Développement et sélection de métabolites urinaires des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques en tant que biomarqueur d’exposition des populations

par Simon Lutier

Thèse de doctorat en Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement

Sous la direction de Anne Maître.

Le président du jury était Pascal Andujar.

Le jury était composé de Stéphane Reynaud, Gilbert Laffitte Rigaud.

Les rapporteurs étaient Nancy Hopf.


  • Résumé

    Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants ubiquitaires cancérogènes émis dans l’atmosphère sous forme gazeuse ou particulaire et constituent des mélanges complexes issues de sources multiples. Les biomarqueurs d’exposition urinaires sont le plus couramment utilisés pour effectuer la surveillance biologique de l’exposition (SBE) aux HAP, notamment le 1-hydroxypyrène (1-OHP). Sa seule utilisation pour estimer l’exposition aux mélanges de HAP est aujourd’hui controversée. Le 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) est récemment utilisé car il est issu du benzo(a)pyrène (BaP), le seul HAP classé cancérogène certain pour l’homme. Les métabolites monohydroxylés des HAP gazeux les plus abondants sont utilisés pour la SBE. Ce travail a pour objectif de développer et sélectionner un ensemble de biomarqueurs permettant une SBE pertinente et efficace de l’exposition aux HAP tant au niveau professionnel qu’environnemental. Dans un premier temps, les biomarqueurs d’exposition aux HAP cancérogènes (essentiellement contenus dans la phase particulaire) qui sont le 1-OHP et le 3-OHBaP ont été étudiés. La variabilité des mélanges atmosphérique émis, notamment l’abondance relative de la phase gazeuse par rapport à la phase particulaire font que le 1-OHP n’est pas spécifique de l’exposition aux HAP cancérogènes qui sont contenu dans la phase particulaire. En effet, les concentrations urinaires de 1-OHP dépendent des niveaux atmosphériques de pyrène, un HAP non cancérogène émis sous forme gazeuse et particulaire. L’étude de la cinétique d’élimination urinaire du 3-OHBaP a permis de confirmer que le prélèvement d’urine dans le cadre de la SBE en milieu professionnel soit réalisé en fin de poste plus 16h de par la cinétique d’élimination urinaire atypique. Ainsi, il est recommandé de l’effectué en début de poste du dernier jour travaillé. L’étude des modes de correction de la diurèse a confirmé la nécessité de prendre en compte le degré de dilution des urines pour le 1-OHP et le 3-OHBaP et que la correction par la créatinine urinaire est un moyen adapté. La faible abondance urinaire du 3-OHBaP ne permet pas d’effectuer de la SBE dans des milieux professionnels avec de faibles niveaux d’expositions. Dans un deuxième temps, nous avons sélectionné des biomarqueurs pour les faibles expositions professionnelles parmi les différents métabolites monohydroxylés des HAP gazeux. Parmi les métabolites comparés, le 2-hydroxyfluorène et le 2-hydroxyphenanthrène sont ceux qui reflètent au mieux l’exposition professionnelle mais ne sont pas spécifiques de l’exposition aux HAP cancérogènes contenus dans la phase particulaire. Enfin, nous avons développé une méthode de dosage urinaire du (±)trans-anti-BaP-tétraol (Tetraol-BaP) applicable en routine avec un limite de quantification de 0,02 ng/L. Le Tetraol-BaP urinaire est au moins aussi abondant que le 3-OHBaP. Les premières analyses indiquent que le Tetraol-BaP pourrait être un biomarqueur d’exposition intéressant pour estimer le risque cancérogène. En effet, il est plus proche de l’effet toxique que le 3-OHBaP car il est issu des voies de métabolisation toxique du BaP. Ce travail de thèse souligne que l’évaluation de l’exposition aux mélanges de HAP à partir d’un seul métabolite est difficilement interprétable à cause de la variabilité des mélanges émis et propose différents biomarqueurs qui permettraient de caractériser l’exposition à l’échelle du mélange de HAP.

  • Titre traduit

    Development and selection of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons urinary metabolites as exposure biomarkers for human biomonitoring


  • Résumé

    Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous carcinogenic pollutants emitted into the atmosphere in complex mixtures constituted of gaseous PAHs and particulate PAHs. Urinary exposure biomarkers are most commonly used in order to perform human biomonitoring (HB) to PAHs, especially the 1-hydroxypyrene (1-OHP) that is considered as the golden standard. However, its use to characterized mixture exposure is controversial. The 3-hydroxybenzo(a)pyrene (3-OHBaP) is recently used because it is a metabolite of the benzo(a)pyrene (BaP), the only PAH classified as carcinogenic to humans. Monohydroxylated metabolites of the most abundant gaseous PAHs are also used to perform HB. The aim of this thesis was to develop and select a set of exposure biomarkers that enables a relevant and effective HB for both environmental and occupational exposures. Firstly, the 1-OHP and the 3-OHBaP which are used as exposure biomarkers of carcinogenic PAHs (mainly contained in the particulate phase) were studied. The variability of the emitted atmospheric mixtures, especially the relative abundance between the gaseous and the particulate phases complicates the use of the 1-OHP to assess specific carcinogenic PAH exposure. Indeed, 1-OHP urinary concentrations depend on atmospheric pyrene concentrations (a non-carcinogenic PAH) which is present in both phases. The study of urinary elimination kinetic of the 3-OHBaP revealed atypical elimination kinetics (as in rats) and confirmed that sampling time should be done 16 hours after the end of the shift. Thus, sampling is recommended at pre-shift of the last day worked. The study of diuresis adjustment confirmed the need to take into account the urine’s degree of dilution and that urinary creatinine adjustment is suitable to correct concentrations of the 1-OHP and the 3-OHBaP. HB in occupational sectors with low exposure can’t be performed with 3-OHBaP due to its low urinary abundance. Secondly, monohydroxylated metabolites of gaseous PAHs were compared to select relevant biomarkers for low occupational exposure. Among the compared metabolites, the 2-hydroxyfluorene and the 2-hydroxyphenanthrene were proposed because they are those that best reflect occupational exposure. However, these two metabolites were not specific of carcinogenic PAH exposure in the particulate phase. Finally, an analytical method of the (±)trans-anti-BaP-tetraol (Tetraol-BaP) was developed for routine application (the limit of quantification was 0,02ng/L). The first urinary analysis indicated that the Tetraol-BaP is at least as abundant as the 3-OHBaP and that it could be a relevant biomarker to assess carcinogenic risk. Indeed, the Tetraol-BaP is a product of toxic metabolism pathways of the BaP, which allows it to be closer to the toxic effect than the 3-OHBaP. This thesis highlights the difficulty to use a single biomarker to assess PAH mixture exposure due to their important variability and suggests different biomarkers that would characterize mixture PAH exposure.


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