Evaluation de l’impact (éco) toxicologique de résidus médicamenteux présents dans les effluents hospitaliers, urbains et dans l’environnement à l’aide d’une batterie de bioessais et de biomarqueurs

(Eco)toxicologic risk assessment of drugs released in hospital or communal sewage network and environment, using a battery bioassays and biomarker

• Auteur / Autrice : Nicolas Mater
• Direction : Annie Pfohl-Leszkowicz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 20/06/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés libres

Ciprofloxacine

Tamoxifène

Cyclophosphamide

Effluents hospitaliers

Bioessais

Biomarqueurs

Génotoxicité

Adduits à l’ADN

Hormèse

Ciprofloxacin

Tamoxifen

Cyclophosphamide

Hospital effluents

Bioassays

Biomarkers

Genotoxicity

DNA adducts

Hormesis

Résumé

En Europe, le nombre de cancers est en constante augmentation et explique l’augmentation des traitements. Les bases de ces traitements sont la chimiothérapie et la radiothérapie, seules ou en association. Les chimiothérapies sont effectuées à l’aide de médicaments anticancéreux qui ont des propriétés toxiques pour les cellules. Après administration des traitements aux patients, les médicaments sont excrétés et se concentrent dans les effluents hospitaliers et les réseaux d’égouts. Bien que beaucoup de ces composés soient éliminés dans les stations d’épuration, certains sont difficilement biodégradables et sont directement rejetées dans le milieu naturel où ils représentent un risque toxique pour la flore, la faune et l’Homme. Bien que les concentrations soient faibles (ng/L - μg/L), très peu de données sont disponibles sur leurs impacts écotoxicologiques. Leur présence dans l’environnement est d’autant plus préoccupante que les produits de métabolisation sont souvent plus toxiques que la substance d’origine. L’objectif de la thèse a été d’évaluer le risque (éco)toxicologique induit par de faibles doses de médicaments rejetés seuls ou en mélanges dans les effluents hospitaliers, urbains et dans l’environnement. De par leur utilisation courante dans les traitements anticancéreux, trois molécules ont été sélectionnées pour notre étude : la ciprofloxacine (antibiotique), le tamoxifène (perturbateur endocrinien), et le cyclophosphamide (anticancéreux). Des gammes de concentrations représentatives des effluents hospitaliers, station d’épuration et de l’environnement ont été testées à l’aide de bioessais appliqués à des organismes aquatiques (V. fischeri, P. subcapitata, L. minor) et de biomarqueurs appliqués à une levure (S. cerevisiae) et des cellules humaines hépatiques et mammaires. La viabilité cellulaire (test MTS) et la génotoxicité (cassures à l’ADN et adduit à l’ADN) ont été comparés aux tests standardisés Microtox ®, Algaltoxkit F™, ainsi que d’inhibition de croissance de Lemna minor. Le potentiel perturbateur endocrinien a été évalué en parallèle à l’aide du test YES/YAS. Cette batterie de tests a ensuite été appliquée a des effluents bruts (hospitaliers, station d’épuration) pour en évaluer le potentiel (géno)toxique. Des échantillons à proximité de l’hôpital de Gérone (Espagne) ont été prélevés en sortie de l’hôpital, en entrée et en sortie de station d’épuration, pendant trois mois consécutifs. Plusieurs effets de toxicité ont été observés sur les modèles d’étude, comme notamment l’apparition de phénomènes d’hormèses sur la viabilité des cellules hépatiques exposée au tamoxifène et à la ciprofloxacine, seuls ou en mélange. Le même schéma est observé pour les mélanges avec le test Microtox®. D’autre part, l’exposition respective des cellules hépatiques et mammaires aux médicaments n’entraîne pas de cassures de l’ADN et entraine l’apparition d’adduits seulement avec le tamoxifène, alors qu’on note une augmentation dose-dépendant des cassures et des adduits à l’ADN après exposition aux mélanges. De même, une réponse positive est observée avec le test Algaltox F™. Concernant les effluents, les effets dépendent à la fois du type d’organisme et du temps d’exposition. Les tests Microtox®, Algaltox F™ et le post-marquage des adduits à l’ADN sont apparus être les pertinents pour l’analyse. Les interactions observées entre les composés mettent en avant la nécessité d’évaluer les effets des contaminants à petites doses en mélanges, à plusieurs temps d’exposition et avec différents tests. L’application d’une telle batterie de tests à des échantillons environnementaux permet de qualifier les effluents et de suivre l’efficacité de moyens d’épuration. A terme, son application pourrait permettre de mieux appréhender les risques (éco)toxiques associés aux rejets de médicaments dans l’environnement et pouvant être à l’origine de cancer secondaire chez l’Homme.

In Europe, cancers rate is constantly raising, which explain the increase in treatments. They are usually chemotherapy and radiotherapy, alone or combine. Chemotherapy is done with anticancer drugs with toxic characteristics on cells. After administer the treatments to the patients, some of the drugs are excreted in significant proportion and released in hospital and communal effluents. Even though a lot of the compounds are either removed by adsorption or bio-degradation in waste water treatment plant (WWTP), some of their are not are directly released in the environment and represent a toxic risk for aquatic organisms and the Human health. Despite low concentrations (ng/L-μg/L), few data are available about the ecotoxicological impact. The importance of chemical compounds pollutants, especially anticancer drugs, are a real concern because the metabolites of the chemicals are even more toxic than the original substance. The aim of the thesis is to develop a battery based approach to evaluate the risks induct by low doses of drugs released independently or in mixture, in hospital waste water. Because of their common use in anticancer treatment procedures, three molecules have been chosen for our study: ciprofloxacin (antibiotic), tamoxifen (endocrine disruptor), cyclophosphamide (anticancer). Concentrations were range from hospital sewers and WWTP to the environment have been tested with a battery base approach using standardized bioassays applied on aquatic organisms (V fischeri, S. subcapitata, L. minor) and biomarker applied on yeast (S. cerevisia), hepatic and mammary human cell lines. Cell viability (test MTS) and genotoxicity (DNA breaks, DNA adducts) were compared with the standardized bioassays Microtox®, Algaltoxkit F™, and Lemna minor growth inhibition. In parallel, the endocrine disruptor activity was estimated the YES/YAS assay. The battery assay was then applied to evaluate the (geno)toxicity of raw effluents (hospital, wastewater-treatment plant). Samples from the hospital of Girona (Spain) were taken got out of it from the hospital, in entrance and got out of it from water-treatment plant, during three consecutive months. Several toxic effects have been observed during this work on aquatic organisms and both human cell lines. Results show especially hormetic effect on viability of hepatic cell line exposed to ciprofloxacin and tamoxifen alone or in mixture. Same results were observed the Microtox assays after mixtures exposures. On the other hand, the individually hepatic and mammary cell exposure to the drugs doesn’t induce DNA break, and induce DNA adduct only with the tamoxifen. Furthermore, we observe a dose-dependent increasing of the DNA break and adduct if the cells are exposed in mixture. Same results were observed with Algaltox F™. Concerning the effluents, effects depending on the kind of organisms and time exposure. The Microtox ®, Algaltox F ™ and the DNA adducts post-labelling appeared to be the most relevant for the analysis. The interactions observed between drugs pinpoint the necessity to assess the effect of contaminants in low doses mixtures, at many exposure times, and using different tools. The application of this battery with environmental raw samples is in use to rank outflows toxicity and follow the WWTP efficiency, which could lead to a better understanding of the human health risks.