Rise in plasma lactate concentrations with psychosocial stress: a possible sign of cerebral energy demand.

OBJECTIVE: It is known that exogenous lactate given as an i.v. energy infusion is able to counteract a neuroglycopenic state that developed during psychosocial stress. It is unknown, however, whether the brain under stressful conditions can induce a rise in plasma lactate to satisfy its increased needs during stress. Since lactate is i) an alternative cerebral energy substrate to glucose and ii) its plasmatic concentration is influenced by the sympathetic nervous system, the present study aimed at investigating whether plasma lactate concentrations increase with psychosocial stress in humans. METHODS: 30 healthy young men participated in two sessions (stress induced by the Trier Social Stress Test and a non-stress control session). Blood samples were frequently taken to assess plasma lactate concentrations and stress hormone profiles. RESULTS: Plasma lactate increased 47% during psychosocial stress (from 0.9 ± 0.05 to 1.4 ± 0.1 mmol/l; interaction time × stress intervention: F = 19.7, p < 0.001). This increase in lactate concentrations during stress was associated with an increase in epinephrine (R(2) = 0.221, p = 0.02) and ACTH concentrations (R(2) = 0.460, p < 0.001). CONCLUSION: Plasma lactate concentrations increase during acute psychosocial stress in humans. This finding suggests the existence of a demand mechanism that functions to allocate an additional source of energy from the body towards the brain, which we refer to as 'cerebral lactate demand'.

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.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

In vivo inhibition of lens regrowth by fibroblast growth factor 2-saporin.

PURPOSE: To investigate the ability of fibroblast growth factor (FGF) 2-saporin to prevent lens regrowth in the rabbit. METHODS: Chemically conjugated and genetically fused FGF2-saporin (made in Escherichia coli) were used. Extracapsular extraction of the lens was performed on the rabbit, and the cytotoxin either was injected directly into the capsule bag or was administered by FGF2-saporin-coated, heparin surface-modified (HSM) polymethylmethacrylate intraocular lenses. The potential of the conjugate was checked by slit lamp evaluation of capsular opacification and by measuring crystallin synthesis. Toxin diffusion and sites of toxin binding were assessed by immunohistochemistry. Possible toxicity was determined by histologic analysis of ocular tissues. RESULTS: FGF2-saporin effectively inhibited lens regrowth when it was injected directly into the capsular bag. However, high concentration of the toxin induced transient corneal edema and loss of pigment in the iris. Intraocular lenses coated with FGF2-saporin reduced lens regrowth and crystallin synthesis without any detectable clinical side effect. After implantation, FGF2-saporin was shown to have bound to the capsules and, to a lesser extent, to the iris; no histologic damage was found on ocular tissues as a result of implantation of drug-loaded HSM intraocular lenses. CONCLUSIONS: Chemically conjugated (FGF2-SAP) and genetically fused FGF2-saporin (rFGF2-SAP) bound to HSM intraocular lenses can prevent lens regrowth in the rabbit.

Self-dynamic structure factor of dense liquids: Theory and simulation

The self-intermediate dynamic structure factor Fs(k,t) of liquid lithium near the melting temperature is calculated by molecular dynamics. The results are compared with the predictions of several theoretical approaches, paying special attention to the Lovesey model and the Wahnstrm and Sjgren mode-coupling theory. To this end the results for the Fs(k,t) second memory function predicted by both models are compared with the ones calculated from the simulations.

Assessment of driving capability through the use of clinical and psychomotor tests in relation to blood cannabinoids levels following oral administration of 20 mg dronabinol or of a cannabis decoction made with 20 or 60 mg Delta9-THC.

Delta(9)-Tetrahydrocannabinol (THC) is frequently found in the blood of drivers suspected of driving under the influence of cannabis or involved in traffic crashes. The present study used a double-blind crossover design to compare the effects of medium (16.5 mg THC) and high doses (45.7 mg THC) of hemp milk decoctions or of a medium dose of dronabinol (20 mg synthetic THC, Marinol on several skills required for safe driving. Forensic interpretation of cannabinoids blood concentrations were attempted using the models proposed by Daldrup (cannabis influencing factor or CIF) and Huestis and coworkers. First, the time concentration-profiles of THC, 11-hydroxy-Delta(9)-tetrahydrocannabinol (11-OH-THC) (active metabolite of THC), and 11-nor-9-carboxy-Delta(9)-tetrahydrocannabinol (THCCOOH) in whole blood were determined by gas chromatography-mass spectrometry-negative ion chemical ionization. Compared to smoking studies, relatively low concentrations were measured in blood. The highest mean THC concentration (8.4 ng/mL) was achieved 1 h after ingestion of the strongest decoction. Mean maximum 11-OH-THC level (12.3 ng/mL) slightly exceeded that of THC. THCCOOH reached its highest mean concentration (66.2 ng/mL) 2.5-5.5 h after intake. Individual blood levels showed considerable intersubject variability. The willingness to drive was influenced by the importance of the requested task. Under significant cannabinoids influence, the participants refused to drive when they were asked whether they would agree to accomplish several unimportant tasks, (e.g., driving a friend to a party). Most of the participants reported a significant feeling of intoxication and did not appreciate the effects, notably those felt after drinking the strongest decoction. Road sign and tracking testing revealed obvious and statistically significant differences between placebo and treatments. A marked impairment was detected after ingestion of the strongest decoction. A CIF value, which relies on the molar ratio of main active to inactive cannabinoids, greater than 10 was found to correlate with a strong feeling of intoxication. It also matched with a significant decrease in the willingness to drive, and it matched also with a significant impairment in tracking performances. The mathematic model II proposed by Huestis et al. (1992) provided at best a rough estimate of the time of oral administration with 27% of actual values being out of range of the 95% confidence interval. The sum of THC and 11-OH-THC blood concentrations provided a better estimate of impairment than THC alone. This controlled clinical study points out the negative influence on fitness to drive after medium or high dose oral THC or dronabinol.

Extraction and concentration of vapors from fire debris for forensic purposes: evaluation of the use of Radiello Passive Air Sampler

The Radiello Passive Air Sampler is one of the latest innovations developed for the sampling of pollutants in the air by passive headspace. It has been reported that its properties allow an enhanced sensitivity, reproducibility and adsorption capacity. It therefore appears to be of interest in the extraction of potential residues of ignitable liquids present in fire debris when arson is suspected. A theoretical approach and several laboratory tests have made it possible to precisely characterize in a forensic perspective the potential of the device in extracting and concentrating the vapors of ignitable liquids found in fire debris. Despite some advantages, the Radiello device appears to be less efficient than traditional axial symmetry samplers.

Genetic vulnerability factor for schizophrenia: association with glutamate cysteine ligase modifier gene and abnormal enzyme activity

Background: We previously reported in schizophrenia patients a decreased level of glutathione ([GSH]), the principal non-protein antioxidant and redox regulator, both in cerebrospinal-fluid and prefrontal cortex. To identify possible genetic causation, we studied genes involved in GSH metabolism. Methods: Genotyping: mass spectrometry analysis of polymerase chain reaction (PCR) amplified DNA fragments purified from peripheral blood. Gene expression: real-time PCR of total RNA isolated from fibroblast cultures derived from skin of patients (DSM-IV) and healthy controls (DIGS). Results: Case-control association study of single nucleotide polymorphisms (SNP) from the GSH key synthesizing enzyme glutamate-cysteine-ligase (GCL) modifier subunit (GCLM) was performed in two populations: Swiss (patients/controls: 40/31) and Danish (349/348). We found a strong association of SNP rs2301022 in GCLM gene (Danish: c2=3.2; P=0.001 after correction for multiple testing). Evidence for GCLM as a risk factor was confirmed in linkage study of NIMH families. Moreover, we observed a decrease in GCLM mRNA levels in patient fibroblasts, consistently with the association study. Interestingly, Dalton and collaborators reported in GCLM knock-out mice an increased feedback inhibition of GCL activity, resulting in 60% decrease of brain [GSH], a situation analogous to patients. These mice also exhibited an increased sensitivity to oxidative stress. Similarly, under oxidative stress conditions, GCL enzymatic activity was also decreased in patient fibroblasts. Conclusions: These results at the genetic and functional levels, combined with observations that GSH deficient models reveal morphological, electrophysiological, and behavioral anomalies analogous to those observed in patients, suggest that GCLM allelic variant is a vulnerability factor for schizophrenia.

The role of oxidative stress during inflammatory processes.

Abstract The production of various reactive oxidant species in excess of endogenous antioxidant defense mechanisms promotes the development of a state of oxidative stress, with significant biological consequences. In recent years, evidence has emerged that oxidative stress plays a crucial role in the development and perpetuation of inflammation, and thus contributes to the pathophysiology of a number of debilitating illnesses, such as cardiovascular diseases, diabetes, cancer, or neurodegenerative processes. Oxidants affect all stages of the inflammatory response, including the release by damaged tissues of molecules acting as endogenous danger signals, their sensing by innate immune receptors from the Toll-like (TLRs) and the NOD-like (NLRs) families, and the activation of signaling pathways initiating the adaptive cellular response to such signals. In this article, after summarizing the basic aspects of redox biology and inflammation, we review in detail the current knowledge on the fundamental connections between oxidative stress and inflammatory processes, with a special emphasis on the danger molecule high-mobility group box-1, the TLRs, the NLRP-3 receptor, and the inflammasome, as well as the transcription factor nuclear factor-κB.

Physical training and hypertension have opposite effects on endothelial brain-derived neurotrophic factor expression.

AIMS: Changes in circulating brain-derived neurotrophic factor (BDNF) levels were reported in patients with or at risk for cardiovascular diseases associated with endothelial dysfunction, suggesting a link between BDNF and endothelial functionality. However, little is known on cardiovascular BDNF. Our aim was to investigate levels/localization, function, and relevance of cardiovascular BDNF. METHODS AND RESULTS: BDNF levels (western blotting) and localization (immunostaining) were assessed in the heart and aorta from rats with impaired (spontaneously hypertensive rats [SHR]), normal (Wistar Kyoto rats [WKY]), and improved (SHR and WKY subjected to physical training) endothelial function. BDNF levels were also measured in cultured endothelial cells (CECs) subjected to low and high shear stress. The cardiovascular effects of BDNF were investigated in isolated aortic rings and hearts. The results showed high BDNF levels in the heart and aorta, the expression being prominent in endothelial cells as compared with other cell types. Exogenous BDNF vasodilated aortic rings but changed neither coronary flow nor cardiac contractility. Hypertension was associated with decreased expression of BDNF in the endothelium, whereas physical training led to endothelial BDNF up-regulation not only in WKY but also in SHR. Exposure of CECs to high shear stress stimulated BDNF production and secretion. CONCLUSION: Cardiovascular BDNF is mainly localized within endothelial cells in which its expression is dependent on endothelial function. These results open new perspectives on the role of endothelial BDNF in cardiovascular health.

Le facteur D du complément: toxine urémique [Factor D of complement: Uremic toxin?].

Factor D is an essential enzyme of the alternative pathway of complement. Its catabolism is mainly renal. The concentration of factor D increases with renal failure, and is approximately 10-fold higher in patients with end-stage renal disease. The accumulation of factor D is responsible for an enhancement of alternative pathway activation. Whether this excess of factor D has pathophysiological consequences remains to be determined, however, complement activation might participate in adverse effects during hemodialysis and in the progression of renal injury.

Coagulation Factor Xa Activates Thrombin and Signals Ischemic Neuronal Death Via Par-1 and JNK in Ischemic Neural Tissue

Background: The coagulation factor thrombin mediates ischemic neuronal deathand, at a low concentration, induces tolerance to ischemia.We investigated its modeof activation in ischemic neural tissue using an in vitro approach to distinguish therole of circulating coagulation factors from endogenous cerebral mechanisms. Wealso studied the signalling pathway downstream of thrombin in ischemia and afterthrombin preconditioning.Methods: Rat organotypic hippocampal slice cultures to 30 minute oxygen (5%)and glucose (1 mmol/L) deprivation (OGD).Results: Selective factor Xa (FXa) inhibition by fondaparinux during and afterOGD significantly reduced neuronal death in the CA1 after 48 hours. Thrombinactivity was increased in the medium 24 hours after OGD and this increasewas prevented by fondaparinux suggesting that FXa catalyzes the conversion ofprothrombin to thrombin in neural tissue after ischemia in vitro. Treatment withSCH79797, a selective antagonist of the thrombin receptor protease activatedreceptor-1 (PAR-1), significantly decreased neuronal cell death indicating thatthrombin signals ischemic damage via PAR-1. The JNK pathway plays an importantrole in cerebral ischemia and we observed activation of the JNK substrate,c-Jun in our model. Both the FXa inhibitor, fondaparinux and the PAR-1 antagonistSCH79797, decreased the level of phospho-c-Jun Ser73. After thrombin preconditioningc-Jun was activated by phosphorylation in the nuclei of neurons of the CA1.Treatment with a synthetic thrombin receptor agonist resulted in the same c-Junactivation profile and protection against subsequent OGD indicating that thrombinalso signals via PAR-1 and c-Jun in cell protection.Conclusion: These results indicate that FXa activates thrombin in cerebral ischemia,leading via PAR-1 to the activation of the JNK pathway resulting in neuronal death.Thrombin induced tolerance also involves PAR-1 and JNK, revealing commonfeatures in cell death and survival signalling.

Inhibition of the renin-angiotensin system does not reduce platelet activity at rest or during stress in hypertension.

OBJECTIVES: We investigated the influence of angiotensin receptor blockade and angiotensin-converting enzyme inhibition on stress-induced platelet activation in hypertensive patients. Secondary aims were effects on inflammation, coagulation, and endothelial function. METHODS: Following a 4-week placebo period, 25 hypertensive patients entered a double-blind, crossover study comparing enalapril (20 mg once daily) and losartan (100 mg once daily) treatment (each for 8 weeks). Patients were studied at rest and after a standardized exercise test. RESULTS: Mean arterial pressure was reduced from 119 ± 2 to 104 ± 2 (enalapril) and 106 ± 2 (losartan) mmHg (both P <0.001). Plasma angiotensin II decreased from 2.4 ± 0.4 to 0.5 ± 0.1 pmol/l with enalapril, and increased to 7.2 ± 1.3 pmol/l with losartan (both P <0.001). Exercise-evoked platelet activation, as evidenced by increased numbers of P-selectin-positive platelets (P <0.01), elevated circulating platelet-platelet aggregates (P <0.01) and soluble P-selectin levels (P <0.001), and increased platelet responsiveness to adenosine diphosphate and thrombin (both P <0.05). Neither drug influenced these markers of platelet activation at rest or following exercise. Markers of inflammation (high-sensitivity C reactive protein, interleukin-6, tissue necrosis factor-α), coagulation (tissue plasminogen activator antigen, prothrombin fragment F1+2), and endothelial function (von Willebrand factor, soluble vascular cellular adhesion molecule-1, and intercellular adhesion molecule-1) were also uninfluenced by treatment. CONCLUSION: Enalapril and losartan failed to reduce platelet activity both at rest and during exercise in hypertensive patients. Markers of inflammation, coagulation, and endothelial function were similarly unaffected. Inhibition of the renin-angiotensin system promotes its beneficial effects in hypertension through mechanisms other than platelet inhibition.

Immune and stress responses covary with melanin-based coloration in the barn swallow

Eumelanin and pheomelanin are the main endogenous pigments in animals and melanin-based coloration has multiple functions. Melanization is associated with major life-history traits, including immune and stress response, possibly because of pleiotropic effects of genes that control melanogenesis. The net effects on pheo- versus eumelanization and other life-history traits may depend on the antagonistic effects of the genes that trigger the biosynthesis of either melanin form. Covariation between melanin-based pigmentation and fitness traits enforced by pleiotropic genes has major evolutionary implications particularly for socio-sexual communication. However, evidence from non-model organisms in the wild is limited to very few species. Here, we tested the hypothesis that melanin-based coloration of barn swallow (Hirundo rustica) throat and belly feathers covaries with acquired immunity and activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, as gauged by corticosterone plasma levels. Individuals of both sexes with darker brownish belly feathers had weaker humoral immune response, while darker males had higher circulating corticosterone levels only when parental workload was experimentally reduced. Because color of belly feathers depends on both eu- and pheomelanin, and its darkness decreases with an increase in the concentration of eu- relative to pheomelanin, these results are consistent with our expectation that relatively more eu- than pheomelanized individuals have better immune response and smaller activation of the HPA-axis. Covariation of immune and stress response arose for belly but not throat feather color, suggesting that any function of color as a signal of individual quality or of alternative life-history strategies depends on plumage region.

School burnout in adolescents : Differences in background variables and exploration of school-related stress at the end of compulsory schooling

The aim of this study is to contribute to a better understanding of the risk factors associated with school burnout, which has recently been described as a syndrome of emotional exhaustion due to school demands, cynical and detached attitude towards school and feelings of inadequacy as a student (Salmela-Aro, Kiuru, Pietikainen & Jokela, 2008a). The research focuses on students in the last years of compulsory schooling, period in which burnout has not received much attention yet. A total of 342 adolescents (Mean age = 14.84) were asked to complete questionnaires about school burnout, school-related stress and background variables. The results showed differences in school burnout by gender, grade level and school track, with girls, last grade of compulsory school and high-track classes, showing the highest scores. No difference was observed with respect to grade retention. Several types of school stress were identified, with stress type Success related to pressures to succeed and concerns about the academic future being the highest. Finally, stress and burnout were strongly and positively correlated, and the type of stress Success was the best predictor of overall Burnout, Exhaustion and Inadequacy dimension scores. The results are discussed in relation to their theoretical relevance and implications for the prevention of school burnout in adolescents.