L’aérobiologie du pollen de bouleau (Betula spp.) : synergie avec les facteurs environnementaux et impacts sur les maladies respiratoires

Abstract

Plusieurs études publiées à travers le monde ont montré une association entre les enjeux de santé liés aux maladies respiratoires, et les facteurs environnementaux suivants : aéroallergènes, pollution et conditions météorologiques. Cependant, beaucoup moins d'attention a été attribuée à l'impact combiné ou la synergie entre ces différentes familles de co-stresseurs. Ainsi, la notion de synergie entre les facteurs environnementaux et le pollen aéroporté représente le fil conducteur sous-jacent à cette thèse. Par ailleurs, des simulations numériques du pollen allergénique aéroporté (Betula spp.) sont nécessaires pour protéger et informer les citoyens des risques à la santé respiratoire mais aussi pour comprendre dans un contexte régional (à l’aide de cartographie), la variabilité spatio-temporelle à la fois des facteurs environnementaux et celle du pollen. Le système de simulation développé dans le cadre de cette thèse permet l'analyse combinée du transport et de la dispersion à moyenne et longue distance (TDMLD) du pollen anémophile et des polluants atmosphériques. Soumis à de multiples stress environnementaux durant son transport dans l’atmosphère, le grain de pollen peut subir une augmentation des fractures de son enveloppe externe (exine) conduisant à une libération de granules intracytoplasmiques ayant des propriétés allergisantes et une modification des allergènes ayant davantage d’impact sur les patients atopiques. Selon les recherches scientifiques, si ces protéines allergéniques présentes dans les grains de pollen sont inhalées, elles entraînent une attaque d’asthme chez des sujets susceptibles. Bien que la thèse discute d’un grand nombre d’aspects reliés à l’aérobiologie, elle ne permet pas encore de modéliser complètement toutes les facettes du problème mais ouvre la porte à plusieurs avenues de recherche multidisciplinaire. Cinq grandes questions de recherche ou défis méthodologiques sont abordées dans cette thèse : 1. Étant donné la rareté ou l’absence de mesures phénologiques, comment construire un module de phénologie qui sert d’intrant à un modèle d’émission pollinique pour le pollen de Betula (Chapitre 3) ?

2. Comment simuler et intégrer les émissions polliniques et reproduire adéquatement la dispersion du pollen aéroporté dans un modèle couplé météorologie/qualité de l’air déjà existant au Canada tenant compte du fait que ce modèle n’est pas conçu au départ pour simuler le pollen aéroporté (Chapitre 4) ?

3. Quelle est l’origine du pollen de Betula affectant la région de Montréal et quelle est la meilleure façon d’établir sa provenance, tenant compte du fait que les méthodes traditionnelles (rétro-trajectoires, méthode inverses, modèles bi-dimensionnels, etc.) présentent des difficultés qui leur sont propres (Chapitre 4) ?

4. Quels sont les liens synergiques entre l’exposition au pollen allergénique, la pollution et les conditions météorologiques et quels impacts se manifestent sur la santé respiratoire des patients atopiques compte tenu de la présence de facteurs de confusion (i.e. météorologiques, géographiques, socio-économiques, etc.) dans l’analyse des données de pollen de Betula en relation avec les maladies respiratoires à Montréal et au Québec (Chapitres 5 et 6) ?

5. Quelle est la variabilité spatio-temporelle des maladies respiratoires au Québec en relation avec les facteurs de l’environnement atmosphérique (Chapitre 6) ?

Several studies published around the world have shown an association between health issues related to respiratory diseases and the following environmental factors: aeroallergens, air pollution and weather conditions. However, much less attention has been attributed to the combined impact or synergy between these different families of co-stressors. Thus, the notion of synergy between environmental factors and airborne pollen represents the main motivation underlying this thesis. Furthermore, numerical simulations of one of the most allergenic pollen (Betula spp.) are necessary to protect and inform citizens of the risks to respiratory health, but also to understand in a regional context (using mapping) the spatial variability of both environmental factors and airborne pollen. In this thesis, the developed simulation system allows the combined analysis of medium and long-distance transport and dispersion (TDMLD) of both anemophilic pollen and atmospheric pollutants. Subjected to multiple environmental stresses the pollen grain may undergo an increase in the fractures of its external envelope (exine) which can lead to a release of allergenic intracytoplasmic granules and a modification of the allergens exacerbating impacts on atopic patients. According to several researchers, these allergenic proteins present within pollen grains when inhaled cause attack of asthma in susceptible humans. Although the thesis discusses many aspects related to aerobiology, it does not yet allow to completely model all the facets of the problem. However, it opens the door to several avenues of multidisciplinary research. Five major research questions or methodological challenges are addressed in this thesis : 1. Given the scarcity or absence of phenological observations, how do we construct a phenology module that is suitable as an input to a pollen emission model for Betula pollen simulation (Chapter 3) ? 2. How to simulate and integrate pollen emissions and adequately reproduce airborne pollen dispersion in an existing coupled meteorology / air quality model developed in Canada, recognizing that this model is not originally designed to simulate airborne pollen (Chapter 4) ? 3. What is the origin of the Betula pollen affecting the Montreal area and what is the best way to establish its provenance, considering that traditional methods (back-trajectories, inverse methods, two-dimensional models, etc.) present their own difficulties (Chapter 4) ? 4. What are the synergistic links between exposure to allergenic pollen, pollution and weather conditions and what impacts are apparent on the respiratory health of atopic patients given the presence of confounding factors (i.e. meteorological, geographical, socio-economic, etc.) in the analysis of Betula pollen data in relation to respiratory diseases in Montreal and the province of Quebec (Chapters 5 and 6)? 5. What is the spatio-temporal variability of respiratory diseases in Quebec in relation to factors of the atmospheric environment (Chapter 6) ?