Le benzo[a]pyrène (BaP) est un contaminant environnemental de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques ayant été classé cancérogène chez l’humain. Cependant, la relation entre l’exposition et les effets est toujours mal documentée. L’objectif de cette thèse était de mieux documenter la relation quantitative entre l’exposition au BaP, l’évolution temporelle des biomarqueurs d’exposition et l’apparition d’altérations biologiques précoces, à partir d’études expérimentales chez le rat. Dans un premier temps, nous avons déterminé l’effet de 4 doses de BaP (0.4, 4, 10 et 40 µmol/kg) sur plusieurs biomarqueurs d’exposition (3- et 7-OHBaP, 4,5- et 7,8-diolBaP, BaPtétrol et 1,6-, 3,6- et 7,8-diones-BaP), les adduits à l’ADN et l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme du BaP, la réparation de l’ADN et le stress oxydatif. Le BaP et ses métabolites ont été mesurés dans le sang, les tissus et les excrétas, 8 h et 24 h après l’administration intraveineuse de BaP par chromatographie liquide à ultra haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. Les adduits à l’ADN ont été quantifiés dans les poumons par immuno-essai en chémoluminescence. L’expression des gènes dans les poumons a été réalisée par PCR quantitative en temps réel (qRT-PCR). Les résultats ont révélé une bonne relation dose-excrétion pour le 3-OHBaP, le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP et ils ont également renforcé l’utilité du 4,5-diolBaP comme potentiel biomarqueur du BaP en plus du 3-OHBaP. De plus, l’augmentation dose-dépendante de la formation des adduits et de l’expression de certains gènes impliqués dans le métabolisme et le stress oxydatif a suggéré l’intérêt de ces derniers comme biomarqueurs d’effet précoce. Dans un second temps, nous avons évaluer le profil cinétique des biomarqueurs en lien avec la modulation temporelle de la formation des adduits à l’ADN et de l’expression génique, en utilisant la dose de 40 µmol/kg de BaP telle qu’établie dans l’étude précédente, avec une série de mesures sur une durée de 72 h après l’injection intraveineuse de BaP. Il est apparu que le 3- et le 7-OHBaP ainsi que le 4,5- et le 7,8-diolBaP semblaient être de bons biomarqueurs d'exposition; les hydroxyBaP et diolBaP présentaient des cinétiques différentes, mais tous ces métabolites étaient corrélés de façon significative aux adduits BaPDE dans les poumons. L’expression de certains gènes et l’étude de leur profil cinétique a également permis de faire des liens avec la formation des adduits et de mieux comprendre le métabolisme du BaP. Après ces résultats, il semblait alors logique de s’intéresser à l’effet de la voie d’exposition dans un context d’exposition multiple de la population. Les données mesurées dans le sang et les excréta, après administration de 40 µmol/kg de BaP par voie intraveineuse, intratrachéale, orale, et cutanée, ont encore une fois montré l'intérêt de mesurer plusieurs métabolites pour l’évaluation de l’exposition en raison des différences en fonction de la voie d’administration du composé et des différences dans la cinétique de plusieurs biomarqueurs, notamment entre les hydroxy (3- et 7-OHBaP) et les diols-BaP (4,5- et 7,8-diolBaP). Les résultats suggèrent aussi que la mesure de ratios de concentrations de différents métabolites pourrait aider à indiquer le moment et la principale voie d’exposition. Ces données ont permis une meilleure compréhension du continuum entre l’exposition et les effets. / Benzo(a)pyrene (BaP) is a polycyclic aromatic hydrocarbon that has been classified as carcinogenic to humans. However, the relationship between exposure and effect is still poorly documented. The aim of this thesis was to document the quantitative relationship between exposure to BaP, the temporal evolution of biomarkers of exposure and the appearance of early biological alterations, by conducting experimental studies in rats. First, we determined the effect of four doses of BaP (0.4, 4, 10 and 40 µmol / kg) on several biomarkers of exposure (3- and 7-OHBaP, 4,5- and 7,8 -diolBaP, BaPtetrol and 1,6 -, 3,6 - and 7,8-dione-BaP), on DNA adducts and the expression of genes involved in the metabolism of BaP, DNA repair and oxidative stress. BaP and its metabolites were measured in blood, tissues and excreta, 8 h and 24 h after intravenous administration of BaP by ultra high performance liquid chromatography (UHPLC) coupled to fluorescence. The DNA adducts were quantified in lungs by chemiluminescence immunoassay. Gene expression in lungs was achieved by quantitative real time PCR (qRT-PCR). The results showed a good dose-excretion relationship for 3- OHBaP , 4,5- and 7,8- diolBaP and they also showed the usefulness of 4,5- diolBaP as a potential biomarker of BaP in addition to 3- OHBaP. Furthermore, the dose-dependent increase in the formation of adducts and the expression of certain genes involved in metabolism and oxidative stress highlighted the latter as potentially interesting biomarkers of effect. The following study was designed to evaluate the toxicokinetic profile of biomarkers of exposure related to the temporal modulation of the formation of DNA adducts and gene expression, using a dose of 40 µmol/kg BaP as set out in the previous study, but with regular measurements during the 72-h period following intravenous injection of BaP. It appeared that the 3 - and 7- OHBaP and 4,5 - and 7,8- diolBaP seemed to be good biomarkers of exposure; hydroxyBaPs and diolBaPs exhibited different kinetics but all the metabolites were significantly correlated with BaPDE adducts in the lungs. The expression of genes and the study of their kinetic profile also allowed to assess the relationship with the formation of adducts and better understand the metabolism of BaP. Based on these results, it seemed logical to focus on the effect of the route of exposure. The data measured in the blood and excreta after intravenous, intratracheal, oral, and cutaneous administration of 40 mmol/kg BaP have once again demonstrated the importance of measuring several metabolites due to kinetic differences depending on the route of administration of the compound and among biomarkers, in particular between OHBaPs (3 - and 7 - OHBaP) and diolBaPs (4,5 - and 7,8- diolBaP). Results also suggest that measurements of concentration ratios of different metabolites could help indicate the time and the main route of exposure. Overall, these data allowed a better understanding of the continuum between BaP exposure and early effects.

Les pyréthrinoïdes sont des insecticides auxquels la population est quotidiennement exposée. Le composé parent est suspecté d’induire des perturbations neuronales et hormonales chez l’homme. Au sein de cette famille, la perméthrine (mélange d’isomère cis et trans) est le composé le plus utilisé dans le traitement des intérieurs de maison. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer un modèle PBPK pour la perméthrine et certains de ses métabolites urinaires, utilisés comme biomarqueurs d’exposition, et d’évaluer les interactions métaboliques des deux isomères. Trois étapes ont été suivies. Une méthode analytique par GC-MS/MS a été développée pour doser simultanément les composés dans les différentes matrices. Un modèle PBPK de la perméthrine chez le rat a été associé à un modèles PBPK réduit du DCCA et empirique du 4’-OH-PBA et du 3-PBA. Les paramètres toxicocinétiques de chaque composé ont été estimés dans un cadre Bayésien à partir d’expériences in vivo menées à la dose orale de 25 mg/kg de cis- ou trans-perméthrine chez le rat. Le modèle PBPK de la perméthrine a été vérifié sur des données de cinétique d’un mélange cis/trans. Le métabolisme hépatique de chaque composé a été quantifié chez l’homme sur des hépatocytes primaires dans des conditions optimales pour l’extrapolation in vitro-in vivo, en incubant les isomères séparément et en mélange. Ce travail de thèse souligne la possibilité d’établir un modèle PBPK générique pour les pyréthrinoïdes. L’absence d’interaction entre les isomères au niveau in vitro et lors de la vérification du modèle PBPK de la perméthrine pourrait simplifier la caractérisation de l’exposition à un mélange de pyréthrinoïdes. / Population is largely exposed to pyrethroids, an insecticide family. The parent compound is suspected to induce neuronal and hormonal modifications in humans. Among this family, permethrin, a mixture of isomers cis/trans, is mainly used in house tratments. In this PhD project, we developed a PBK model of permethrin and some urinary metabolites uses as biomarkers of exposure. The matabolic interactions between the two isomers were also evaluated. A three steps strategy was followed. An analytical method by GC-MS/MS was developed to measure these compounds simultaneously in the different matrices. A PBPK of permethrin in rat was associated to a reduced PBPK model of DCCA and a 2-compartment model of 4'-OH-PBA and 3-PBA. The toxicokinetics parameters of each compound were estimated in a Bayesian framework from in vivo experiments in rats orally dosed with 25 mg/kg of cis- or trans permethrin. The PBPK model of permethrin was validated on the kinetic data of a mixture of permethrin. The hepatic metabolism was quantified in humans in primary hepatocytes in optimal conditions for in vitro-in vivo extrapolation, by incubating the isomers separately and as a mixture. This work underlines that a general PBPK model for Type 2 pyrethroids can be considered for the parent compound The lack of interaction between isomers during in vitro experiments and the validation of the PBPK model of permethrin could simplify the characterization of the exposure to a mixture of pyrethroids.

Reconnu par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) comme cancérigène chez l’être humain, le benzo[a]pyrène (BaP) est un des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) les plus étudiés. Souvent rencontrés dans de nombreux milieux de travail, les HAP sont un groupe de polluants omniprésents dans l’environnement, formé par des processus de combustion incomplets. Bien que le BaP présente un risque élevé pour la santé des travailleurs, il n’existe aucun biomarqueur spécifique au composé permettant le suivi et la surveillance d’exposition au BaP dans un lieu de travail. Le 3-hydroxybenzo[a]pyrène (3-OHBaP) est le métabolite du BaP le plus développé comme biomarqueur. Ce métabolite est principalement excrété dans les fèces, ainsi qu’une quantité infime dans l’urine, ce qui le rend difficile à mesurer. De plus, le 3-OHBaP montre une certaine rétention rénale, un facteur qui rend plus compliqué son utilisation en tant que biomarqueur car il oblige de prendre plusieurs critères en compte dans l’analyse de sa cinétique temporelle. Par ailleurs, le 1-hydroxypyrène (1-OHP) est un métabolite urinaire du pyrène souvent utilisé comme biomarqueur d’exposition aux HAP. Neanmoins, il s’agit du métabolite d’un HAP non-cancérigène et par conséquent sa capacité de démontrer le risque de cancer associé à une exposition donnée est faible. Ce mémoire visait à détecter et à évaluer l'exposition au BaP en suivant ses métabolites urinaires: le 4,5-dihydrodiol-benzo[a]pyrène et le 7,8-dihydrodiol-benzo[a]pyrène (le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP; les diolBaP). L’évaluation du 4,5-diolBaP et du 7,8-diolBaP s’est déroulée dans deux études: La première étude, surnommée « l’expérience du shampooing », portait sur un volontaire qui s’est exposé aux HAP dans un environnement contrôlé en utilisant un shampooing à base de goudron de houille. Cette étude a été conçue afin d’évaluer l'évolution temporelle du 7,8-diolBaP chez l'homme et de vérifier son potentiel en tant que biomarqueur d'exposition par comparaison avec le 1-OHP dans le même cadre expérimental. Elle a été réalisée avec deux expériences. La première portait sur une seule exposition et la seconde sur une exposition multiple. La deuxième étude, surnommée « l’étude des travailleurs », reposait sur une analyse comparative du 4,5-diolBaP, du 7,8-diolBaP, du 1-OHP et du 3-OHBaP dans un milieu de travail. Cette étude avait pour objectif d’évaluer les compétences des diolBaP dans un contexte réel à côté des biomarqueurs établis d'exposition au BaP et aux HAP. Cinq travailleurs d'une usine de production d'anodes en carbone ont accepté de participer à cette étude. Dans le cadre de ces deux études, les échantillons d'urine étaient analysés par la chromatographie en phase liquide à ultra-haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. « L’expérience du shampooing » : L’expérience de l’exposition unique et celle de l’exposition multiple ont révélé une élimination de façon mono-exponentielle du 7,8-diolBaP, identique à celle du 1-OHP, avec des concentrations dans le même ordre de grandeur. Nous avons également confirmé un taux d’élimination plus rapide pour le 1-OHP en regardant ses pics. Le 7,8-diolBaP augmente en valeur maximale après chaque exposition, et cette découverte a mis en évidence une accumulation tout au long de la semaine, alors que pour le 1-OHP, le deuxième pic est plus grand, mais le troisième est plus petit, montrant ainsi moins d'accumulation pendant la même période temporelle. « L’étude des travailleurs »: Selon les résultats, la méthode analytique utilisée était incapable de discerner correctement le 4,5-diolBaP des autres contaminants urinaires éluant pendant le même temps de rétention. Le 7,8-diolBaP, quant à lui, élue à des concentrations urinaires d'un ordre de grandeur similaire au 1-OHP tel que vu chez tous les travailleurs évalués. Chez certains travailleurs, la concentration urinaire du 7,8-diolBaP était toujours plus élevée avant le début d'un quart de travail avec l'élimination qui avait lieu pendant le quart de travail pour fournir une valeur de concentration inférieure à la fin du quart de travail. Cependant, la concentration du 1-OHP a eu une hausse immédiate avec l'exposition, culminant à la fin de chaque quart de travail. Pour les autres travailleurs, les concentrations du 7,8-diolBaP et du 1-OHP étaient systématiquement plus élevées à la fin du quart de travail. Il est probable que ces variations indiquent les différentes voies d'exposition. Le présent mémoire a montré le potentiel du 7,8-diolBaP en tant que biomarqueur d'exposition spécifique au BaP et par conséquent, il fournit un point de départ pour explorer la quantification du lien entre l'exposition au BaP et ses effets néfastes sur la santé de l'être humain. L’utilisation de la spectrométrie de masse est nécessaire à confirmer l’identité des diolBaP avant d'aller de l'avant. / Benzo[a]pyrene (BaP) is one of the more commonly studied polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a group of omnipresent pollutants in the environment formed through incomplete combustion processes. It is listed as a confirmed carcinogen to human beings by the International Agency for Research on Cancer (IARC) and is highly present in many workplaces. Although presenting a significant health risk to workers, there are currently no convenient compound-specific biomarkers that enable the tracking and monitoring of occupational exposure to BaP. 3-Hydroxybenzo[a]pyrene (3-OHBaP) is the most developed, as a biomarker, amongst the metabolites of BaP. It’s mostly excreted with the faeces, presenting in trace amounts in urine, which makes it difficult to measure; it is also demonstrates renal retention, which adds a layer of complexity in its use as a biomarker because there are many factors to take into consideration when looking at its kinetic time course. 1-Hydroxypyrene (1-OHP), in the other hand, is a urinary metabolite of pyrene that serves as a good representative of PAH presence. It is, however, the metabolite of a non-carcinogenic PAH, and is not fully capable of representing the cancer risk posed in a given scenario. This thesis sought to detect and assess BaP exposure through tracking its urinary metabolites: 4,5-dihydrodiol-benzo[a]pyrene and 7,8-dihydrodiol-benzo[a]pyrene (4,5-diolBaP and 7,8-diolBaP; diolBaPs). 4,5-DiolBaP and 7,8-diolBaP were evaluated through two studies: The first study, the “shampoo experiment”, featured a volunteer who self-exposed to PAHs in a controlled setting by using a coal-tar-based shampoo. The study consisted of two experiments. The first focused on a single exposure and the second on multiple exposures. This study was set to evaluate the time course of 7,8-diolBaP in humans and verifying its potential as a biomarker of exposure through a comparison with 1-OHP in the same experimental framework. The second study consisted of a comparative analysis of 4,5-diolBaP, 7,8-diolBaP, 1-OHP and 3-OHBaP in an occupational setting, evaluating the competency of the diolBaPs in a real-world setting alongside established biomarkers of BaP and PAH exposure. Five workers at a carbon anode production plant volunteered to participate in this study. For both of these studies, the urine samples were analysed by ultra-high-pressure liquid chromatography (UHPLC) coupled with fluorescence. “Shampoo Experiment”: The single and multiple exposures revealed a monoexponential elimination on the part of 7,8-diolBaP, identical to 1-OHP, with similar magnitudes of concentration. 1-OHP was also confirmed to undergo a more rapid elimination from the system, where after each exposure for 7,8-diolBaP, the ensuing peak value is higher. This finding demonstrated evidence of accumulation of 7,8-diolBaP throughout the week, whereas with 1-OHP, the second peak is larger, then the third one is smaller, thus showing less accumulation over the same time frame. “Worker Study”: The results showed that the analytical method used was unable to properly discern 4,5-diolBaP from other urinary contaminants eluting during the same retention time. 7,8-DiolBaP, on the other hand, eluted at urinary concentrations that were a similar order of magnitude to 1-OHP, as can be seen in all of the workers evaluated. For some workers, the urinary concentration of 7,8-diolBaP was consistently at its peak prior to the start of a shift and elimination took place during the shift, to provide a lower concentration value at the end of the shift. With 1-OHP, the rise was immediate with exposure, peaking at the end of every shift. For other workers, both 7,8-diolBaP and 1-OHP are consistently higher at the end of the shift. These variations are likely to indicate different routes of exposure. This thesis showed the potential use of 7,8-diolBaP as a compound-specific biomarker of exposure for BaP and thus provides a starting point in exploring the quantification of BaP exposure and negative health effects in humans. Confirmation of the compound’s identity is needed through the use of mass spectrometry.

La biosurveillance humaine consiste en des mesures de produits chimiques ou de leurs métabolites dans des liquides biologiques. Ces données biologiques sont souvent interprétées en les comparant à des valeurs dites bio-équivalentes aux valeurs toxicologiques de référence (VTR) qui ont été pour la plupart définies grâce à l’utilisation de modèles animaux dans un contexte de simple exposition chimique. Pourtant, elles peuvent résulter de co-expositions multivoies (cas des composés organiques volatils (COVs)) pouvant donner lieu à des interactions toxicocinétiques chez humain. Des approches de modélisation toxicocinétique à base physiologique (TCBP) ont été conçues pour étudier ces interactions. Mais, leur impact sur la variabilité interindividuelle (VI) de la toxicocinétique des substances individuelles, et l’évaluation résultante du risque toxique des contaminants chimiques suite à une exposition multivoies, n’ont que peu ou pas été investigués. Par ailleurs, des études proposent une approche de reconstitution directe de l’exposition chimique externe à partir de mesures sanguines de COVs (composés parents) grâce à des modèles TCBP probabilistes, souvent construits pour des adultes de 70 kg, et des calculs de probabilité. C’est la dosimétrie inverse. Mais les incertitudes associées aux estimations d’exposition externe faites grâce à cette approche à partir de mesures biologiques ponctuelles collectées lors des enquêtes de santé n’ont presque pas été étudiées. La présente recherche doctorale vise à caractériser l’impact des co-expositions chimiques multivoies sur la variabilité interindividuelle de la toxicocinétique des COVs, en vue d’en tenir éventuellement compte dans la mise au point dans cette thèse d’approches appliquées de dosimétrie inverse. Dans un premier temps, nous avons construit des modèles TCBP multivoies pour deux mélanges (benzène, toluène, éthylbenzène et m-xylène (BTEX) d’une part, et trichloroéthylène et chlorure de vinyle (TCE-CV) d’autre part) pour des sous-populations humaines d’âges différents (y compris une sous-population d’adultes). Ces modèles ont été couplés à des simulations de Monte Carlo pour explorer l’impact des co-expositions multivoies sur la VI de la toxicocinétique des substances individuelles en cas d’expositions ‘’faibles’’ ou ‘’élevées’’. Des index de variabilité (IV) ont été calculés comme étant le rapport du 95 ème centile de la distribution d’une dose interne chez les autres sous-populations étudiées au 50 ème centile de la même distribution chez les adultes. Dans un deuxième temps, nous avons raffiné l’approche existante de dosimétrie inverse en développant des modèles TCBP probabilistes d’inhalation pour des sous-populations canadiennes (d’âge, de poids corporel et de taille différents) dont les mesures sanguines de toluène ont été collectées lors du cycle 3 de l’enquête canadienne sur les mesures de la santé (ECMS-3), en vue de reconstituer leur exposition externe correspondante. Enfin, nous avons développé une approche individuelle de dosimétrie inverse pour estimer l’exposition externe au toluène à partir des mesures urinaires d’un de ses métabolites (l’acide S-benzylmercapturique, ou en anglais : S-benzylmercapturic acid ou BMA) rapportées chez des individus Canadiens. Ici, deux techniques ont été testées pour cette estimation : estimer l’exposition au toluène à partir des mesures ponctuelles de BMA urinaire d’une journée complète obtenues chez chaque individu et estimer l’exposition à partir d’une mesure individuelle de BMA urinaire sur des urines de 24 h. L’approche individuelle nous a permis de proposer une méthode pour quantifier l’incertitude, c’est-à-dire l’erreur possible, sur les estimations d’exposition externe faites par dosimétrie inverse à partir des mesures ponctuelles provenant des enquêtes de santé. Cette étude doctorale a révélé que l’impact des co-expositions multivoies sur la VI toxicocinétique peut dépendre des composés des mélanges et du niveau d’exposition à ces substances. Par exemple, la variation obtenue sur les IVs basés sur la quantité de substance métabolisée par les CYP2E1 est d’environ -9 à -5 % et -38 à -33% pour le benzène respectivement pour les expositions ‘’faibles’’ et ‘’élevées’’ simulées au mélange. Pour le CV et le TCE, elle est respectivement de -17 à -13% et -20 à -11% pour les expositions ‘’élevées’’, et nulle pour les ‘’faibles’’ expositions au mélange. Les expositions au toluène dans l’air estimées par dosimétrie inverse dans cette thèse (médianes entre 0,004 et 0,01 ppm) sont bien en dessous des valeurs guides maximales recommandées par Santé Canada pour une exposition chronique et suggèrent une exposition via l’air intérieur. L’incertitude mentionnée plus haut, quant à elle, varie entre 15 et 23 % dans le cadre de nos travaux. La présente étude doctorale a contribué à améliorer l’évaluation du risque toxicologique des COVs. / Human biomonitoring consists in the measurements of chemicals or their metabolites in biological matrices. These biological data are often interpreted by comparison with so-called bio-equivalent values to the toxicological reference values (TRV) which have for the most part been defined through the use of animal models in a context of simple chemical exposure. However, biomonitoring data can result from multi-routes co-exposures to multiple chemical such as Volatile Organic Compounds (VOCs), which can give rise to toxicokinetic interactions in the human body. Physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) modeling approaches have been developed to study these interactions. But, their impact on the interindividual variability (IV) of the toxicokinetics of individual substances, and the evaluation of the toxic risk of chemical contaminants, that may result from multi-routes exposure, have only been sparsely studied. Further, the scientific literature suggests an approach for the direct reconstruction of external chemical exposure from blood measurements of VOCs’ parent compounds. This is generally done for 70-kg adults by the use of appropriate PBPK models, combined with a probability calculation approach, in a process called “reverse dosimetry”. But the uncertainties associated with estimates of external exposure made using this approach from biological spot measurements collected during health surveys have hardly been studied. The current doctoral research aims to characterize the impact of multi-routes chemical co-exposures on the interindividual variability of toxicokinetics, in order to account it for in the development in this thesis of applied approaches of reverse dosimetry. First, we built multi-routes probabilistic PBPK models for two mixtures (benzene, toluene, ethylbenzene and m-xylene (BTEX) on one hand, and trichloroethylene and vinyl chloride (TCE-VC) on the other hand) for human subpopulations of different ages (including one of adults). These models were coupled with Monte Carlo simulations in order to explore the impact of multi-routes co-exposures on the IV of the toxicokinetics of individual compounds at ‘low’ or ‘high’ exposures. Variability indices (VIs) were calculated as the ratio of the 95th percentile value of the distribution of an internal dose in the other subpopulations studied to the 50th percentile value of the same distribution in adults. In a second step, we refined the existing reverse dosimetry approach by developing probabilistic inhalation PBPK models for Canadian subpopulations (of different age, body weight and size) whose blood toluene measurements were collected during the third cycle of Canadian Health Measures Survey (CHMS-3), in order to reconstruct their corresponding external exposure. Finally, we have developed an individual reverse dosimetry approach to estimate external exposure to toluene from urinary measurements of one of its metabolites (S-benzylmercapturic acid or BMA) reported in Canadian individuals. Two techniques were tested here for this estimation: estimating toluene exposure from spot measurements of urinary BMA of a full day obtained in each individual and estimating exposure from an individual measurement of urinary BMA performed on 24-h urines. The individual approach allowed us to propose a method to quantify the uncertainty, that means the possible error, on the estimates of external exposure made by reverse dosimetry from spot measurements from health surveys. This doctoral study revealed that the impact of multi-routes co-exposures on IV of toxicokinetics may depend on the compounds in the mixtures and the level of exposure to these substances. For example, the variation obtained on the amount of substance metabolized by CYP2E1-based VIs based is about -9 to -5% and -38 to -33% for benzene respectively for 'low' and 'high' exposures simulated to the mixture. For VC and TCE, it is respectively about -17 to -13% and -20 to -11% for "high" exposures, and zero for "low" exposures to the mixture. The exposures to toluene in air estimated by reverse dosimetry in this thesis (median between 0.004 and 0.01 ppm) are well below the maximum guideline values recommended by Health Canada for chronic exposure and suggest an exposure of Canadian studied via indoor air. The uncertainty mentioned above varies between 15 and 23% in the context of our work. The present doctoral study has contributed to improving the assessment of the toxicological risk of VOCs.

Les enfants sont exposés au p,p’-dichlorodiphényltrichloroéthane (p,p’-DDT) et au p,p’-dichlorodiphényldichloroéthylène (p,p’-DDE) par transfert placentaire et par le lait maternel. Plusieurs études laissent croire que cette exposition pourrait avoir un impact sur l’indice de masse corporelle (IMC) pendant l’enfance. Le but de notre étude était d’évaluer l’association entre l’exposition par le lait maternel et l’IMC des enfants japonais âgés de 42 mois. Nous avons utilisé les données d’une étude pilote (n=290) de la Japan Environment and Children Study (JECS). Le p,p’-DDT et le p,p’-DDE ont été mesurés dans le lait maternel, et les concentrations chez l’enfant ont été estimées pour trois périodes (0-6 mois, 6-12 mois, 12-24 mois) à l’aide d’un modèle de toxicocinétique. Les associations avec l’IMC à 42 mois ont été évaluées à l’aide de modèles de régression linéaire multivariée. Aucune association n’a été observée avec les concentrations de p,p’-DDT mesurées dans le lait maternel, ni avec les concentrations estimées chez les enfants. Des associations positives avec les concentrations de p,p’-DDE estimées ont été observées chez les filles. Chaque augmentation d’un logarithme naturel dans les concentrations estimées était associée avec une augmentation du score z de l’IMC de 0.23 (I.C. 95% : 0.01, 0.45) pour la période d’exposition 0-6 mois, de 0.26 (I.C. 95% : 0.06, 0.47) pour la période 6-12 mois, et de 0.24 (I.C. 95% : 0.05, 0.43) pour la période de 12-24 mois. Ces associations étaient dans le même ordre de grandeur que l’association observée dans une méta-analyse publiée récemment (augmentation du score z de l’IMC de 0.13 par augmentation d’un logarithme naturel dans l’exposition prénatale), ce qui supporte l’hypothèse que l’exposition développementale au p,p’-DDE est associée avec une augmentation de l’IMC durant l’enfance. / Children are exposed to p,p’-dichlorodiphenyltrichloroethane (p,p’-DDT) and p,p’-dichlorodiphenyldichloroethylene (p,p’-DDE) through placental and lactational transfer. Studies have revealed that these exposures could lead to increased body mass index (BMI) during childhood. Our aim was to assess whether exposure through breast milk is associated with BMI in Japanese children at 42 months of age. We used data from a pilot study (n=290) of the Japanese Environment and Children Study (JECS). p,p’-DDT and p,p’-DDE levels were measured in breast milk, and levels in children were estimated using a toxicokinetic model for three exposure periods (0-6 months, 6-12 months, 12-24 months). Associations with BMI at 42 months of age were assessed using multivariate linear regression models. Our study revealed no significant association with levels of p,p’-DDT measured in breast milk or estimated in children. Positive associations with p,p’-DDE were found in girls during all exposure periods. For each log increase in the estimated p,p’-DDE levels, BMI z-score increased by 0.23 (C.I. 95%: 0.01, 0.45) for the 0-6 months exposure period, 0.26 (C.I. 95%: 0.06, 0.47) for the 6-12 months exposure period and 0.24 (C.I. 95%: 0.05, 0.43) for the 12-24 months exposure period. Our results in girls were similar to those found in a previous meta-analysis that included boys and girls (BMI z-score increase of 0.13 by log increase in prenatal p,p’-DDE levels), supporting that early-life exposure to p,p’-DDE may be associated with increased BMI during childhood.

Résumé: De nombreuses études ont établi que l’exposition aux moisissures intérieures peut être nuisible à la santé. Dans une récente étude, 21 composés organiques volatils microbiens (COVM) ont été sélectionnés comme biomarqueurs potentiels de l’exposition aux moisissures intérieures. L’objectif du projet était de déterminer les coefficients de partage (CP) sang:air, urine:air, plasma:air et eau:air pour ces composés, paramètres utilisés dans la prédiction de la toxicocinétique des xénobiotiques. Pour y parvenir, la méthode de flacons à l’équilibre a été utilisée. Les COVM (1.57-2.01 µg) injectés dans des flacons (20 ml) hermétiquement scellés contenant soit 0.5 ml de matrice (flacons test) ou simplement de l’air (flacons références) ont été incubés 60 min à 37⁰ C sous agitation continue. La quantification des COVM dans l’espace de tête des flacons (test et références) a été ensuite faite par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS/MS). Les CP de 19 COVM variaient entre 78 et 4721 pour sang:air, 14 et 3586 pour urine:air, 64 et 5604 pour plasma:air et 16 et 2210 pour eau:air. Les CP eau:air étaient étroitement liés aux CP urine:air pour 17 COVM (R2 = 0,97, pente =1,001) suggérant que la valeur de CP eau:air (lorsqu’inférieur à103) peut être un substitut au CP urine:air. L’étude des ratios sang:urine indique que six COVM seraient nettement plus concentrés dans le sang, matrice de choix pour ces composés. Les données générées par cette étude faciliteront le développement de modèles pharmacocinétiques de COVM et le paramétrage de leurs prélèvements en tant que biomarqueurs de l’exposition aux moisissures intérieures. / Abstract: Numerous studies have established that exposure to indoor molds can be harmful to health. In a recent study, 21 microbial volatile organic compounds (mVOCs) were selected as potential biomarkers of indoor mold exposure. The objective of the project was to determine the blood:air, urine:air, plasma:air, and water:air partition coefficients (PCs) for these compounds, parameters used in predicting the toxicokinetics of xenobiotics. To achieve this, the vial-equilibration method was used. mVOCs (1.57-2.01 µg) were injected into hermetically sealed vials (20 ml) containing either 0.5 ml of matrix (test vials) or simply air (reference vials) and were incubated for 60 min at 37 ⁰C under continuous agitation. Quantification of mVOCs in the headspace of the vials (test and reference) was then performed by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS/MS). The PCs of 19 mVOCs ranged from 78 and 4721 for blood:air, 14 and 3586 for urine:air, 64 and 5604 for plasma:air, and 16 and 2210 for water:air. Water:air PCs were closely related to urine:air PCs for 17 mVOCs (R2 = 0.97, slope =1.001) suggesting that the water:air PC value (when less than 103) may be a surrogate for the urine:air PC. The blood:urine ratio study indicates that six mVOCs would be significantly more concentrated in blood, the matrix of choice for these compounds. The data generated from this study will facilitate the development of pharmacokinetic models of mVOCs and the parameterization of their sampling as biomarkers of indoor mold exposure.

Le captane est un fongicide utilisé pour prévenir l’apparition de champignons notamment dans la culture de petits fruits. Les travailleurs agricoles québécois cultivant les petits fruits sont susceptibles d’être exposés au captane dans leur milieu professionnel. La biosurveillance de l’exposition au captane couplée à la modélisation toxicocinétique permet une évaluation du risque de ces travailleurs agricoles. Ainsi, cette étude avait pour objectif de documenter la pertinence de l’utilisation des profils temporels de biomarqueurs d’exposition au captane dans l’urine pour évaluer l’exposition individuelle de travailleurs agricoles. À partir des profils d’excrétion urinaire de l’acide 2-thioxothiazolidine-4-carboxylique (TTCA), des informations auto-rapportées durant la période de suivi et d’un modèle toxicocinétique, les doses absorbées de captane pour chaque travailleur ont été estimées et les principales voies d’exposition ont été déterminées. Parmi les six travailleurs ayant appliqué du captane, le TTCA a été détecté dans leurs urines majoritairement après 20 heures post-exposition (moyenne de 30,0 ± 36,1 μmol/mol de créatinine entre 0 - 24 heures). La détection de TTCA semble donc être due à une exposition secondaire à l’application provenant de tâches telles que le nettoyage de l’équipement ou un travail dans les champs traités dans la journée suivant l’application. La simulation des profils temporels des travailleurs à l’aide de la modélisation toxicocinétique suggère une absorption majoritairement par voie orale du captane. Ceci serait compatible avec un comportement main-bouche suite à un contact avec des surfaces contaminées. Selon la modélisation des doses absorbées estimées de captane, la probabilité de dépassement de la dose journalière admissible (DJA) ou Acceptable daily intake (ADI en anglais) est inférieure à 1 (DJA fixée à 0,1 mg/kg pc/jour). L’utilisation de ce fongicide à court terme ne semble pas poser de risque appréciable pour la santé chez la majorité de ces travailleurs, sur la base de la comparaison avec la DJA (ADI). / Captan is a fungicide used to prevent the appearance of fungi especially in the cultivation of small fruit. Agricultural workers in Quebec who grow small fruit are likely to be occupationally exposed to captan. Biomonitoring of captan coupled with toxicokinetic modelling enables risk assessment of these field workers. The aim of this study was to document the relevance of using temporal profiles of biomarkers of exposure to captan in urine to assess the individual exposure of agricultural field workers. Using urinary excretion profiles for 2-thioxothiazolidine-4-carboxilic acid (TTCA), self-reported information during the follow-up period and a toxicokinetic model, the absorbed doses of captan for each worker were estimated. The main routes of exposure were also determined. Among the six agricultural field workers who applied captan, TTCA was detected in their urine mainly after 20 hours post-exposure (mean of 30.0 ± 36.1 μmol/mol creatinine between 0 and 24 hours). The detection of TTCA seems to be caused by secondary exposure to the application arising from tasks such as cleaning equipment or working in the treated fields on the day following application. Simulation of the temporal profiles of workers using toxicokinetic modelling suggests a predominantly oral absorption to captan. This would be compatible with hand-to-mouth behaviour following contact with contaminated surfaces. Based on modelling of estimated absorbed doses of captan, the probability of exceeding the acceptable daily intake (ADI) is less than 1 (ADI set at 0.1 mg/kg bw/day). Short-term use of this fungicide does not appear to pose any appreciable health risk for the majority of these workers based on comparison with the ADI.

Un facteur d’incertitude de 10 est utilisé par défaut lors de l’élaboration des valeurs toxicologiques de référence en santé environnementale, afin de tenir compte de la variabilité interindividuelle dans la population. La composante toxicocinétique de cette variabilité correspond à racine de 10, soit 3,16. Sa validité a auparavant été étudiée sur la base de données pharmaceutiques colligées auprès de diverses populations (adultes, enfants, aînés). Ainsi, il est possible de comparer la valeur de 3,16 au Facteur d’ajustement pour la cinétique humaine (FACH), qui constitue le rapport entre un centile élevé (ex. : 95e) de la distribution de la dose interne dans des sous-groupes présumés sensibles et sa médiane chez l’adulte, ou encore à l’intérieur d’une population générale. Toutefois, les données expérimentales humaines sur les polluants environnementaux sont rares. De plus, ces substances ont généralement des propriétés sensiblement différentes de celles des médicaments. Il est donc difficile de valider, pour les polluants, les estimations faites à partir des données sur les médicaments. Pour résoudre ce problème, la modélisation toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été utilisée pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes lors de l’exposition aux polluants. Cependant, les études réalisées à ce jour n’ont que peu permis d’évaluer l’impact des conditions d’exposition (c.-à-d. voie, durée, intensité), des propriétés physico/biochimiques des polluants, et des caractéristiques de la population exposée sur la valeur du FACH et donc la validité de la valeur par défaut de 3,16. Les travaux de la présente thèse visent à combler ces lacunes. À l’aide de simulations de Monte-Carlo, un modèle TCBP a d’abord été utilisé pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes (c.-à-d. chez les adultes, ainés, enfants, femmes enceintes) de contaminants de l’eau lors d’une exposition par voie orale, respiratoire, ou cutanée. Dans un deuxième temps, un tel modèle a été utilisé pour simuler cette variabilité lors de l’inhalation de contaminants à intensité et durée variables. Ensuite, un algorithme toxicocinétique à l’équilibre probabiliste a été utilisé pour estimer la variabilité interindividuelle des doses internes lors d’expositions chroniques à des contaminants hypothétiques aux propriétés physico/biochimiques variables. Ainsi, les propriétés de volatilité, de fraction métabolisée, de voie métabolique empruntée ainsi que de biodisponibilité orale ont fait l’objet d’analyses spécifiques. Finalement, l’impact du référent considéré et des caractéristiques démographiques sur la valeur du FACH lors de l’inhalation chronique a été évalué, en ayant recours également à un algorithme toxicocinétique à l’équilibre. Les distributions de doses internes générées dans les divers scénarios élaborés ont permis de calculer dans chaque cas le FACH selon l’approche décrite plus haut. Cette étude a mis en lumière les divers déterminants de la sensibilité toxicocinétique selon le sous-groupe et la mesure de dose interne considérée. Elle a permis de caractériser les déterminants du FACH et donc les cas où ce dernier dépasse la valeur par défaut de 3,16 (jusqu’à 28,3), observés presqu’uniquement chez les nouveau-nés et en fonction de la substance mère. Cette thèse contribue à améliorer les connaissances dans le domaine de l’analyse du risque toxicologique en caractérisant le FACH selon diverses considérations. / A default uncertainty factor of 10 is used in toxicological risk assessment to account for human variability, and the toxicokinetic component of this factor corresponds to a value of square root of 10, or 3,16. The adequacy of this value has been studied in the literature on the basis of pharmaceutical data obtained in various subpopulations (e.g. adults, children, elderly). Indeed, it is possible to compare the default value of 3,16 to the Human Kinetic Adjustment Factor (HKAF), computed as the ratio of an upper percentile value (e.g. 95th) of the distribution of internal dose metrics in presumed sensitive subpopulation to its median in adults, or alternatively an entire population. However, human experimental data on environmental contaminants are sparse. Besides, these chemicals generally exhibit characteristics that are quite different as compared to drugs. As a result, it is difficult to extrapolate, for pollutants, estimates of HKAF that were made using data on drugs. To solve this problem, physiologically-based toxicokinetic (PBTK) modeling has been used to simulate interindividual variability in internal dose metrics following exposure to xenobiotics. However, studies realized to date have not systematically evaluated the impact of the exposure conditions (route, duration and intensity), the physico/biochemical properties of the chemicals, and the characteristics of the exposed population, on the HKAF, and thus the adequacy of the default value. This thesis aims at compensating this lack of knowledge. First, a probabilistic PBTK model was used to simulate, by means of Monte Carlo simulations, the interindividual variability in internal dose metrics (i.e. in adults, children, elerly, pregnant women) following the oral, inhalation or dermal exposure to drinking water contaminants, taken separately. Second, a similar model was used to simulate this variability following inhalation exposures of various durations and intensities to air contaminants. Then, a probabilistic steady-state algorithm was used to estimate interindividual variability in internal dose metrics for chronic exposures to hypothetical contaminants exhibiting different physico/biochemical properties. These include volatility, the fraction metabolized, the metabolic pathway by which they are biotransformed and oral bioavailability. Finally, the impact of a population’s demographic characteristics and the referent considered on the HKAF for chronic inhalation exposure was studied, also using a probabilistic steady-state algorithm. The distributions of internal dose metrics that were generated for every scenario simulated were used to compute the HKAF as described above. This study has pointed out the determinants of the toxicokinetic sensitivity considering a given subpopulation and dose metric. It allowed identifying determinants of the numeric value of the HKAF, thus cases for which it exceeded the default value of 3,16. This happened almost exclusively in neonates and on the basis of the parent compound. Overall, this study has contributed to the field of toxicological risk assessment by characterizing the HKAF as a function of various considerations.

La désinfection de l’eau de consommation et des piscines induit la formation de sous-produits (SPD) potentiellement nocifs pour la santé, parmi lesquels les trihalométhanes (THM), les acides haloacétiques (HAA) et les chloramines (CAM). La difficulté d’estimer l’exposition humaine à ces SPD empêche de cerner précisément les risques sanitaires possiblement associés (i.e., cancérigènes, reprotoxiques, irritatifs). Nos travaux s’articulent autour d’une méthodologie consistant à intégrer des données d’occurrence environnementales à des modèles toxicocinétiques à base physiologique (TCBP) pour améliorer les mesures de l’exposition aux SPD. Cette approche multidisciplinaire veut prendre en compte de manière aussi appropriée que possible les deux composantes majeures des variations de cette exposition : les variations spatio-temporelles des niveaux de contamination environnementale et l’impact des différences inter- et intra-individuelles sur les niveaux biologiques. Cette thèse, organisée en deux volets qui explorent chacun successivement des aspects environnemental et biologique de la problématique, vise à contribuer au développement de cette stratégie innovante d’estimation de l’exposition et, plus généralement, à des meilleures pratiques en la matière. Le premier volet de la thèse s’intéresse à l’exposition en milieu domestique (i.e., résultant de l’utilisation de l’eau potable au domicile) et est consacré au cas complexe des THM, les plus abondants et volatils des SPD, absorbables par ingestion mais aussi par inhalation et voie percutanée. Les articles I et II, constitutifs de ce volet, documentent spécifiquement la question des variations inter- et intra- journalières de présence des SPD en réseau et de leurs impacts sur les estimateurs de l’exposition biologique. Ils décrivent l’amplitude et la diversité des variations à court terme des niveaux environnementaux, présentent les difficultés à proposer une façon systématique et « épidémiologiquement » pratique de les modéliser et proposent, de manière originale, une évaluation des mésestimations, somme toute modestes, des mesures biologiques de l’exposition résultant de leurs non-prise en compte. Le deuxième volet de la thèse se penche sur l’exposition aux SPD en piscine, d’un intérêt grandissant au niveau international, et se restreint au cas jugé prioritaire des piscines publiques intérieures. Ce volet envisage, pour quantifier l’exposition dans ce contexte particulier, l’extension de l’approche méthodologique préconisée, élaborée originellement pour application dans un contexte domestique : d’abord, à travers une analyse approfondie des variations des niveaux de contamination (eau, air) des SPD en piscine en vue de les modéliser (article III); puis en examinant, dans le cas particulier du chloroforme, le THM le plus abondant, la possibilité d’utiliser la modélisation TCBP pour simuler des expositions en piscine (article IV). Les résultats mettent notamment en évidence la difficulté d’appréhender précisément la contamination environnementale autrement que par un échantillonnage in situ tandis que la modélisation TCBP apparait, sur le plan toxicologique, comme l’outil le plus pertinent à ce jour, notamment au regard des autres approches existantes, mais qu’il convient d’améliorer pour mieux prédire les niveaux d’exposition biologique. Finalement, ces travaux illustrent la pertinence et la nécessité d’une approche multidisciplinaire et intégratrice et suggère, sur cette base, les pistes à explorer en priorité pour mieux évaluer l’exposition aux SPD et, in fine, cerner véritablement les risques sanitaires qui en résultent. / Disinfection of drinking and swimming pool waters disinfection is unavoidable but induces the formation of by-products (DBPs), such as trihalomethanes (THMs), haloacetic acids (HAAs) and chloramines (CAMs), that could be harmful to human health. The still challenging DBP exposure assessment prevent their suspected adverse effects (i.e., cancers, adverse pregnancy outcomes, irritations) to be clearly established. A methodology has been conceptualized which consists of integrating environmental occurrence data with physiologically based toxicokinetic (PBTK) modeling to improve DBP exposure assessment. It was designed to allow both spatial and temporal variations of the environmental contamination and the biological impacts of between- and within- individual differences to be accounted for. This thesis comprised of two parts. Each one investigates successively both environmental and biological aspects. The objective is to contribute to the development of an innovative integrated strategy and to the definition of best practices for DBP exposure assessment. The first part of the thesis, comprising papers I and II, focuses on household exposure (i.e., resulting from drinking water use at home) and on THMs, the most abundant and volatile DBPs that can be absorbed not only by ingestion but also by inhalation and dermal absorption. These two papers investigate particularly the short-term (day-to-day and within-day) variations of THM levels in the drinking water and then their impact on the internal exposure indicators. They described the amplitudes and the diversity of the environmental variations, failed to model them in a systematic and practical way for epidemiological purposes but assessed, for the first time, their impacts on the predicted biological levels which appeared quite low. The second part concerns the exposure to DBPs in swimming pool which is of a growing international interest. Only the allegedly worrying case of public indoor swimming pool was regarded. This section focuses on the feasibility of using the previously mentioned approach, which was first designed for dealing with household exposure, for DBP exposure assessment in swimming pools. First, Paper III investigated the occurrence and spatial and temporal variations of DBPs in both water and air of swimming pools to model them. Focusing on chloroform, the most abundant THM, Paper IV examined the ability and reliability of PBTK modeling to simulate various swimming pool exposure events and predict the resulting biological levels in individuals. The results show, among other things, the difficulty of explaining precisely the environmental contamination and point out the necessity to carry out a minimal in situ sampling to monitor the environmental levels of DBPs. Compared to other approaches, PBTK modeling is a powerful but still to be improved tool for predicting swimming pool exposure. Eventually, these works underline the relevance and the necessity of a multidisciplinary and integrating approach for better estimating exposure to DBPs and therefore health risks. Further issues that should be addressed are recommended.

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain. / Physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) models simulate the internal dose metrics of chemicals based on species-specific and chemical-specific parameters. The existing quantitative structure-property relationships (QSPRs) allow to estimate the chemical-specific parameters (partition coefficients (PCs) and metabolic constants) but their applicability is limited by their lack of consideration of variability in input parameters and their restricted application domain (i.e., substances containing CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, benzene ring and H in benzene ring). The objective of this study was to develop new knowledge and tools to increase the applicability domain of QSPR-PBPK models for predicting the inhalation toxicokinetics of organic compounds in humans. First, a unified mechanistic algorithm was developed from existing models to predict macro (tissue and blood) and micro (cell and biological fluid) level PCs of 142 drugs and environmental pollutants on the basis of tissue and blood composition along with physicochemical properties. The resulting algorithm was applied to compute the tissue:blood, tissue:plasma and tissue:air PCs in rat muscle (n = 174), liver (n = 139) and adipose tissue (n = 141) for acidic, neutral, zwitterionic and basic drugs as well as ketones, acetate esters, alcohols, ethers, aliphatic and aromatic hydrocarbons. Then, a quantitative property-property relationship (QPPR) model was developed for the in vivo rat intrinsic clearance (CLint) (calculated as the ratio of the in vivo Vmax (μmol/h/kg bw rat) to the Km (μM)) of CYP2E1 substrates (n = 26) as a function of n-octanol:water PC, blood:water PC, and ionization potential). The predictions of the QPPR as lower and upper bounds of the 95% mean confidence intervals were then integrated within a human PBPK model. Subsequently, the PC algorithm and QPPR for CLint were integrated along with a QSPR model for the hemoglobin:water and oil:air PCs to simulate the inhalation pharmacokinetics and cellular dosimetry of volatile organic compounds (VOCs) (benzene, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, m-xylene, toluene, styrene, 1,1,1-trichloroethane and 1,2,4 trimethylbenzene) using a PBPK model for rats. Finally, the variability in the tissue and blood composition parameters of the PC algorithm for rat tissue:air and human blood:air PCs was characterized by performing Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations. The resulting distributions were used for conducting Monte Carlo simulations to predict tissue:blood and blood:air PCs for VOCs. The distributions of PCs, along with distributions of physiological parameters and CYP2E1 content, were then incorporated within a PBPK model, to characterize the human variability of the blood toxicokinetics of four VOCs (benzene, chloroform, styrene and trichloroethylene) using Monte Carlo simulations. Overall, the quantitative approaches for PCs and CLint implemented in this study allow the use of generic molecular descriptors rather than specific molecular fragments to predict the pharmacokinetics of organic substances in humans. In this process, the current study has, for the first time, characterized the variability of the biological input parameters of the PC algorithms to expand the ability of PBPK models to predict the population distributions of the internal dose metrics of organic substances prior to testing in animals or humans.