Métabolisme cutané et biomarqueurs d'exposition aux mélanges complexes d'hydrocarbures aromatiques polycycliques

par Etienne Bourgart

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

Sous la direction de Anne Maître.

Soutenue le 19-02-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de Ingénierie pour la santé la Cognition et l'Environnement , en partenariat avec Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, Mathématiques et Applications (Grenoble) (laboratoire) et de Equipe Environnement et Prédiction de la Santé des Populations (équipe de recherche) .

Le président du jury était Marie-Thérèse Leccia.

Le jury était composé de Anne Maître, Henri Schroeder, Nancy Hopf, Thierry Douki, Christophe Rousselle.

Les rapporteurs étaient Henri Schroeder, Nancy Hopf.


  • Résumé

    Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des cancérigènes ubiquitaires, produits en mélanges complexes dont la composition varie en fonction de la source d’émission. Classées substances prioritaires de par leur abondance et leur génotoxicité, l’exposition aux HAP des populations se fait notamment par voie cutanée au cours des activités professionnelles. La surveillance biologique de l’exposition (SBE) tient compte de l’absorption cutanée en plus de l’inhalation et identifie les situations d’exposition à risque. Pour estimer l’exposition au Benzo[a]pyrène (B[a]P), cancérogène certain pour l’homme, le dosage du 3-hydroxybenzo[a]pyrène (3-OHB[a]P) et du (±)trans-anti-B[a]P-tétraol (B[a]P-tétraol) a été récemment proposé. L’objectif de cette thèse était d’étudier l’absorption et le métabolisme cutanés du B[a]P mais aussi des mélanges d’HAP en vue de d’améliorer la compréhension de leur génotoxicité et de développer des biomarqueurs pertinents pour estimer les risques sanitaires. La première partie de ce travail a consisté au développement d’un modèle cutané ex vivo simple mais réaliste à partir d’explants de peau humaine. Après la mise au point des méthodes d’extraction et d’analyse adéquates, la toxico-cinétique et le métabolisme cutané de faibles doses de B[a]P ont été étudiés. La pénétration cutanée et le métabolisme du B[a]P sont inversement proportionnels à la dose appliquée. Cependant, les voies de métabolisation sont impactées différemment. Alors que la production du 3-OHB[a]P issu des voies de détoxication est dose-dépendante, la formation du B[a]P-tétraol, produit de l’hydrolyse du métabolite cancérogène ultime du B[a]P, est rapidement saturée. Le B[a]P-tétraol est donc le biomarqueur le plus pertinent pour estimer le risque cancérogène au B[a]P. De plus, la proportion de B[a]P non-métabolisé traversant la peau est extrêmement limitée indiquant que la toxicité de ce composé s’exprime essentiellement localement. La deuxième partie de ce travail a consisté en une synthèse bibliographique centrée sur la biotransformation de 7 autres HAP cancérogènes permettant d’identifier 16 métabolites d’intérêt commercialisés. In fine, le dosage de 10 de ces métabolites, impliqués dans les voies de bioactivation ou de détoxication de 5 HAP, a pu être développé en GC-MS/MS. Le dosage urinaire de ces nouveaux biomarqueurs devrait permettre d’améliorer la SBE des populations aux HAP cancérogènes. Dans la dernière partie de ce travail, l’impact de la composition de mélanges synthétiques ou industriels (extraits de brai de houille et de coke de pétrole) à différentes doses sur l’absorption et le métabolisme cutanés des HAP furent évalués en présence ou non de rayonnements ultraviolets (UV). La pénétration des HAP diminue quand la complexité du mélange et la dose augmentent. Alors que les UV amplifient la pénétration des HAP lors de l’application des mélanges industriels, ils n’ont pas d’effet sur le B[a]P appliqué seul ou sur les mélanges synthétiques. Leur bioactivation décroit sous l’influence des mélanges et des UV, provoquant une accumulation de HAP non-métabolisés dans la peau ce qui pourrait retarder la survenue des effets génotoxiques. A l’instar du B[a]P, la toxicité des autres HAP cancérogènes semble être essentiellement locale et dépendre du scénario d’exposition cutanée. Ce travail souligne l’importance de l’étude des mélanges du fait d’interactions plus complexes que de simples effets additifs.

  • Titre traduit

    Cutaneous metabolism and exposure biomarkers to complex mixtures of polycyclic aromatic hydrocarbons


  • Résumé

    Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are ubiquitous carcinogens emitted as complex mixtures whose composition depends on emission sources. Because of their abundance and genotoxicity, PAHs are classified as priority substances, to which people can be exposed via dermal absorption during occupational activities. Biomonitoring takes into account skin absorption as well as inhalation and allows the identification of hazardous exposure situations. To assess Benzo[a]pyrene (B[a]P) exposure, which is classified as carcinogenic to human, quantification of 3-hydroxybenzo[a]pyrene (3-OHB[a]P) and (±)trans-anti-B[a]P-tetrol (B[a]P-tetrol) was recently proposed. This PhD thesis aimed at studying the skin absorption and metabolism of B[a]P and PAH mixtures to improve the understanding of their genotoxicity and develop relevant biomarker for health risk assessment. The first part of this work consisted in developing a simple and realistic skin model from human skin explants. Further to the development of adequate extraction and analytical methods, cutaneous toxicokinetic and metabolism from low B[a]P doses were studied. B[a]P skin penetration and metabolism were inversely proportional to applied dose. Nevertheless, metabolic pathways are impacted differently. While 3-OHB[a]P production formed during detoxification was dose-dependent, the formation of B[a]P-tetrol, resulting from the hydrolysis of B[a]P ultimate carcinogenic metabolite, saturates rapidly. Therefore, B[a]P-tetrol is the most relevant biomarker for estimating B[a]P carcinogenic risk. In addition, unmetabolized B[a]P poorly diffused through skin indicating that B[a]P toxicity is mainly local. The second part of this work consisted of a literature review focusing on 7 other carcinogenic PAH biotransformation to identify 16 marketed metabolites of interest. In fine, GC-MS/MS analysis was developed for 10 previously identified metabolic intermediates that are either involved in bioactivation or detoxification pathways of 5 PAH. Urinary quantification of those new biomarkers should improve the biomonitoring of populations to carcinogenic PAH. Finally, we evaluated the impact of synthetic or industrial mixtures (coal tar pitch and petroleum coke extracts) composition at different doses on carcinogenic PAH skin absorption and metabolism combined or not with ultraviolet radiations (UVR). PAH penetration diminished when mixture complexity and dose increased. While UVR increased PAH penetration when industrial complex mixtures were applied, no effect was observed on pure B[a]P or synthetic mixtures. PAH bioactivation decreased with mixtures and UVR, inducing unmetabolized PAH accumulation in the skin which may delay the occurrence of genotoxic effects. Similarly to B[a]P, other carcinogenic PAH toxicity seems to be mainly local and depends on skin exposure scenario. This work underlines the importance of mixtures study owing to more complex chemical interactions than simple additive effects.


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