Génotoxicité des hydrocarbures aromatiques polycycliques en melanges, une classe majeure de polluants atmosphériques

Genotoxicity of mixtures of polycyclic aromatic hydrocarbons, a major class of atmospheric pollutants

• Auteur / Autrice : Camille Genies
• Direction : Thierry Douki, Anne Maître
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie biologie
• Date : Soutenance le 18/11/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes moléculaires et nanomatériaux pour l’énergie et la santé (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Eric Peyrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Desqueyroux, Farida Akcha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Burgeot, Valérie Fessard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants atmosphériques

Hydrocarbures

Mots clés libres

Hydrocarbures polycycliques aromatiques

Génotoxicité

Dommages à l'ADN

Métabolisme

Évaluation du risque

Mélanges de HAP

Polycyclic aromatic hydrocarbons

Genotoxicity

DNA damage

Metabolism

Prediction of exposure risks

PAH in mixtures

Résumé

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) représentent une famille de polluants atmosphériques issus de la combustion incomplète de la matière organique. Ils sont ainsi présents dans l'atmosphère polluée des villes, la fumée de cigarette et certaines industries. Une exposition aux HAP peut être à l'origine de cancers du poumon, de la peau et de la vessie. A ce titre, certains HAP sont suspectés ou reconnus cancérigènes pour l'Homme, comme le Benzo[a]pyrène (B[a]P), par leur capacité à induire des dommages à l'ADN après métabolisation. Malgré une émission systématique des HAPs en mélanges, la majorité des études s'est intéressée à l'effet génotoxique des HAP purs et principalement au B[a]P. Afin de fournir des données mécanistiques sur la génotoxicité et le mode d'action des mélanges de HAP, nous avons réalisé une étude in vitro dans des lignées cellulaires de poumons (A549), de vessie (T24) et de foie (HepG2). Les dommages à l'ADN ont été suivis par la mesure des adduits par HPLC-MS/MS et des dommages oxydatifs par la méthode des comètes, ainsi que le métabolisme par l'induction des gènes par RT-qPCR et les activités enzymatiques des CYP540 de phase I (EROD) et de phase II (GST). Dans un premier temps, l'utilisation du B[a]P, comme composé modèle a montré une absence quasi-totale de métabolisation et de génotoxicité pour T24. Par contre, la formation d'adduits et l'induction de la métabolisation a été mise en évidence pour A549, avec des effets notamment de dose-réponse « en cloche » similaires à ceux observés dans d'autres modèles de poumons. Nous avons ensuite étendu cette démarche à 12 HAP prioritaires et étudié leur métabolisation et la formation d'éventuels adduits en se focalisant sur la lignée pulmonaire A549. La combinaison de ces HAP au B[a]P dans des mélanges binaires ou dans des mélanges plus complexes mimant des mélanges environnementaux entraine une forte inhibition de la formation des adduits issus du B[a]P sans apparition d'adduits d'autres HAP. Par ailleurs, nous avons observé dans le cas des mélanges complexes une bonne corrélation entre l'activité EROD et la formation des adduits à l'ADN, alors que les gènes de phase sont eux surexprimés par l'exposition au mélange par rapport au B[a]P pur. Les mécanismes par lesquels s'exerce cette inhibition des adduits restent encore à élucider mais la métabolisation des HAPs constitue une étape clé dans la génotoxicité des mélanges à travers des phénomènes d'inhibition ou de compétition au niveau des CYP entrainant une inhibition de l'activité EROD. Il est donc clair que l'étude des HAP de façon individuelle n'est pas suffisante pour appréhender la génotoxicité des mélanges complexes. L'approche FET, couramment utilisée pour évaluer le risque lié à l'exposition aux mélanges de HAP, repose sur l'additivité des effets toxiques et néglige les interactions métaboliques entre les différents HAP. L'amélioration de cet outil de prédiction est nécessaire et passe obligatoirement par l'étude des mécanismes sous-jacents qui relient la composition des mélanges, leur métabolisation et leur génotoxicité.

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) represent a family of ubiquitous atmospheric pollutants produced upon incomplete combustion and thus present in polluted atmosphere of the cities, in cigarette smoke and in certain industries. Exposure to HAP can cause lung, skin and bladder cancers. For this reason, some PAHs are suspected or recognized carcinogenic to humans, especially Benzo[a]pyrene (B[a]P), through their ability at inducing the formation of DNA damage after metabolization. In spite of the systematic emission of PAHs in mixtures, the majority of the studies was interested in the genotoxic effect of pure PAH and mainly B[a]P. In order to provide mechanistic data on the genotoxicity and the mode of action of PAH mixtures, we designed an in vitro study using cell lines representative of lungs (A549), bladder (T24) and liver (HepG2). DNA damage was investigated through the quantification of adducts by HPLC-MS/MS and of oxidative damage by the Comet assay. In addition, the metabolism was studied by analyzing genes induction by RT-qPCR and enzymatic activities of phase I CYP540 (EROD) and phase II (GST). First, the use of B[a] P, as a reference compound showed a quasi-total absence of metabolization and genotoxicity for T24. In contrast, the formation of DNA adducts formation and the induction of metabolization was highlighted for A549, with a bell-shaped dose-response curve similar to those observed in other lungs models. Then we extended this approach to 12 priority PAH and analyzed their metabolization and the possible formation of adducts focusing on the pulmonary cell line A549. The combination of these HAP to B[a]P in binary mixtures or in complex mixtures representative to environmental exposures led to a strong inhibition in adducts formation induced by B[a]P without outbreak of adducts from other PAH. In addition, we observed, in the case of complex mixtures, a good correlation between the EROD activity and the formation of adducts in DNA, while phase I genes were always overexpressed after exposure to mixtures when compared to pure B[a]P. The mechanisms involved in the inhibition of DNA adducts remain to be elucidated but PAHs metabolization represents a key step in the mixtures genotoxicity through inhibition or competition of CYP resulting in an inhibition of EROD activity. It is thus clear that the study of the HAP in an individual way is not sufficient to understand the genotoxicity of complex mixtures. The TEF Approach, usually used to asses the risk related to PAH mixtures exposure, relies on toxic effects additivity and ignores metabolic interactions between the various PAH. The improvement of this prediction tool is essential and involves necessarily the study of the underlying mechanisms which connect mixtures composition, their metabolization and their genotoxicity.