Application à la surveillance Les biomarqueurs Application à la surveillance de l’environnement FENET Hélène : Maître de Conférences UMR Hydrosciences

Que devient un contaminant dans le milieu aquatique ? Molécule mère Produit de dégradation Biocénose Éléments traces Particulaire Dissous Biodisponibilité pour la biocénose Caractéristiques physicochimiques de la molécule : Kow, solubilité dans l’eau - Sédiments : matière organique - Colonne d ’eau : phase particulaire et dissoute

A quel niveau doit on se placer ? Quels sont les outils disponibles ? Exposition Analyses chimiques Essais in vitro Réponses sublétales Biomarqueurs (biochimiques, cytologiques, physiologiques) Toxicité individuelle Effets population Bioindicateurs

Représentation schématique des paramètres mesurables dans le milieu physique à différents niveaux d’organisation biologique pour évaluer l’état de l’environnement. Analyses physico-chimiques Indices biocénotiques Indice de diversité Bioindicateurs Espèces indicatrices Biomarqueurs Marqueurs biochimiques, cytologiques, physiologiques Ecosystèmes Communautés Populations Individus et niveaux infra-individus Approche Physicochimique Approche Biologique

Indices biocénotiques Indice de diversité Bioindicateurs Espèces indicatrices - Taxons Indicateur écologique : - un taxon ou un ensemble de plusieurs taxons peuplement, communauté- - caractéristiques qualitatives et/ou quantitatives, témoignant de l'état d'un système écologique - détection d'éventuelles modifications de ces caractéristiques Caractériser l'état d'un milieu, le plus souvent par rapport à des états de référence

Analyse chimique du milieu Comment surveiller la qualité de l’environnement ? Analyse chimique du milieu Analyse chimique dans les milieux biologiques : Évaluation des effets des polluants sur les organismes vivants Détection et quantification des polluants dans les différents compartiments abiotiques de l’environnement (eau, sol, sédiment, air …), connaître le devenir des polluants dans l’environnement connaître le devenir des polluants dans les organismes sur les individus sur les populations et/ou les communautés

L’analyse chimique pour détecter et quantifier les polluants Avantages Connaître la ou les molécules présentes Travailler sur les différents compartiments, eau, sédiments Inconvénients Impossible de quantifier tous les polluants, - Impossibilité de déterminer l’impact sur les écosystèmes et ou sur les individus trop grande diversité, devenir variable dans l’environnement interaction entre polluants variabilité entre espèces

Exposition aux contaminants Approche biologique Biomarqueurs Signaux précoces Moléculaire Cellulaire Tissulaire Systémique (organe) Organisme Population Communauté Ecosystème Exposition aux contaminants Modifié de Bayne et al., 1985

Approche biologique Bioindicateurs : certaines espèces ou certains groupes d’espèces qui renseignent par leur présence ou leur absence et ou leur abondance et leur comportement sur la structure et le fonctionnement de l’écosystème . Biomarqueurs : biomarqueur est un changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental, qui révèle l’exposition présente ou passée d’un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant (Lagadic et al., 1997).

Méthodes de biosurveillance Facteurs environnements modifiant l’exposition Facteurs environnements modifiant la susceptibilité Indicateurs d’exposition Indicateurs d’effets Sources Marqueurs de bioaccumulation (dose interne) Biomarqueurs d’exposition Biomarqueurs d’effets Lésions Atteinte des populations et des communautés Concentration dans le milieu (dose externe) Taux d’émission

Réponses des organismes à une exposition à des contaminants aux effets délétères Van der Oost et al., 2003

Classification des biomarqueurs Biomarqueurs d’exposition : - mesure d’un xénobiotique ou de son métabolites - interaction entre un xénobiotique et une cible moléculaire ou cellulaire indicateurs de la contamination des systèmes biologiques par un ou des xénobiotiques - dose interne ou marqueurs de bioaccumulation

Classification des biomarqueurs Biomarqueurs d’effet : indicateurs d’effets biologiques - Marqueurs généraux de stress « non spécifiques » - Marqueurs spécifiques d’une classe de contaminant Biomarqueurs de susceptibilité individuelle : – à plus ou moins long terme – sur les systèmes biologiques indicateurs d’une sensibilité différente aux toxiques pour certains individus de la population.

Critère de choix d’un biomarqueur Marqueurs sensibles Marqueurs précoces Mesure facile à réaliser de coût raisonnable Niveau basal connu Facteurs de confusion connus Réponse dépendante de la dose et du temps d’exposition Relation entre la réponse du biomarqueur et l’impact sur l’organisme étudiée Marqueurs sensibles Marqueurs précoces (signal d’alarme) Mesure facile à réaliser de coût raisonnable Niveau basal connu (distinction entre variabilité naturelle et stress induit par un contaminant) Facteurs de confusion étudiés Réponse dépendante de la dose et du temps d’exposition Relation entre la réponse du biomarqueur et l’impact sur l’organisme étudiée à l’exposition aux contaminants

Dose interne ou marqueur de bioaccumulation Choix en fonction - de la nature du polluant - de son devenir dans l’organisme Exemples - Polychlorobiphényles (PCB) : Analyse des PCB dans la chair des organismes exposés -Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) : Analyse des métabolites des HAP dans la bile des poissons exposés, mesure de la fluorescence biliaire composés lipophiles, peu métabolisés, bioaccumulation dans les tissus lipidiques composés métabolisés chez le poisson, métabolites éliminés dans la bile

Bioaccumulation des PCB – exemple Données du RNO

Métabolites des HAPS – exemple Erika

Marqueurs d’exposition Enzymes de biotransformation Biotransformation, Phase I et Phase II Phase I : addition d’un groupement fonctionnel à la molécule exogène Mono-oxygénase à cytochrome P450 Phase II : conjugaison - molécule exogène + molécule endogène Produit final, plus facilement excrétable

Induction de l’activité EROD in vivo Cellule AhR ARNt AhR AhR ARNt Xénobiotiques + HSP90 ADN ERDs AhR Absorption Transcription HSP90 ARN Noyau Phase I Protéine P450IA ARNm Phase II Métabolites Conjugués D’après Safe 2001 et Van der Oost et al. 2003 Excrétion

Etude en laboratoire exposition à la β- NF par injection i.p. Induction de l’activité EROD in vivo Etude en laboratoire exposition à la β- NF par injection i.p. Etude dose-réponse Etude en fonction du temps Fenet et al., Wat. Sci. Tech. Vol 33 N°6 pp. 321-329, 1996

Etude en laboratoire exposition à des PCBs par injection i.p. Induction de l’activité EROD in vivo Etude en laboratoire exposition à des PCBs par injection i.p. Etude dose-réponse Etude en fonction du temps Hewitt et al., Wat. Sci. Tech. Vol 38 N°7 pp. 245-252, 1998

Induction de l’activité EROD in vivo Induction de l’activité EROD chez des anguilles et des truites arc-en-ciel mises en cages Fenet et al., Ecotox. Environ. Saf. 40, 137-143 (1998) Analyses des HAPs Site de référence ∑19 HAPs = 1,5 µg/g de sédiment sec Site pollué ∑19 HAPs = 25,5 µg/g de sédiment sec

1-OH pyrène et Activité EROD Induction de l’activité EROD in vivo 1-OH pyrène et Activité EROD Jo Ref 14 jours Pl 14 jours Ref 28 jours Pl 28 jours Réversibilité Analyse de 1-OH pyrene après déconjugaison

Agences de l’Eau – SEQ littoral

Biomarqueurs de génotoxicité Biosurveillance des contaminants induisant des changement du matériel génétique - Altérations structurales de l’ADN – adduits - Intégrité de l’ADN - cassures de mono-brins d’ADN - Mutations chromosomiques : - formation de micronoyaux - aberrations chromosomiques - échanges de chromatides soeurs

Les adduits à l’ADN : biomarqueurs moléculaires Xénobiotiques Phase I Excrétion urinaire Métabolite primaire réactif Métabolite final hydrosoluble Phase II Réparation Adduits-de base de l’ADN Adduits- protéines Adduits-ADN Adduits de base de l’ADN Adduits d’acides aminés Détection et évaluation des adduits sur échantillon biologique Dosage urinaire des métabolites

Les adduits à l’ADN : biomarqueurs moléculaires Marqueur d’exposition

Agences de l’Eau – SEQ littoral

Utilité des biomarqueurs Estimer la distribution de substances potentiellement toxiques dans les organismes vivants Mettre en évidence des réponses des organismes à l’exposition à des contaminants Etablir des relations de cause à effet entre la présence des contaminants et les réponses biologiques Evaluer les conséquences de la contamination des individus sur des niveaux d’organisation biologiques plus élevés et finalement sur l’état de santé des écosystèmes

Limites des biomarqueurs « bruit de fond physiologique » avec variations génétiques et variations écologiques Facteurs génétiques Différences interspécifiques Facteurs physiologiques âge, sexe, facteurs nutritionnels, saisons Pollutions mixtes et interactions avec d’autres polluants Durée des effets biologiques