Les Tauopathies sont un ensemble de maladies neurodégénératives caractérisées par l’agrégation de la protéine Tau dans les neurones, astrocytes et autres types cellulaires. Toutefois, les mécanismes sous-tendant la présence de Tau dans les astrocytes et les conséquences de Tau sur les astrocytes restent peu connus. L’objectif de ce projet a été d’étudier l’interaction entre les neurones porteurs de Tau soluble et/ou agrégée et les astrocytes avoisinants. Nous avons généré trois modèles de Tauopathie par transfert de gènes et avons caractérisé la pathologie Tau neuronale et astrocytaire par histologie et biologie moléculaire. Dans l’hippocampe, la surexpression de l’isoforme mutante hTAUP301L ou d’une forme pro-agrégeante hTAUProAggr, mais pas celle de la protéine sauvage hTAUWT, a entraîné la formation progressive d’agrégats aussi bien dans les neurones que dans les astrocytes. Nous avons montré que les inclusions astrocytaires de Tau étaient secondaires à une pathologie neuronale par différents schémas expérimentaux. En utilisant des vecteurs spécifiques de types cellulaires, nous avons également démontré le transfert bi-directionnel d’espèces de Tau entre neurones et astrocytes. Curieusement, nous avons observé une perte astrocytaire uniquement dans le subiculum du groupe hTAUWT qui ne présente pas d’inclusions astrocytaires de Tau. Nos données ont montré que, dans nos modèles, la tauopathie astrocytaire est secondaire à la présence de dégénérescences neurofibrillaires et ne résulte pas d’une agrégation liée à une surexpression réactionnelle de Tau endogène dans l’astrocyte. De plus, des amorces de Tau neuronales peuvent promouvoir l’agrégation de Tau astrocytaire et la Tau astrocytaire peut être transférée aux neurones. Par ailleurs, si les agrégats de Tau paraissent plutôt bénins pour les astrocytes, les conséquences fonctionnelles d’une telle astrogliopathie restent encore à évaluer. / Tauopathies are neurodegenerative diseases characterized by the aggregation of Tau protein in neurons, astrocytes and other cell types. However, the mechanisms leading to the presence of Tau aggregates in astrocytes and the consequences of Tau on astrocytes are poorly understood. The aim of this project was to study the relationship between neurons bearing soluble and/or aggregated Tau species and their neighboring astrocytes.We thus generated three gene transfer-based Tauopathy models and used immunohistological and molecular biology methods to characterize Tau pathology in neurons and astrocytes.In the hippocampus, overexpression of mutant hTAUP301L or that of a pro-aggregating variant hTAUProAggr, but not that of wild-type Tau hTAUWT, led to a gradual increase in the formation of aggregates not only in neurons but also in astrocytes. Using different experimental paradigms, we showed that astrocytic Tau was secondary to neuronal pathology. Using cell type-specific AAV- Tau vectors, we further demonstrated the bi-directional transfer of Tau species between neurons and astrocytes. Interestingly, we observed astrocyte loss in the subiculum only in the hTauWT group in the absence of any astrocytic Tau inclusions.Our data show that astroglial tauopathy is secondary to the presence of neurofibrillary tangles in our models and does not result from aggregation of overexpressed endogenous Tau in astrocytes. In addition, neuronal Tau seeds can promote the aggregation of astrocytic Tau and astrocytic Tau can be transferred to neurons. Furthermore, if Tau aggregates appear fairly innocuous for astrocytes, the functional consequences of such astroglial tauopathy still remain to be further assessed.

Une différence entre les genres est présente dans la toxicité de la methamphétamine. Les études neuroprotectrices ont montré que l'estradiol ne protège pas les terminaisons striatales dopaminergiques de la toxicité de la methamphétamine chez les souris mâles. L'effet du composé oestrogénique tamoxifene contre la toxicité de la methamphétamine chez des souris mâles, ainsi que la différence entre les genres dans la toxicité de la methamphétamine et dans l'effet du tamoxifene sur des marqueurs dopaminergiques et la signalisation intracellulaire furent évalués. L'effet du tamoxifene est dose-dépendant et diminue la toxicité de la methamphétamine sur certains marqueurs évalués. Les souris mâles sont plus sensibles à la toxicité de la methamphétamine, présentent une dégénérescence plus sévère des terminaisons et la signalisation intracellulaire PDKAAkt est modulée différemment selon le genre, suggérant l'implication de PI3K/Akt dans cette différence. Chez les souris intactes, les effets du tamoxifene sont dose-dépendants et davantage présents chez les mâles.

L’irinotécan est un agent de chimiothérapie largement utilisé pour le traitement de tumeurs solides, particulièrement pour le cancer colorectal métastatique (mCRC). Fréquemment, le traitement par l’irinotécan conduit à la neutropénie et la diarrhée, des effets secondaires sévères qui peuvent limiter la poursuite du traitement et la qualité de vie des patients. Plusieurs études pharmacogénomiques ont évalué les risques associés à la chimiothérapie à base d’irinotécan, en particulier en lien avec le gène UGT1A, alors que peu d’études ont examiné l’impact des gènes codant pour des transporteurs. Par exemple, le marqueur UGT1A1*28 a été associé à une augmentation de 2 fois du risque de neutropénie, mais ce marqueur ne permet pas de prédire la toxicité gastrointestinale ou l’issue clinique. L’objectif de cette étude était de découvrir de nouveaux marqueurs génétiques associés au risque de toxicité induite par l’irinotécan, en utilisant une stratégie d’haplotype/SNP-étiquette permettant de maximiser la couverture des loci génétiques ciblés. Nous avons analysé les associations génétiques des loci UGT1 et sept gènes codants pour des transporteurs ABC impliqués dans la pharmacocinétique de l’irinotécan, soient ABCB1, ABCC1, ABCC2, ABCC5, ABCG1, ABCG2 ainsi que SLCO1B1. Les profils de 167 patients canadiens atteints de mCRC sous traitement FOLFIRI (à base d’irinotécan) ont été examinés et les marqueurs significatifs ont par la suite été validés dans une cohorte indépendante de 250 patients italiens. Nous avons découvert dans la région intergénique en aval du gène UGT1, un nouveau marqueur (rs11563250G) associé à un moindre risque de neutropénie sévère (rapport des cotes (RC)=0.21; p=0.043 chez les canadiens, RC=0.27; p=0.036 chez les italiens, et RC=0.31 p=0.001 pour les deux cohortes combinées). De plus, le RC est demeuré significatif après correction pour multiples comparaisons (p=0.041). Par ailleurs, pour l’haplotype défini par les marqueurs rs11563250G et UGT1A1*1 (rs8175347 TA6), le RC était de 0.17 (p=0.0004). Un test génétique évaluant ces marqueurs permettrait d’identifier les patients susceptibles de bénéficier d’une augmentation de dose d’irinotécan. En revanche, une autre combinaison de marqueurs, ABCC5 rs3749438 et rs10937158 (T–C), a prédit un risque plus faible de diarrhée sévère dans les deux cohortes (RC = 0.43; p=0.001). La coexistence des marqueurs ABCG1 rs225440T et ABCC5 rs2292997A a prédit un risque accru de neutropénie (RC=5.93; p=0.0002), alors qu’une prédiction encore plus significative a été obtenue lorsque ces marqueurs sont combinés au marqueur de risque bien établi UGT1A1*28 rs8175347 (RC=7.68; p< 0.0001). Enfin, les porteurs de l’allèle de protection UGT1 rs11563250G en absence d’allèles de risque, ont montré une incidence réduite de neutropénie sévère (8.2% vs. 34.0%; p< 0.0001). Nous concluons que ces nouveaux marqueurs génétiques prédictifs pourraient permettre d’améliorer l’évaluation du risque de toxicité et personnaliser le traitement à base d’irinotécan pour les patients atteints du cancer colorectal métastatique. / Irinotecan is a cytotoxic agent widely used for the treatment of solid tumors, most particularly for metastatic colorectal cancers (mCRC). Treatment with this drug frequently results in severe neutropenia and diarrhea that can seriously impact the course of treatment and patients’ quality of life. Pharmacogenomic tailoring of irinotecan-based chemotherapy has been the subject of several investigations, especially for the UGT1A1 gene, but with limited data regarding transporter genes. In this study, we sought to discover toxicity-associated markers using a haplotype-tagging SNP (htSNP) strategy to maximize gene coverage. We examined the genetic association across the UGT1 locus, and in seven transporter genes participating in irinotecan pharmacokinetics involving the ABC transporter genes ABCB1, ABCC1, ABCC2, ABCC5, ABCG1, ABCG2 and the solute carrier organic anion transporter gene SLCO1B1. The profiles of 167 mCRC Canadian patients treated with FOLFIRI-based regimens were examined and findings were replicated in an independent cohort of 250 Italian patients. We found rs11563250G, located in the intergenic region downstream of UGT1, to be significantly associated with reduced risk of severe neutropenia (odds ratio (OR)=0.21; p=0.043 and OR=0.27; p=0.036, respectively, and OR=0.31 when combined; p=0.001), which remained significant upon correction for multiple testing in the combined cohort (p=0.041). For the two-marker haplotype rs11563250G and UGT1A1*1 (rs8175347 TA6), the OR was of 0.17 (p=0.0004). Genetic testing of this marker may identify patients who might benefit from increased irinotecan dosing. In combined cohorts, a two-marker ABCC5 rs3749438 and rs10937158 haplotype (T–C) predicted a lower risk of severe diarrhea (odds ratio (OR) of 0.43; p=0.001). The co-occurrence of ABCG1 rs225440T and ABCC5 rs2292997A predicted an increased risk of severe neutropenia (OR=5.93; p=0.0002), which was further improved when incorporating the well-known risk marker UGT1A1*28 rs8175347 (OR=7.68; p< 0.0001). In contrast, carriers of one protective marker (UGT1 rs11563250G) but none of these risk alleles experienced significantly less severe neutropenia (8.2% vs. 34.0%; p< 0.0001). This combination of predictive genetic markers could lead to better risk assessment and may thus enhance personalized treatment.

Cette étude s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche destiné à évaluer le potentiel de la biodésinfection anaérobie (BDA) pour lutter contre les champignons phytopathogènes du sol dans les fraisières. Elle avait pour objectifs de (1) caractériser les profils d'acides gras volatils (AGVs) obtenus suite à la BDA réalisée avec différentes matières organiques et (2) déterminer la fongitoxicité et la phytotoxicité des AGVs. La BDA du sol a été réalisée in vitro avec comme amendements organiques une variété de résidus lignocellulosiques et de sous-produits de l'industrie agroalimentaire largement disponibles dans la province de Québec. Les sols amendés en matière organique ont généralement présenté des valeurs négatives de potentiel redox après deux semaines de BDA. Les concentrations du sol en AGVs (acide acétique, butyrique, isobutyrique, propionique, valérique et isovalérique) et la concentration totale en AGVs ont varié selon l'amendement organique utilisé. Les concentrations totales en AGVs les plus élevées furent obtenues dans les sols amendés avec la mélasse, la drêche de brasserie ou le marc de pomme. L'exposition à l'acide acétique et à l'acide butyrique, aux concentrations obtenues dans les sols soumis à la BDA, fut létale pour Verticillium dahliae et Neopestalotiopsis rosae. Des plantules de fraisier (Fragaria × ananassa) transplantées dans le sol après la BDA ont développé des symptômes de phytotoxicité au niveau des feuilles et des racines. Les symptômes les plus intenses ont été observés dans les sols dont les concentrations totales en AGVs étaient les plus élevées. L'acide butyrique et l'acide acétique seraient responsables, à tout le moins en partie, des symptômes foliaires de phytotoxicité. Cette étude démontre que le type de matière organique incorporé dans le sol influence les profils d'AGVs obtenus suivant un traitement de BDA et que l'acide acétique et l'acide butyrique, les AGVs produits en plus grande quantité, sont fongitoxiques et phytotoxiques.

Les céréales et les produits issus de leur transformation sont susceptibles d’être contaminés par des espèces fongiques capables de produire des mycotoxines. L’Homme est ainsi exposé tout au long de sa vie à travers son alimentation à ces contaminants naturels, généralement à de faibles doses et en mélange. Cependant, l’incidence de la présence simultanée de ces toxines sur notre santé, à court terme comme à plus long terme, ainsi que les mécanismes responsables de leur toxicité sont encore peu ou mal caractérisés. L’utilisation de modèles cellulaires humains pertinents et adaptés est particulièrement importante pour de telles études. L’épithélium intestinal et le système immunitaire, qui constituent la première barrière de défense de l’hôte suite à l’ingestion de contaminants alimentaires, ainsi que le foie, de par son rôle majeur dans la biotransformation des xénobiotiques, représentent des modèles d’étude pertinents en toxicologie. Dans le cadre de cette étude, des modèles cellulaires humains d’origine intestinale (Caco-2), immunitaire (THP-1) et hépatique (HepaRG) ont été employés pour évaluer le risque associé à la co-exposition aux mycotoxines de Fusarium (appelées fusariotoxines) qui sont parmi les plus problématiques dans nos régions. Différents types d’interactions, tels que de l’antagonisme et du synergisme, ont pu être observés sur la viabilité cellulaire en fonction de la nature du mélange, des doses testées, de la lignée cellulaire étudiée et du modèle mathématique utilisé pour prédire les effets combinés. Des interactions ont également été observées à l’échelle moléculaire, les effets des mélanges étant très différents de ceux induits par les toxines individuellement sur le protéome des cellules. D’autres résultats obtenus interrogent sur la façon dont les mycotoxines déclenchent réellement la réponse cellulaire. De plus, les interactions entre cellules cocultivées semblent capables de modifier la réponse cellulaire suite à l’exposition à ces toxines. Ces résultats soulignent l’importance de développer des modèles in vitro de plus en plus sophistiqués et s’approchant des conditions in vivo pour permettre une meilleure caractérisation du risque « mycotoxine ». / Cereals and cereal-based products are susceptible to be contaminated by mycotoxin-producing fungi.Thus, through their diet, humans are exposed throughout their life to these natural food contaminants, mostly at low doses and in mixture. However, the health impact of the simultaneous exposure to these toxins, in acute and chronic conditions, as well as the mechanism related to their toxicity, are still poorly characterized. The use of relevant and suitable human cell models is therefore of particular importance for such studies. The intestinal epithelium and immune system, which constitute the first host defense barrier following the food contaminant uptake, as well as the liver, due to its major function in xenobiotic biotransformation, are relevant for toxicity studies. In the framework of study, the intestinal (Caco-2), immune (THP-1) and hepatic (HepaRG) human cell models were used for risk assessment associated with co-exposure to Fusarium mycotoxins (called fusariotoxins) which are the most problematic in our regions. Different type of interactions, such as antagonism and synergism, were observed on cell viability depending on the nature of the mixture, tested concentration, studied cell line and used mathematical model to predict the combined effects. Interactions were also highlighted at the molecular level, the effects of mixtures being very different from those induced by the toxins alone on the cell proteome. Other results raised the question about how mycotoxins actually trigger the cellular response. In addition, cell-cell interactions in co-cultured systems appeared to modify the cellular response following exposures to these toxins. Overall, the obtained results highlighted the relevance of developing in vitro models increasingly sophisticated and closer to in vivo conditions to allow for a better characterization of the "mycotoxin" risk.

Les dommages provoqués par l'exposition au cadmium proviennent de l'inactivation de diverses bio-molécules par le métal et de l'interférence du toxique avec les homéostasies redox et de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire dérivée de la lignée épithéliale humaine HeLa résistante au zinc (HZR) est également résistante au cadmium sur une période de 24 heures. Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. La localisation du cadmium intracellulaire est semblable entre les deux lignées. Toutefois, des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique ainsi que du protéasome dans les cellules HZR affectent la prise en charge du cadmium dans ces cellules. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, peut-être en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée en analysant des gels d'électrophorèse bi-dimensionnels de haute résolution. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du cadmium s'explique principalement par la limitation de la concentration de cadmium intracellulaire lors d'expositions massives; au contraire du zinc qui s'accumule. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx: il semble cependant que la voie d'entrée de cadmium éteinte chez les cellules HZR soit inédite puisqu'elle ne correspond pas à des systèmes moléculaires de transport de cadmium préalablement caractérisés. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR, dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium, a indiqué que le phénotype de ces cellules est sans doute défini par modification de voies de signalisation multiples. Mais la variété des cibles de ces voies n'a pas permis d'identifier précisément les molécules participant directement à la prise en charge des métaux zinc et cadmium. Ce travail a cependant conduit à une hiérarchisation de la réponse des cellules de mammifères à l'exposition au cadmium parmi les nombreux effets décrits dans la littérature. L'intoxication au cadmium peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, celle-ci est principalement assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element). Les effets du cadmium sur ce système ont été étudiés dans les principaux organes de souris intoxiquées, et, pour comparaison, dans les lignées cellulaires étudiées par ailleurs dans ce travail. Bien que le cadmium s'accumule dans les reins, le foie, les intestins et dans une moindre mesure la rate, aucun signe d'anémie n'a été observé et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible au toxique dans les conditions appliquées. Par contre, l'impact du cadmium sur le système IRP/IRE diffère entre la lignée HeLa et la lignée HZR. Si, dans les cellules HeLa, le cadmium n'active pas IRP1 mais diminue sa stabilité, dans les cellules HZR, la protéine IRP1 est initialement très active mais elle est peu sensible au cadmium. Ces résultats illustrent la versatilité des réponses à un stress cadmium suivant des conditions cellulaires très précises, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR.

Suite à leur utilisation, les médicaments sont souvent partiellement métabolisés; ainsi ces substances pharmaceutiques et/ou leurs métabolites sont rejetés continuellement dans les eaux usées. Leur présence et accumulation dans les eaux naturelles constituent une pollution émergente conduisant à la perturbation des écosystèmes et l'accroissement de mal fonctionnement de la reproduction des espèces aquatiques telles que les poissons. Parmi les polluants pharmaceutiques, les antibiotiques méritent une attention particulière parce qu'ils sont utilisés en grande quantité d'une part et constituent des molécules biologiquement actives pouvant interagir avec des cibles biologiques spécifiques conduisant à l'apparition du phénomène de résistance des micro-organismes potentiellement pathogènes tels que les bactéries (vis-à-vis de ces médicaments employés pour les combattre). Une action préventive est donc indispensable pour réduire leur présence dans les milieux aquatiques naturels.Dans ce travail nous avons appliqué le procédé électro-Fenton (EF), une méthode indirecte d'oxydation électrochimique très performante, à la dégradation des polluants pharmaceutiques sélectionnés, trois antibiotiques couramment utilisés : le sulfaméthoxazole (SMX), l'amoxicilline (AMX) et sulfachloropyridazine (SCP). Le traitement des solutions aqueuses de ces antibiotiques été réalisé en milieux aqueux acide à l'aide des radicaux hydroxyles générés électrochimiquement. Les radicaux hydroxyles sont produits in situ à courant constant dans une cellule électrochimique non divisée, munie d'une cathode tridimensionnelle de grande surface spécifique (feutre de carbone) et d'une anode de Pt ou de BDD afin de suivre la cinétique d'oxydation avec les radicaux hydroxyles et la minéralisation de leurs solutions aqueuses. Ces radicaux sont générés à travers la réaction de Fenton :H2O2 + Fe2+ + H+ → Fe3+ + H2O + •OHdans laquelle les réactifs générés (H2O2) ou régénéré (Fe2+ en tant que catalyseur) électrocatalytiquemment. L'influence des différents paramètres sur la cinétique de dégradation des antibiotiques et sur la cinétique de minéralisation des solutions d'antibiotiques a été étudiée. L'effet co-catalytique des ions Cu2+ a été aussi examiné. Les radicaux hydroxyles formés sont des oxydantes très puissants et réagissent sur les antibiotiques en question conduisant à leur minéralisation. L'étude cinétique montre que la dégradation oxydative des trois antibiotiques suit une cinétique de réaction du pseudo-premier ordre, avec des temps de dégradation assez courts. Par exemple, avec une anode de Pt, l'oxydation complète des molécules SMX, AMX et SCP a été achevée en moins de 15 min à 300 mA.Afin d'établir les voies de dégradation avec les radicaux hydroxyles, les intermédiaires aromatiques, les acides carboxyliques formés ainsi que les ions inorganiques libérés dans la solution lors du traitement ont été identifiés et leur évolution dans le temps a été suivie. Les valeurs des constantes de vitesse des réactions entre les •OH et les antibiotiques et leurs intermédiaires ont été déterminés par la technique de cinétique de compétition à l'aide d'un composé de référence, l'acide p-hydroxybenzoϊque. L'efficacité du procédé d'oxydation anodique (OA) avec une anode Pt et BDD à titre comparatif avec le procédé électro-Fenton a été aussi étudiée. L'efficacité de minéralisation des solutions aqueuses d'antibiotique à été évaluée par mesure du carbone organique total (COT). Le suivi de la toxicité lors du traitement des solutions d'antibiotiques par la méthode Microtox®, (une méthode basée sur la mesure de la luminescence des bactéries marines Vibrio fischeri) a montré la formation des intermédiaires plus toxiques que les molécules mères.L'ensemble des résultats obtenus confirme l'efficacité du procédé électro-Fenton pour la dépollution des effluents aqueux chargés d'antibiotiques / After their use, the drugs used in human or veterinary are partially metabolized during their use and then the non metabolized drugs and/or their metabolites are continuously released into the wastewater. Their presence and accumulation in natural waters of these substances constitutes an emerging pollution leading to the disruption of ecosystems and increased malfunction in the reproduction of aquatic species such as fish. Among the, pharmaceuticals pollutants, the antibiotics deserve special attention because they are used in very large quantities and are biologically active molecules that can interact with specific biological targets leading to emergence of the phenomenon of microorganism's resistance towards the potential pathogens such as bacteria. It is therefore important to develop efficient treatment methodologies for limiting the presence of pharmaceutical contaminants in aquatic environments.In this work we applied the electro-Fenton process (EF), an indirect advanced electrochemical oxidation process, to the oxidative degradation of selected three antibiotics largely used: sulfamethoxazole (SMX), amoxicillin (AMX) and sulfachloropyridazine (SCP). The treatment of aqueous solutions of these antibiotics was achieved in aqueous medium thank to the electrochemically generated hydroxyl radicals. The hydroxyl radicals are produced in situ at constant current in an undivided electrochemical cell, equipped with a three-dimensional cathode (carbon felt) and a Pt or BDD anode. These radicals are generated through the Fenton reaction in homogeneous medium:H2O2 + Fe2+ + H+ → Fe3+ + H2O + •OHwith the electrochemical generation of H2O2 (from 2-electrons reduction of dissolved O2) and regeneration of Fe2+ ions (from one-electron reduction of Fe3+ ions formed by Fenton reaction).The effect of some parameters on the oxidative degradation of antibiotics and on the mineralization of their aqueous solutions was investigated. The co-catalytic effect of Cu2+ was also studied. Hydroxyl radicals formed in aqueous medium are very powerful oxidizing agents and lead to mineralization of antibiotic under study. The kinetics study shows that oxidative degradation of the three antibiotics follows a pseudo-first order, with relatively short degradation time. For example, with a Pt anode, the complete oxidation of antibiotics SMX, AMX and SCP was achieved in less than 15 min at 300 mA. The absolute rate constant of hydroxylation reactions of antibiotics under study and their several aromatic intermediates was determined by competition kinetics method using the p-hydroxybenzoic acid as reference compound. The identification and monitoring of aromatic oxidation products, short-chain carboxylic acids and released inorganic ions during the treatment, allow use to propose a general mineralization reaction pathway for antibiotics degradation by hydroxyl radicals. The efficiency of anodic oxidation (AO) with a BDD anode and Pt was also studied comparatively. The efficiency of mineralization of aqueous solutions of antibiotics was evaluated by measuring total organic carbon (TOC). The evolution of toxicity during the treatment of antibiotic solutions by Microtox® method based on the inhibition measurements of the luminescence of marine bacteria Vibrio fischeri showed the formation of intermediates more toxic than of starting molecules. The overall results confirm the efficiency of electro-Fenton method for remediation of wastewater contaminated with antibiotics

Les perturbateurs endocriniens (PE) font l’objet d’une controverse scientifique à l’heure actuelle car, pour certains scientifiques, ces molécules n’auraient pas de seuil de toxicité et agiraient à de très faibles concentrations. Cette particularité proviendrait du fait que les PE, quelles que soient leurs origines, agissent sur les hormones et leurs récepteurs. A ce titre, ils seraient assujettis aux mêmes règles que les hormones endogènes. Leurs effets à de très faibles doses s’expliqueraient par la sensibilité des récepteurs hormonaux aux faibles fluctuations de concentrations. L’absence de seuil d’effet pour les PE s’expliquerait par différents mécanismes, dont des différences d’affinité suivant la concentration entre substrat et récepteur, qui engendreraient des effets doses non monotones. Un certain nombre de revues remettent en cause ces hypothèses et les observations qui les accompagnent. Elles indiquent notamment le fait que ces données manquent de répétitions, qu’elles sont principalement issues d’études in vitro ou sur des modèles d’organismes en développement et non-nécessairement misent en perspective avec des effets toxiques pour l’organisme. Ainsi ces données ne seraient pas suffisantes pour statuer dans ce débat.Dans ce contexte, afin d’apporter de nouvelles données expérimentales au débat, nous avons cherché à caractériser les effets aux faibles doses d’un PE de référence, le flutamide (FLU), sur l’appareil reproducteur du rat mâle adulte. Pour ce faire, nous avons conduit trois études successives au cours desquelles nous avons exposé des rats Wistar de 7 semaines à une large gamme de doses de FLU. La dose la plus forte est connue pour induire des lésions testiculaires et une atrophie de la prostate. Les autres doses correspondent à la NOAEL définie dans une étude publiée précédemment, et à cette valeur divisée par 10, 100 et 1000, ce qui correspond à des faibles doses selon la définition de l’OMS. Pour chaque étude, chaque groupe était composé de 16 animaux gavés quotidiennement pendant 28 jours. Ces études ont permis d'explorer différents paramètres. Dans le cadre de la caractérisation du mode d'action du flutamide sur le testicule (Exposition --> blocage des récepteurs aux androgènes de l'hypophyse --> augmentation de la LH circulante --> prolifération des cellules de Leydig --> Hyperplasie), nous avons montré que, pour chaque évènement clé, l’effet dose est monotone et qu’il est possible de définir un seuil. Par ailleurs, nous proposons le Pdgfd, un facteur de croissance, comme médiateur de l’effet mitogène de la LH sur les cellules de Leydig.Pour la prostate, le mode d'action du flutamide n’étant pas complètement élucidé à ces niveaux de doses, le travail a été plus exploratoire. Afin d'expliquer, aux niveaux moléculaire et cellulaire, l'origine de la baisse du poids des prostates induites par le flutamide dès 1 mg/kg/j, nous avons exploré trois hypothèses: (1) l'augmentation de l'apoptose, avec un test d'activité des caspases 3 et 9 qui montre une activité supérieure pour le groupe forte dose de 10 mg/kg/j de flutamide, (2) la diminution de la prolifération, avec un marquage ki67 qui ne montre pas de différence entre le groupe témoin et la forte dose, et enfin (3) la baisse de la fonction de sécrétion de la prostate, évaluée par un western blot dirigé contre la probasine qui montre une baisse de sa production. Dans le même temps, nous avons montré, au niveau des transcrits hépatiques (RT-qPCR), que le flutamide exerce un effet-dose monotone sur certaines enzymes impliquées dans le métabolisme des xénobiotiques. En conclusion, dans ce modèle, pour l'ensemble des paramètres explorés, sur le testicule, l’hypophyse, la prostate, le sang et le foie, nous n'avons observé que des effets à seuil et aucun effet non monotone. / The dose-response characterization of Endocrine disrupting chemicals (EDCs) toxicity is an on-going debate which is controversial when exploring the nature of the dose-response curve and the effect at the low concentration. A part of the scientific community, suggests these molecules have no toxicity threshold and act at very low concentrations. This assumption stems from the fact that EDCs, whatever their origins, act on hormones and their receptors. As such, they would be subject to the same rules as the endogenous hormones. Effects at very low doses could be explained by the sensitivity of the hormone receptor to small fluctuations in concentrations. The lack of threshold for EDCs may be explained by different mechanisms, including affinity differences according to concentrations between substrate and receptor, which would generate non-monotonic dose-responses. A number of reviews challenge this assumption and the linked observations. They argue that the data are missing replication; they are mainly from in vitro studies or conducted in developing models and not-necessarily associated with toxic effects on the organism. Thus, these data are not sufficient to rule in this debate.In this context, in order to provide new experimental data to this debate, we worked to characterize the effects at low doses of a reference EDCs, flutamide (FLU) on the reproductive system of adult male rats. In that aim, we conducted three successive studies exposing Wistar rats of 7 weeks at a wide range of Flu doses. The highest dose is known to induce testicular damage and atrophy of the prostate gland. Other doses correspond to the defined NOAEL in a study published earlier, and to this value divided by 10, 100 and 1000, corresponding to low doses according to the WHO definition. For each study, each group consisted of 16 animals exposed daily by gavage for 28 days. During characterization of flutamide mode of action on the testis (Exposition -> androgen receptors blocking in the pituitary gland -> increase in circulating LH -> Leydig cells proliferation -> Leydig cells Hyperplasia), we have shown that for every key event, dose-response curve is monotonous and we were able to define a threshold. Furthermore, we suggest that the Pdgfd, a growth factor, mediates the mitogenic effect of LH on Leydig cells.In the prostate gland, the mode of action of flutamide is not completely elucidated at these dose levels, so the work was more exploratory. To explain, at the molecular and cellular levels, the origin of prostate atrophy induced by flutamide from 1 mg/kg/day, we explored three hypotheses: (1) the increase in apoptosis, with a caspases 3 and 9 activity test, which shows a higher activity for the high dosage group of 10 mg/kg/day of flutamide, (2) the decreasing of epithelium proliferation, with Ki67 marker which shows no difference between the control group and the high dose, and finally (3) the decrease in prostate secretory function, assessed by western blot against the Probasin which shows a drop in production.At the same time, we have shown in liver that flutamide has an effect on enzymes involved in the metabolism of xenobiotics with monotonic dose-response.In conclusion, in this model, for all investigated parameters on the testis, pituitary, prostate, blood and liver, we only observed threshold effects and no non-monotonic dose-responses.

La réhabilitation des friches industrielles dans les zones urbaines est un enjeu majeur pour le développement durable des villes. La gestion et la reconversion de ces sites, imposées par la réglementation, nécessitent toutefois le développement d’outils d’évaluation des risques environnementaux et sanitaires, et de techniques de remédiation durables. Cette thèse a porté sur la mise en place d’outils multidisciplinaires pour la gestion durable des sites pollués, avec le cas particulier d’un site de recyclage de batteries au plomb caractérisé par une pollution historique en plomb principalement mais également d’autres polluants inorganiques (Cd, Sb, As, Cu et Zn), couramment définis par le terme d’Eléments Traces Métalliques (ETM). Ce travail a cherché à renseigner les mécanismes impliqués dans les systèmes polluants-sol-plantes pour renforcer la prise en compte de la qualité globale des sols dans la gestion des sites industriels, tout en essayant de répondre à des questions de la recherche appliquée. En plus des outils et procédures classiquement utilisés pour évaluer, contrôler et réduire les risques environnementaux et sanitaires causés par les sols pollués, le développement des mesures de biodisponibilité (plantes et les humains) et d’écotoxicité (différents tests biologiques: inhibition de la mobilité de daphnies, Microtox® et induction de bactéries bioluminescentes, microbiologie) permet d’affiner la classification des sols contaminés en termes de dangerosité. De plus, des plantes engrais verts (bourrache, phacélie et moutarde), communément utilisées en agriculture ou par les jardiniers (car elles améliorent les propriétés bio-physico-chimiques des sols avec un système racinaire et une grande production d’exsudats racinaires), ont été testées pour la re-fonctionnalisation des sols pollués. Enfin, les mécanismes impliqués dans le devenir des polluants dans la rhizosphère et les microorganismes associés ont été étudiés. L’ensemble des résultats fourni des éléments de réponse et des moyens d’améliorer la gestion des sols contaminés par des métaux et métalloïdes. (1) Tout d’abord, la séparation par taille des différentes fractions de sol permet une réduction significative des tonnages de matériaux contaminés et donc une économie réelle lors de la mise en décharge des sols excavés avec un gain certain en termes d’empreinte écologique. (2) Ensuite, le calcul d’écoscores pour les differents échantillons de sols pollués, sur la base des résultats des essais d’écotoxicité, ont permis d’affiner plus précisemment les risques par rapport aux paramètres physico-chimiques « classiques » requis par la réglementation. Des différences de sensibilité ont été observées en fonction de la nature de l’essai biologique, l’origine de l’échantillon, les propriétés physico-chimiques et les concentrations totales de polluants. (3) Contrairement à la phacélie, la bourrache et la moutarde ont amélioré la respiration du sol, réduit l’écotoxicité et la quantité de plomb bioaccessible et totale dans le sol, respectivement par phytostabilisation et stockage dans les racines (Pb, Sb) ou par phytoextraction et donc stockage dans les parties aériennes. En outre, ces plantes pourraient être testées sur le terrain pour une utilisation en phytoremédiation des friches industrielles et des jardins modérément pollués. Selon la nature du métal, du type de sol et des plantes, la compartimentation et la spéciation du polluant diffèrent, ainsi qu’en fonction des caractéristiques agronomiques du sol et l’activité microbienne de la rhizosphère. Un criblage moléculaire et une méta-analyse de la génomique microbienne ont permis de mettre en évidence les différences dans les communautés bactériennes étudiées en fonction du niveau de concentration métallique, des espèces végétales et des caractéristiques des sols étudiés. / Rehabilitation of brownfields in urban areas is a major challenge for the sustainable development of cities. Management and conversion of these sites, imposed by regulation, however, require the development of tools for environmental risk assessment and health and sustainable remediation techniques. This thesis focused on the establishment of multidisciplinary tools for the sustainable management of polluted site, with the particular case of rehabilitation recycling of lead batteries with a mainly historical lead pollution and other inorganic pollutants (Cd, Sb, As, Cu and Zn), currently defined as Metal Trace Elements (MTE). While trying to answer questions of applied research, this work has sought to investigate the mechanisms involved in the soil-plant pollutants to strengthen the consideration of the overall quality of soil management for industrial sites. In addition to the tools and procedures conventionally used to assess, control and reduce environmental and health risks caused by polluted soils; measures of bioavailability (plants and humans) and ecotoxicity (different bioassays: inhibition of the mobility of Daphnia magna, Microtox® and induction of bioluminescent bacteria and microbiology) have been developed with the aim to refine the classification of contaminated soils in terms of dangerousness. Moreover, green manure plants (borage, phacelia and mustard), commonly used in agriculture or by gardeners because they improve the bio-physico-chemical properties of soils with a root system and a large production of root exudates were tested for re-functionalization of polluted soils. Finally, the mechanisms involved in the fate of pollutants in the rhizosphere and their microorganisms in the plant were studied. The main results provide some answers and ways of improving the management of soils contaminated by metals and metalloids. (1) First, the size separation for soil fractions allows a significant reduction in tonnages of contaminated material and therefore costs for the landfill excavated soil with a gain result in terms of ecological footprint. (2) Then, calculation for the differents polluted soil samples of eco-scores based on the results of ecotoxicity tests can discriminate more accurately compared to physicochemical parameters required by the regulations. Differences in sensitivity were observed depending on the nature of the bioassay, the origin of the sample, physico-chemical properties and total concentrations of pollutants. (3) Unlike phacelia, borage and mustard improve soil respiration, ecotoxicity and reduce theamount of bioaccessible and total lead in soil, respectively by phytostabilisation and storage in roots (Pb, Sb) or phytoextraction and storage in aerial parts. Further, these plants could be field tested for use in phytoremediation of brownfields and gardens moderately polluted. Depending on the nature of the metal, the type of soil and plant, compartmentalization and speciation of the pollutant differ, and in conjunction with agronomic characteristics of soil and rhizosphere microbial activity. Molecular screening and meta-analysis of microbial genomics have enabled highlight differences in bacterial communities studied by species and growing conditions.

Les métaux lourds, et en particulier les actinides, sont toxiques pour l'homme. La compréhension des mécanismes responsables de leur toxicité constitue un champ d'investigation important dans le domaine de la toxicologie. La compréhension des interactions de l’uranyle à l’échelle moléculaire est nécessaire pour prédire sa toxicité et pour concevoir des agents décorporants efficaces. Ce travail a pour objectif de contribuer à la caractérisation des sites d’interaction protéine-uranyle et à l’identification des facteurs clés gouvernant ces interactions. Pour obtenir des données thermodynamiques et structurales sur ces sites, deux stratégies ont été adaptées à l’étude des deux protéines humaines prédites comme cibles majeures de l’uranyle et dont les propriétés et structures sont très différentes. Les deux domaines structurés de la fétuine-A, ont été produits puis étudiés indépendamment par des méthodes physico-chimiques complémentaires incluant la spectroscopie RMN multidimensionelle afin d’obtenir des informations structurales sur les sites de liaison du métal dans la protéine. Afin d’élucider les interactions entre l’uranyle et l’ostéopontine, une protéine phosphorylée intrinsèquement désordonnée, nous avons conçu des peptides préorganisés en feuillet β comme modèles de sites de liaison de l’uranyle. Des acides aminés phosphorylés ont été introduits dans ces structures, permettant ainsi de reproduire l’environnement de coordination du métal dans la protéine. Les différences de structures et de propriétés entre biomolécules peuvent représenter un frein aux études d’affinité. Une sonde fluorescente non naturelle a donc été développée pour mettre au point une méthode de hiérarchisation des cibles de l’uranyle s’affranchissant de ces différences. / Heavy metals, especially actinides, are toxic for humans. Understanding the mechanisms responsible for their toxicity is an important field of research in toxicology. Uranyl toxicity is still not well understood. The understanding of uranyl interactions at the molecular level is necessary to predict its chemical toxicity and to develop efficient chelating agents. This work aims at identifying uranyl binding sites in proteins and key factors that govern these interactions. To obtain thermodynamic and structural data, strategies were developed to study two proteins predicted as major uranyl targets which present different structures and properties. We took advantage of fetuin-A structure and studied the two structured domain of the protein by complementary physico-chemical methods including multidimensional NMR spectroscopy to acquire structural information on uranyl binding sites in this protein. In order to elucidate interactions between the metal and disordered phosphorylated proteins such as osteopontin, we designed peptides preorganized in β-sheet optimized to coordinate uranyl cation. We introduced amino acids containing phosphate groups and demonstrated that these peptides are relevant models to mimic uranyl binding sites found in phosphorylated proteins. Biomolecules display different structures and properties which may constitute an obstacle to affinity studies. A tool based on a non-natural fluorescent probe was developed to investigate and compare uranyl targets affinities.