement de santé, mais également d'étudier l'évolution de leur structure dans le temps par un suivi dynamique, ces indicateurs permettant de générer la signature unique d'un évènement de santé : le spectre. Un outil, appelé « Observational Surveillance Analysis » (OSA) permettant l'utilisation en routine de la méthodologie a également été développé dans la plateforme R, permettant une automatisation et une standardisation des résultats.Des exemples d'applications ont permis d'illustrer le déroulement de l'analyse de la SO ainsi que sa portabilité et adaptabilité au contexte et à la problématique. Trois applications sont basées sur les données du Réseau National de Vigilance et de Prévention des Pathologies Professionnelles (RNV3P) : le cancer de la vessie, l'asthme et enfin le lymphome non hodgkinien. Trois autres applications sont basées sur la base de données du groupe de médecins du travail Belge IDEWE : les douleurs à la gorge, les aides-soignants et les agriculteurs.Grâce aux différentes applications, il a été démontré la portabilité de la méthodologie de la SO à des bases de données différentes, mais également à des configurations d'analyse différentes, pathologie/expositions ou activité/expositions. De plus, l'outil « OSA » qui a été développé permet une utilisation facilitée pour l'analyse en routine des données et pourrait à terme être intégré dans un réseau de surveillance déjà existant. / Impact of population on the environment, and conversely, is obvious and represents a real challenge for Public Health since 2000. It has been shown an increase in cancer prevalence, respiratory disease or even reproductive disorders, for which multifactorial origins are strongly suspected. In this context, surveillance has become an essential tool to decision making in public health, and surveillance networks of health events are multiplying, giving rise to numerous databases (sometimes considered as “big data”), still poorly used.Objective of this thesis work was to develop a new concept of surveillance, the Observational Surveillance (OS). This allows an optimal use of observational databases, extendable to different kind of databases and problematics, taking into account various multiple information available.OS is based on the exposome approach, to restructure data as a network, allowing the study of associations between information and also their structure. In this purpose, several indicators have been developed to study in the meantime the different recruited association for an event of interest, but also the evolution of their structure over time. These indicators allow generating the unique signature of the event: the spectrum. A tool, named “Observational Surveillance Analysis” (OSA), allowing the routine use of methodology, has been developed in the R platform, which permits automation and standardization of results.Applications were used to illustrate the OS analysis and its portability and adaptability to different context and problematic. Three applications are based on the French National Occupational Diseases Surveillance and Prevention Network (RNV3P): bladder cancer, asthma and non-Hodgkin lymphoma. Three other applications are based on the Belgium occupational physicians group IDEWE: sore throat, caregivers and farmers.Thanks to different applications, it has been demonstrated the portability of the OS methodology to different databases, and also, to different analysis configuration, disease/exposures or activity/diseases. Furthermore, the “OSA” tool which has been developed, allows an easier use to routine analysis and, in the end, could be integrated in an existing surveillance network.

Exposomics is an emerging area of study that looks at how the environment around a person or persons affects their overall health. Biomarkers have emerged as useful tools to better understand how the exposome affects a person. In this work, we investigate two potential endogenous biomarkers, homocysteine and glutathione that have been previously implicated in a number of diseases that have been linked to environmental causes. We also investigated an environmental exposure, the fungicide Ziram, which epidemiologically has been linked to diseases. In our investigation, we utilized capillary electrophoresis and capillary electrophoresis-mass spectrometry to develop a method for homocysteine and identify a derivative to keep it from auto-oxidizing. We utilized mass spectrometry to identify the best ionization technique to detect Ziram and confirmation of where it binds on thiol-containing molecules. We also developed a method to extract glutathione-Ziram from serum and utilized liquid chromatography-mass spectrometry to begin a validation of glutathione-Ziram. Although future work is needed, we believe that this work was the beginning steps to understand biomarkers and their role in the exposome.

No / Developmental periods in early life may be particularly vulnerable to impacts of environmental exposures. Human research on this topic has generally focused on single exposure–health effect relationships. The “exposome” concept encompasses the totality of exposures from conception onward, complementing the genome. Objectives: The Human Early-Life Exposome (HELIX) project is a new collaborative research project that aims to implement novel exposure assessment and biomarker methods to characterize early-life exposure to multiple environmental factors and associate these with omics biomarkers and child health outcomes, thus characterizing the “early-life exposome.” Here we describe the general design of the project. Methods: In six existing birth cohort studies in Europe, HELIX will estimate prenatal and postnatal exposure to a broad range of chemical and physical exposures. Exposure models will be developed for the full cohorts totaling 32,000 mother–child pairs, and biomarkers will be measured in a subset of 1,200 mother–child pairs. Nested repeat-sampling panel studies (n = 150) will collect data on biomarker variability, use smartphones to assess mobility and physical activity, and perform personal exposure monitoring. Omics techniques will determine molecular profiles (metabolome, proteome, transcriptome, epigenome) associated with exposures. Statistical methods for multiple exposures will provide exposure–response estimates for fetal and child growth, obesity, neurodevelopment, and respiratory outcomes. A health impact assessment exercise will evaluate risks and benefits of combined exposures. Conclusions: HELIX is one of the first attempts to describe the early-life exposome of European populations and unravel its relation to omics markers and health in childhood. As proof of concept, it will form an important first step toward the life-course exposome.

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