Ecotoxicological approaches to assess the long-term effects of four anticancer drugs and metabolites on Daphnia pulex

The aquatic environment is exposed continuously and increasingly to chemical substances such as pharmaceuticals. These medical compounds are released into the environment after having being consumed and body-excreted by patients. Pharmaceutical residues are synthetic molecules that are not always removed by traditional sewage treatment processes and thus escape degradation. Among pharmaceuticals that escape sewage treatment plants (STPs), the anticancer drugs were measured in STP effluents and natural waters. In the aquatic environment, their long-term effects at low concentrations are sparsely known on non-target species. Tamoxifen is an anticancer drug that is widely prescribed worldwide for the prevention and treatment of hormone receptor-positive breast cancers. Two of its metabolites, i.e., endoxifen and 4-hydroxy- tamoxifen (4OHTam), have high pharmacological potency in vivo and such as tamoxifen, they are excreted via faeces by patients. Tamoxifen was measured in STP effluents and natural waters but, to the best of our knowledge, its metabolites concentrations in waters have never been reported. Imatinib is another and recent anticancer compound that targets specific tumour cells. This pharmaceutical is also body excreted and because of its increasing use in cancer treatment, imatinib may reach the natural water. The effects of tamoxifen and imatinib are unknown upon more than one generation of aquatic species. And the effects of 4OHTam, endoxifen have never been studied in ecotoxicology so far. The aims of this thesis were threefold. First, the sensitivity of D. pulex exposed to tamoxifen, 4OHTam, endoxifen or imatinib was assessed using ecotoxicological experiments. Ecotoxicology is the science that considers the toxic effects of natural or synthetic substances, such as pharmaceuticals, on organisms, populations, community and ecosystem. Acute and multigenerational (2-4 generations) tests were performed on daphnids considering several studied endpoints, such as immobilisation, size, reproduction, viability and intrinsic rate of natural increase. Additional prospective assays were designed to evaluate whether 1) low concentrations of tamoxifen and 4OHTam were able to induce toxic effects when used in combination, and 2) daphnids were able to recover when offspring were withdrawn from solutions carrying the pharmaceutical. Second, the stability of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen in incubation medium was evaluated in solution exempted from daphnids. Because the nominal concentrations of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen did not correspond to the measured, we provide a predictive method to estimate the concentrations of these chemicals during long-term ecotoxicological tests. Finally, changes in protein expressions were analysed in D. pulex exposed 2 or 7 seven days to tamoxifen using ecotoxicoproteomic experiments with a shot-gun approach inducing a peptide fractionation step. Our results show that tamoxifen, 4OHTam and endoxifen induced adverse effects in D. pulex at environmentally relevant concentrations. At very low concentrations, these molecules displayed unusual and teratogenic effects because morphological abnormalities were observed in offspring, such as thick and short antennas, curved spines, premature neonates and aborted eggs. Tamoxifen was the most toxic compound among the test chemicals, followed by 4OHTam, endoxifen and imatinib. Tamoxifen no-observed effect concentrations (NOECs) that were calculated for size, reproduction and intrinsic rate were below or in the range of the concentrations measured in natural waters, i.e., between 0.12 µg/L and 0.67 µg/L. For instance, the tamoxifen NOECs that were calculated for reproduction were between 0.67 and 0.72 µg/L, whereas the NOEC was < 0.15 µg/L when based on morphological abnormalities. The NOECs of 4OHTam were higher but still in the same order of magnitude as tamoxifen environmental concentrations, with a value of 1.48 µg/L. Endoxifen NOEC for the intrinsic rate of natural increase (r) and the reproduction were 0.4 and 4.3 µg/L, respectively. Daphnids that were withdrawn from tamoxifen and 4OHTam were not able to recover. Also, the reproduction of D. pulex was reduced when the treated animals were exposed to the combination of tamoxifen and 4OHTam while no effects were observed when these chemicals were tested individually at the same concentration. Among the anticancer drugs that were tested during this thesis, imatinib was the less toxic molecule towards D. pulex. No effects on size and reproduction were observed within two generations, except for the first whose reproduction decreased at the highest test concentration, i.e., 626 µg/L. Our results also underline the need to use measured or predicted concentrations instead of the nominal during aquatic experiments, particularly when lipophilic molecules are tested. Indeed, notable differences between nominal (i.e., theoretical) and measured concentrations were found with tamoxifen, 4OHTam and endoxifen at all test concentrations. A cost and time sustainable method was proposed to predict the test exposure levels of these chemicals during long-term experiments. This predictive method was efficient particularly for low concentrations, which corresponded to the test concentrations in multigenerational tests. In the ecotoxicoproteomic experiments a total of 3940 proteins were identified and quantified in D. pulex exposed to tamoxifen. These results are currently the largest dataset from D. pulex that is published and the results of proteomic analyses are available for the scientific community. Among these 3940 proteins, 189 were significantly different from controls. After protein annotation, we assumed that treated daphnids with tamoxifen had shifted cost-energy functions, such as reproduction, to maintain their basic metabolism necessary to survive. This metabolic cost hypothesis was supported by the presence of proteins involved in oxidative stress. Biomarkers for early detection of tamoxifen harmful effects on D. pulex were not discovered but the proteins of the vitellogenin-2 family (E9H8K5) and the ryanodine receptor (E9FTU9) are promising potential biomarkers because their expression was already modified after 2 days of treatment. In this thesis, the effects of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen on daphnids raise questions about the potential impact of tamoxifen and 4OHTam in other aquatic ecosystems, and therefore, about metabolites in ecotoxicology. Because the NOECs were environmentally relevant, these results suggest that tamoxifen and 4OHTam may be interesting pharmaceuticals to consider in risk assessment. Our findings also emphasize the importance of performing long-term experiments and of considering multi-endpoints instead of the standard reproductive endpoint. Finally, we open the discussion about the importance to measure test exposures or not, during ecotoxicological studies. -- Les milieux aquatiques sont exposés continuellement à un nombre croissant de substances chimiques, notamment les médicaments issus de la médecine vétérinaire et humaine. Chez les patients, les substances administrées sont utilisées par le corps avant d'être éliminées par l'intermédiaire des excrétas dans le système d'eaux usées de la ville. Ces eaux rejoignent ensuite une station de traitement afin d'y éliminer les déchets. Dans le cas des molécules chimiques, il arrive que les processus de traitement d'eaux usées ne soient pas suffisamment efficaces et que ces molécules ne soient pas dégradées. Elles sont alors libérées dans le milieu aquatique avec les effluents de la station d'épuration. Une fois dans l'environnement, ces résidus de médicaments sont susceptibles d'induire des effets sur la faune et la flore aquatique, dont les conséquences à long terme et à faibles concentrations sont peu connues. Les anticancéreux sont une famille de médicaments qui peuvent échapper aux traitements des stations d'épuration et qui sont retrouvées dans le milieu aquatique naturel. Parmi ces substances, le tamoxifen est une molécule utilisée dans le monde entier pour prévenir et traiter les cancers hormonaux dépendant du sein, notamment. Une fois ingéré, le tamoxifen est transformé par le foie en métabolites dont deux d'entre eux, le 4-hydroxy-tamoxifen (4OHTam) et l'endoxifen, possèdent un affinité pour les récepteurs aux estrogènes et une efficacité sur les cellules tumorales supérieure au tamoxifen lui- même. Tout comme la molécule mère, ces métabolites sont principalement éliminés par l'intermédiaire des fèces. Le tamoxifen a déjà été mesuré dans les effluents de stations d'épuration et dans les eaux naturelles, mais aucune valeur n'a été reportée pour ses métabolites jusqu'à présent. Un autre anticancéreux, également éliminé par voie biliaire et susceptible d'atteindre l'environnement, est l'imatinib. Cette récente molécule a révolutionné le traitement et la survie des patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeur stromales gastrointestinales. Les effets du tamoxifen et de l'imatinib sur plusieurs générations d'organismes aquatiques, tels que les microcrustacés Daphnia, sont inconnus et le 4OHTam et l'endoxifen n'ont même jamais été testés en écotoxicologie. Cette thèse s'est articulée autour de trois objectifs principaux. Premièrement, la sensibilité des D. pulex exposés au tamoxifen, 4OHTam, endoxifen et imatinib a été évaluée par l'intermédiaire de tests aigus et de tests sur deux à quatre générations. La mobilité, la taille, la reproduction, la viabilité et la croissance potentielle de la population ont été relevées au cours de ces expériences. Des tests supplémentaires, à but prospectifs, ont également été réalisés afin d'évaluer 1) la capacité de récupération des daphnies, lorsque leurs descendants ont été placés dans un milieu exempté de tamoxifen ou de 4OHTam, 2) les effets chez les daphnies exposées à une solution contenant de faibles concentration de tamoxifen et de 4OHTam mélangés. Le deuxième objectif a été d'évaluer la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dilué dans le milieu des daphnies. Après analyses, les concentrations mesurées ne correspondaient pas aux concentrations nominales (c.-à-d., théoriques) et il a été nécessaire de développer une méthode efficace de prédiction des niveaux d'exposition lors de tests de longue durée réalisés avec ces trois molécules. Finalement, des changements dans l'expression des protéines chez des daphnies exposées au tamoxifen ont été investigués par l'intermédiaire d'expériences écotoxicoprotéomiques avec une approche dite de shot-gun avec une étape de fractionnement des protéines. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que le tamoxifen, le 4OHTam et l'endoxifen induisent des effets indésirables chez les daphnies à des niveaux d'exposition proches ou identiques aux concentrations du tamoxifen mesurées dans l'environnement, c'est-à-dire 0.12 et 0.67 µg/L de tamoxifen. Ces molécules ont induit des effets inhabituels tels que la production de : nouveau-nés anormaux, avec des antennes et des queues déformées, des prématurés et des oeufs avortés. Le tamoxifen fut la molécule la plus toxique pour les D. pulex suivie du 4OHTam, de l'endoxifen et enfin de l'imatinib. Lors des expériences sur plusieurs générations, les concentrations n'ayant statistiquement pas d'effet (c.à.d. NOEC en anglais) sur la taille, la reproduction et la croissance intrinsèque de la population étaient du même ordre de grandeur que les concentrations environnementales du tamoxifen. Par exemple, les NOECs du tamoxifen calculées pour la reproduction étaient de 0.67 et 0.72 µg/L, tandis que celle calculée sur la base des anomalies chez les nouveau-nés était < 0.15 µg/L. Les NOECs du 4OHTam se situaient entre 0.16 et 1.48 µg/L et celles de l'endoxifen pour la croissance intrinsèque de la population, ainsi que pour la reproduction, étaient de 0.4 et 4.3 µg/L, respectivement. Dans l'expérience basée sur la récupération des daphnies, la taille et la reproduction ont diminué bien que la descendance fût placée dans un milieu sans substances chimiques. Les daphnies exposées au mélange de tamoxifen et de 4OHTam ont produit moins de nouveau-nés que les contrôles, alors que ces concentrations n'ont pas induit d'effets lorsque testées individuellement. Finalement, l'imatinib n'a pas montré d'effets sur les deux générations testées. Seule la première génération exposée à la plus haute concentration (626 µg/L) a montré une diminution de la reproduction. Les résultats obtenus lors de l'évaluation de la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dans le milieu des daphnies ont souligné l'importance d'utiliser des concentrations mesurées ou prédites en écotoxicologie. En effet, des différences notables entre concentrations nominales et mesurées ont été observées à toutes les concentrations et l'hypothèse d'un phénomène d'adsorption sur le verre des récipients a été posée. De ce fait, il a été nécessaire d'élaborer une méthode prédictive efficace et acceptable, en terme de temps et de coûts. Une régression polynomiale basée sur des concentrations mesurées et nominales a permis de prédire avec efficacité les faibles niveaux d'exposition utilisés lors d'expériences écotoxicologiques à long terme, sur plusieurs générations. Suite aux expériences d'écotoxicoprotéomiques, un total de 3940 protéines ont été identifiées et quantifiées chez des daphnies exposées au tamoxifen. Ce nombre est actuellement la plus large série de données publiées et mises à disposition pour la communauté scientifique. Parmi ces protéines, 189 sont significatives et possiblement reliées à des processus de reproduction et de stress. Sur cette base, nous avons émis l'hypothèse que les individus subissant un stress, lié à l'exposition au tamoxifen, ont utilisé leur énergie de base pour favoriser leur survie plutôt que la reproduction. Enfin, la détermination de bio-marqueurs exprimant des dommages précoces des daphnies exposées au tamoxifen n'a pas abouti en tant que telle, mais des protéines prometteuses, telle que la famille de viellogenin-2 (E9H8K5) et le récepteur à la ryanodine (E9FTU9), ont été exprimées après deux jours d'exposition déjà. Ces protéines pourraient faire l'objet d'investigations écotoxicoprotéomiques futures. Les résultats de cette thèse posent certaines questions quant au risque du tamoxifen, du 4OHTam et de l'endoxifen sur la faune et la flore aquatique et plus particulièrement sur les anticancéreux présents dans l'environnement. Les effets toxiques de ces molécules ont été observés à des concentrations environnementales et sur plusieurs générations. La question de considérer les métabolites, et ainsi les pro-médicaments, en écotoxicologie est soulevée, notamment parce que ces molécules peuvent être plus actives et efficaces que la molécule mère. Les expériences chroniques, sur plusieurs générations sont également à favoriser car elles offrent un meilleur reflet de la réalité environnementale que des essais aigus ou d'une génération. L'utilisation de la protéomique permet d'agrandir les connaissances sur les effets des médicaments à un niveau inférieur de l'organisation biologique et ainsi, de mieux comprendre de potentiels mécanismes d'action ou de déterminer de potentiels biomarqueurs. Finalement, il semble important de discuter de l'opportunité de mesurer les concentrations qui sont testées en écotoxicologie afin de ne pas sous-estimer le risque pour la faune et la flore aquatique.

Étude des mécanismes de transfert des fibres en sciences forensiques

RESUME Les fibres textiles sont des produits de masse utilisés dans la fabrication de nombreux objets de notre quotidien. Le transfert de fibres lors d'une action délictueuse est dès lors extrêmement courant. Du fait de leur omniprésence dans notre environnement, il est capital que l'expert forensique évalue la valeur de l'indice fibres. L'interprétation de l'indice fibres passe par la connaissance d'un certain nombre de paramètres, comme la rareté des fibres, la probabilité de leur présence par hasard sur un certain support, ainsi que les mécanismes de transfert et de persistance des fibres. Les lacunes les plus importantes concernent les mécanismes de transfert des fibres. A ce jour, les nombreux auteurs qui se sont penchés sur le transfert de fibres ne sont pas parvenus à créer un modèle permettant de prédire le nombre de fibres que l'on s'attend à retrouver dans des circonstances de contact données, en fonction des différents paramètres caractérisant ce contact et les textiles mis en jeu. Le but principal de cette recherche est de démontrer que la création d'un modèle prédictif du nombre de fibres transférées lors d'un contact donné est possible. Dans le cadre de ce travail, le cas particulier du transfert de fibres d'un tricot en laine ou en acrylique d'un conducteur vers le dossier du siège de son véhicule a été étudié. Plusieurs caractéristiques des textiles mis en jeu lors de ces expériences ont été mesurées. Des outils statistiques (régression linéaire multiple) ont ensuite été utilisés sur ces données afin d'évaluer l'influence des caractéristiques des textiles donneurs sur le nombre de fibres transférées et d'élaborer un modèle permettant de prédire le nombre de fibres qui vont être transférées à l'aide des caractéristiques influençant significativement le transfert. Afin de faciliter la recherche et le comptage des fibres transférées lors des expériences de transfert, un appareil de recherche automatique des fibres (liber finder) a été utilisé dans le cadre de cette recherche. Les tests d'évaluation de l'efficacité de cet appareil pour la recherche de fibres montrent que la recherche automatique est globalement aussi efficace qu'une recherche visuelle pour les fibres fortement colorées. Par contre la recherche automatique perd de son efficacité pour les fibres très pâles ou très foncées. Une des caractéristiques des textiles donneurs à étudier est la longueur des fibres. Afin de pouvoir évaluer ce paramètre, une séquence d'algorithmes de traitement d'image a été implémentée. Cet outil permet la mesure de la longueur d'une fibre à partir de son image numérique à haute résolution (2'540 dpi). Les tests effectués montrent que les mesures ainsi obtenues présentent une erreur de l'ordre du dixième de millimètre, ce qui est largement suffisant pour son utilisation dans le cadre de cette recherche. Les résultats obtenus suite au traitement statistique des résultats des expériences de transfert ont permis d'aboutir à une modélisation du phénomène du transfert. Deux paramètres sont retenus dans le modèle: l'état de la surface du tissu donneur et la longueur des fibres composant le tissu donneur. L'état de la surface du tissu est un paramètre tenant compte de la quantité de fibres qui se sont détachées de la structure du tissu ou qui sont encore faiblement rattachées à celle-ci. En effet, ces fibres sont les premières à se transférer lors d'un contact, et plus la quantité de ces fibres par unité de surface est importante, plus le nombre de fibres transférées sera élevé. La longueur des fibres du tissu donneur est également un paramètre important : plus les fibres sont longues, mieux elles sont retenues dans la structure du tissu et moins elles se transféreront. SUMMARY Fibres are mass products used to produce numerous objects encountered everyday. The transfer of fibres during a criminal action is then very common. Because fibres are omnipresent in our environment, the forensic expert has to evaluate the value of the fibre evidence. To interpret fibre evidence, the expert has to know some parameters as frequency of fibres,' probability of finding extraneous fibres by chance on a given support, and transfer and persistence mechanisms. Fibre transfer is one of the most complex parameter. Many authors studied fibre transfer mechanisms but no model has been created to predict the number of fibres transferred expected in a given type of contact according to parameters as characteristics of the contact and characteristics of textiles. The main purpose of this research is to demonstrate that it is possible to create a model to predict the number of fibres transferred during a contact. In this work, the particular case of the transfer of fibres from a knitted textile in wool or in acrylic of a driver to the back of a carseat has been studied. Several characteristics of the textiles used for the experiments were measured. The data obtained were then treated with statistical tools (multiple linear regression) to evaluate the influence of the donor textile characteristics on the number of úbers transferred, and to create a model to predict this number of fibres transferred by an equation containing the characteristics having a significant influence on the transfer. To make easier the searching and the counting of fibres, an apparatus of automatic search. of fibers (fiber finder) was used. The tests realised to evaluate the efficiency of the fiber finder shows that the results obtained are generally as efficient as for visual search for well-coloured fibres. However, the efficiency of automatic search decreases for pales and dark fibres. One characteristic of the donor textile studied was the length of the fibres. To measure this parameter, a sequence of image processing algorithms was implemented. This tool allows to measure the length of a fibre from it high-resolution (2'540 dpi) numerical image. The tests done shows that the error of the measures obtained are about some tenths of millimetres. This precision is sufficient for this research. The statistical methods applied on the transfer experiment data allow to create a model of the transfer phenomenon. Two parameters are included in the model: the shedding capacity of the donor textile surface and the length of donor textile fibres. The shedding capacity of the donor textile surface is a parameter estimating the quantity of fibres that are not or slightly attached to the structure of the textile. These fibres are easily transferred during a contact, and the more this quantity of fibres is high, the more the number of fibres transferred during the contact is important. The length of fibres is also an important parameter: the more the fibres are long, the more they are attached in the structure of the textile and the less they are transferred during the contact.

Acute pulmonary toxicity following occupational exposure to a floor stain protector in the building industry in Switzerland.

BACKGROUND: Waterproofing agents are widely applied to leather and textile garments; they are also used as floor stain protectors by professionals. Acute respiratory injury is described in three cases of young healthy adults following occupational inhalation of a new waterproofing formulation containing an acrylate fluoropolymer. Within 1 or 2 h after exposure they developed a rapidly progressive dyspnoea; two of them had hypoxaemia and flu-like reactions. All patients improved with supportive treatment in a few days. The mechanism of toxicity is still under investigation, but experimental data suggest the role of this new acrylate fluoropolymer. CONCLUSION: Tilers should be warned against spraying floor stain repellents; there is also a need to make consumers aware that the spraying of waterproofing agents in a closed environment and concomitant smoking should be avoided.

Course à pied et consommation: le cas des coureurs genevois

Autrefois reléguée à l'intérieur des stades comme une discipline secondaire de l'athlétisme, la course à pied ne cesse, depuis les années 80, de se réinventer pour accueillir de nouveaux venus, jusqu'à en devenir la pratique populaire que l'on connaît aujourd'hui. Cet éclatement de la course à pied dite « libre », qui a l'avantage d'être un sport avec un coût de pratique relativement faible, a permis de toucher toutes les classes sociales. Parallèlement, le développement économique et touristique que connaît la course à pied donne aux coureurs, outre le statut de sportif, celui d'un consommateur. Dans ce contexte, cette étude adopte une approche socio-économique pour comprendre ce que consomment et ce qui influence la consommation des coureurs genevois dans leur pratique de la course à pied. La méthode qualitative, basée sur des entretiens individuels semi-directifs, a été choisie pour récolter les données sur la pratique, la consommation touristiques, le textile et le matériel, la nutrition, le coaching ou encore la consultation médicale et paramédicale.

Targeting Enterococcus faecalis Biofilms with Phage Therapy.

Phage therapy has been proven to be more effective, in some cases, than conventional antibiotics, especially regarding multidrug-resistant biofilm infections. The objective here was to isolate an anti-Enterococcus faecalis bacteriophage and to evaluate its efficacy against planktonic and biofilm cultures. E. faecalis is an important pathogen found in many infections, including endocarditis and persistent infections associated with root canal treatment failure. The difficulty in E. faecalis treatment has been attributed to the lack of anti-infective strategies to eradicate its biofilm and to the frequent emergence of multidrug-resistant strains. To this end, an anti-E. faecalis and E. faecium phage, termed EFDG1, was isolated from sewage effluents. The phage was visualized by electron microscopy. EFDG1 coding sequences and phylogeny were determined by whole genome sequencing (GenBank accession number KP339049), revealing it belongs to the Spounavirinae subfamily of the Myoviridae phages, which includes promising candidates for therapy against Gram-positive pathogens. This analysis also showed that the EFDG1 genome does not contain apparent harmful genes. EFDG1 antibacterial efficacy was evaluated in vitro against planktonic and biofilm cultures, showing effective lytic activity against various E. faecalis and E. faecium isolates, regardless of their antibiotic resistance profile. In addition, EFDG1 efficiently prevented ex vivo E. faecalis root canal infection. These findings suggest that phage therapy using EFDG1 might be efficacious to prevent E. faecalis infection after root canal treatment.

The anticancer drug metabolites endoxifen and 4-hydroxy-tamoxifen induce toxic effects on Daphnia pulex in a two-generation study.

Although pharmaceutical metabolites are found in the aquatic environment, their toxicity on living organisms is poorly studied in general. Endoxifen and 4-hydroxy-tamoxifen (4OHTam) are two metabolites of the widely used anticancer drug tamoxifen for the prevention and treatment of breast cancers. Both metabolites have a high pharmacological potency in vertebrates, attributing prodrug characteristics to tamoxifen. Tamoxifen and its metabolites are body-excreted by patients, and the parent compound is found in sewage treatment plan effluents and natural waters. The toxicity of these potent metabolites on non-target aquatic species is unknown, which forces environmental risk assessors to predict their toxicity on aquatic species using knowledge on the parent compounds. Therefore, the aim of this study was to assess the sensitivity of two generations of the freshwater microcrustacean Daphnia pulex towards 4OHTam and endoxifen. Two chronic tests of 4OHTam and endoxifen were run in parallel and several endpoints were assessed. The results show that the metabolites 4OHTam and endoxifen induced reproductive and survival effects. For both metabolites, the sensitivity of D. pulex increased in the second generation. The intrinsic rate of natural increase (r) decreased with increasing 4OHTam and endoxifen concentrations. The No-Observed Effect Concentrations (NOECs) calculated for the reproduction of the second generation exposed to 4OHTam and endoxifen were <1.8 and 4.3μg/L, respectively, whereas the NOECs that were calculated for the intrinsic rate of natural increase were <1.8 and 0.4μg/L, respectively. Our study raises questions about prodrug and active metabolites in environmental toxicology assessments of pharmaceuticals. Our findings also emphasize the importance of performing long-term experiments and considering multi-endpoints instead of the standard reproduction outcome.