Étude du continuum exposition-effet cancérogène du benzo[a]pyrène

Abstract

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.