Étude du continuum exposition-effet cancérogène du benzo[a]pyrène

Le benzo[a]pyrène (BaP) est un contaminant environnemental de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques ayant été classé cancérogène chez l’humain. Cependant, la relation entre l’exposition et les effets est toujours mal documentée. L’objectif de cette thèse était de mieux documenter la relation quantitative entre l’exposition au BaP, l’évolution temporelle des biomarqueurs d’exposition et l’apparition d’altérations biologiques précoces, à partir d’études expérimentales chez le rat. Dans un premier temps, nous avons déterminé l’effet de 4 doses de BaP (0.4, 4, 10 et 40 µmol/kg) sur plusieurs biomarqueurs d’exposition (3- et 7-OHBaP, 4,5- et 7,8-diolBaP, BaPtétrol et 1,6-, 3,6- et 7,8-diones-BaP), les adduits à l’ADN et l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme du BaP, la réparation de l’ADN et le stress oxydatif. Le BaP et ses métabolites ont été mesurés dans le sang, les tissus et les excrétas, 8 h et 24 h après l’administration intraveineuse de BaP par chromatographie liquide à ultra haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. Les adduits à l’ADN ont été quantifiés dans les poumons par immuno-essai en chémoluminescence. L’expression des gènes dans les poumons a été réalisée par PCR quantitative en temps réel (qRT-PCR). Les résultats ont révélé une bonne relation dose-excrétion pour le 3-OHBaP, le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP et ils ont également renforcé l’utilité du 4,5-diolBaP comme potentiel biomarqueur du BaP en plus du 3-OHBaP. De plus, l’augmentation dose-dépendante de la formation des adduits et de l’expression de certains gènes impliqués dans le métabolisme et le stress oxydatif a suggéré l’intérêt de ces derniers comme biomarqueurs d’effet précoce. Dans un second temps, nous avons évaluer le profil cinétique des biomarqueurs en lien avec la modulation temporelle de la formation des adduits à l’ADN et de l’expression génique, en utilisant la dose de 40 µmol/kg de BaP telle qu’établie dans l’étude précédente, avec une série de mesures sur une durée de 72 h après l’injection intraveineuse de BaP. Il est apparu que le 3- et le 7-OHBaP ainsi que le 4,5- et le 7,8-diolBaP semblaient être de bons biomarqueurs d'exposition; les hydroxyBaP et diolBaP présentaient des cinétiques différentes, mais tous ces métabolites étaient corrélés de façon significative aux adduits BaPDE dans les poumons. L’expression de certains gènes et l’étude de leur profil cinétique a également permis de faire des liens avec la formation des adduits et de mieux comprendre le métabolisme du BaP. Après ces résultats, il semblait alors logique de s’intéresser à l’effet de la voie d’exposition dans un context d’exposition multiple de la population. Les données mesurées dans le sang et les excréta, après administration de 40 µmol/kg de BaP par voie intraveineuse, intratrachéale, orale, et cutanée, ont encore une fois montré l'intérêt de mesurer plusieurs métabolites pour l’évaluation de l’exposition en raison des différences en fonction de la voie d’administration du composé et des différences dans la cinétique de plusieurs biomarqueurs, notamment entre les hydroxy (3- et 7-OHBaP) et les diols-BaP (4,5- et 7,8-diolBaP). Les résultats suggèrent aussi que la mesure de ratios de concentrations de différents métabolites pourrait aider à indiquer le moment et la principale voie d’exposition. Ces données ont permis une meilleure compréhension du continuum entre l’exposition et les effets.

Modélisation toxicocinétique du benzo(a)pyrène et 3-hydroxybenzo(a)pyrène pour l’interprétation des données de surveillance biologique de l’exposition chez les travailleurs

De nombreux travailleurs sont exposés aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Le benzo(a)pyrène (BaP) fait partie de ce groupe de polluants. Cette substance a été classée cancérogène reconnu chez l’humain. Pour évaluer l'exposition aux HAP cancérogènes, plusieurs chercheurs ont proposé d’utiliser la mesure du 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) dans l’urine des travailleurs exposés. Dans le cadre du présent projet, deux approches de modélisation ont été développées et appliquées pour permettre une meilleure compréhension de la toxicocinétique du BaP et son biomarqueur d’intérêt actuel, le 3-OHBaP, et pour aider à interpréter les résultats de surveillance biologique. Un modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a été développé sur la base des données préalablement obtenues sur le rat par notre groupe. Selon le modèle, le BaP injecté par voie intraveineuse est rapidement distribué du sang vers les tissus (t½ ≈ 4 h), avec une affinité particulière pour les poumons et les composantes lipidiques des tissus. Le BaP est ensuite distribué vers la peau et le foie. Au foie, le BaP est promptement métabolisé et le 3-OHBaP est formé avec une demi-vie de ≈ 3 h. Le métabolisme pulmonaire du BaP a également été pris en compte, mais sa contribution à la cinétique globale du BaP a été jugée négligeable. Une fois formé, le 3-OHBaP est distribué vers les différents organes presque aussi rapidement que la molécule mère (t½ ≈ 2 h). Le profil temporel du 3-OHBaP dans le rein montre une accumulation transitoire en raison de la différence observée entre le taux d’entrée (t½ = 28 min) et le taux de sortie (t½ = 4,5 h). La clairance totale de 3-OHBaP du corps est principalement gouvernée par le taux de transfert de la bile vers le tractus gastro-intestinal (t½ ≈ 4 h). Le modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a réussi à simuler un ensemble indépendant de profils urinaires publiés sur le 3-OHBaP. Ce modèle toxicocinétique à compartiments s'est avéré utile pour la determination des facteurs biologiques déterminants de la cinétique du BaP et du 3-OHBaP. Par la suite, un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PCBP) reproduisant le devenir du BaP et du 3-OHBaP chez le rat a été construit. Les organes (ou tissus) représentés comme des compartiments ont été choisis en fonction de données expérimentales obtenues in vivo chez le rat. Les coefficients de partition, les coefficients de perméabilité, les taux de métabolisation, les paramètres d'excrétion, les fractions absorbées et les taux d'absorption pour différentes voies d’exposition ont été obtenus directement à partir des profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP. Les valeurs de ces derniers paramètres ont été calculées par des procédures Monte-Carlo. Des analyses de sensibilité ont ensuite été réalisées pour s’assurer de la stabilité du modèle et pour établir les paramètres les plus sensibles de la cinétique globale. Cette modélisation a permis d’identifier les facteurs déterminants de la cinétique: 1) la sensibilité élevée des paramètres de la métabolisation hépatique du BaP et du 3-OHBaP ainsi que du taux d'élimination; 2) la forte distribution du BaP dans les poumons par rapport à d'autres tissus; 3) la distribution considérable du BaP dans les tissus adipeux et le foie; 4) la forte distribution du 3-OHBaP dans les reins; 5) le transfert limité du BaP par la diffusion tissulaire dans les poumons; 6) le transfert limité du 3-OHBaP par la diffusion tissulaire dans les poumons, les tissus adipeux et les reins; 7) la recirculation entéro-hépatique significative du 3-OHBaP. Suite à des analyses de qualité des ajustements des équations du modèle aux données observées, les probabilités que les simulations reproduisent les données expérimentales par pur hasard se sont avérées toujours inférieures à 10% pour les quatre voies d’exposition : intraveineuse, orale, cutanée et respiratoire. Nous avons extrapolé les modèles cinétiques du rat à l’humain afin de se doter d’un outil permettant de reconstituer les doses absorbées chez des travailleurs exposés dans diverses industries à partir de mesures de l'évolution temporelle du 3-OHBaP dans leur urine. Les résultats de ces modélisations ont ensuite été comparés à ceux de simulations obtenues avec un modèle toxicocinétique à compartiment unique pour vérifier l’utilité comparative d’un modèle simple et complexe. Les deux types de modèle ont ainsi été construits à partir de profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP sur des rats exposés. Ces données ont été obtenues in vivo par voie intraveineuse, cutanée, respiratoire et orale. Ensuite, les modèles ont été extrapolés à l’humain en tenant compte des déterminants biologiques essentiels des différences cinétiques entre le rat et l’humain. Les résultats ont montré que l'inhalation n'était pas la principale voie d'exposition pour plusieurs travailleurs étudiés. Les valeurs de concentrations de BaP dans l’air utilisées afin de simuler les profils d’excrétion urinaire chez les travailleurs étaient différentes des valeurs de concentrations de BaP mesurées dans l’air. Une exposition au BaP par voie cutanée semblait mieux prédire les profils temporels observés. Finalement, les deux types de modélisation se sont avérés utiles pour reproduire et pour interpréter les données disponibles chez des travailleurs.

6,6 '-bis (5,5,8,8-tetramethyl-5,6,7,8-tetrahydro-benzo[1,2,4]triazin-3-yl) [2,2 ']bipyridine, an effective extracting agent for the separation of americium(III) and curium(III) from the lanthanides

The extraction of americium(III), curium(III), and the lanthanides(III) from nitric acid by 6,6'- bis (5,5,8,8-tetramethyl-5,6,7,8-tetrahydro-benzo[1,2,4]triazin-3-yl)-[2,2'] bipyridine (CyMe4-BTBP) has been studied. Since the extraction kinetics were slow, N,N'-dimethyl-N,N'-dioctyl-2-(2-hexyloxy-ethyl)malonamide (DMDOHEMA) was added as a phase transfer reagent. With a mixture of 0.01 M CyMe4-BTBP + 0.25 M DMDOHEMA in n -octanol, extraction equilibrium was reached within 5 min of mixing. At a nitric acid concentration of 1 M, an americium(III) distribution ratio of approx. 10 was achieved. Americium(III)/lanthanide(III) separation factors between 50 (dysprosium) and 1500 (lanthanum) were obtained. Whereas americium(III) and curium(III) were extracted as disolvates, the stoichiometries of the lanthanide(III) complexes were not identified unambiguously, owing to the presence of DMDOHEMA. In the absence of DMDOHEMA, both americium(III) and europium(III) were extracted as disolvates. Back-extraction with 0.1 M nitric acid was thermodynamically possible but rather slow. Using a buffered glycolate solution of pH=4, an americium(III) distribution ratio of 0.01 was obtained within 5 min of mixing. There was no evidence of degradation of the extractant, for example, the extraction performance of CyMe4-BTBP during hydrolylsis with 1 M nitric acid did not change over a two month contact.

Genistein protects human mammary epithelial cells from benzo(a)pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide and 4-hydroxy-2-nonenal genotoxicity by modulating the glutathione/glutathione S-transferase system

Epidemiological studies have shown that ingestion of isoflavone-rich soy products is associated with a reduced risk for the development of breast cancer. In the present study, we investigated the hypothesis that genistein modulates the expression of glutathione S-transferases (GSTs) in human breast cells, thus conferring protection towards genotoxic carcinogens which are GST substrates. Our approach was to use human mammary cell lines MCF-10A and MCF-7 as models for non-neoplastic and neoplastic epithelial breast cells, respectively. MCF-10A cells expressed hGSTA1/2, hGSTA4-4, hGSTM1-1 and hGSTP1-1 proteins, but not hGSTM2-2. In contrast, MCF-7 cells only marginally expressed hGSTA1/2, hGSTA4-4 and hGSTM1-1. Concordant to the protein expression, the hGSTA4 and hGSTP1 mRNA expression was higher in the non-neoplastic cell line. Exposure to genistein significantly increased hGSTP1 mRNA (2.3-fold), hGSTP1-1 protein levels (3.1-fold), GST catalytic activity (4.7-fold) and intracellular glutathione concentrations (1.4-fold) in MCF-10A cells, whereas no effects were observed on GST expression or glutathione concentrations in MCF-7 cells. Preincubation of MCF-10A cells with genistein decreased the extent of DNA damage by 4-hydroxy-2-nonenal (150 mu M) and benzo(a)pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide (50 mu M), compounds readily detoxified by hGSTA4-4 and hGSTP1-1. In conclusion, genistein pretreatment protects non-neoplastic mammary cells from certain carcinogens that are detoxified by GSTs, suggesting that dietary-mediated induction of GSTs may be a mechanism contributing to prevention against genotoxic injury in the aetiology of breast cancer.

Biorremediação de antraceno, fenantreno e pireno em um argissolo

O antraceno, o fenantreno e o pireno são hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) que podem ser carcinogênicos e que não são degradados pela maioria dos microrganismos do solo. A biorremediação é uma estratégia para eliminação dos HAPs, que pode demandar a inoculação de microrganismos degradadores e a modificação das condições químicas e físicas do solo. O objetivo do presente estudo foi isolar, identificar e caracterizar microrganismos degradadores e mineralizadores de antraceno, fenantreno e pireno em meio mineral e no solo, assim como avaliar a influência do pH e da disponibilidade de água, N, P, Fe e S na biorremediação de um solo contaminado com antraceno. Seis amostras de solo de landfarming foram inoculadas individualmente a um solo contaminado em laboratório com antraceno. Após 176 dias, o solo com maior produção de C-CO2 foi utilizado para o enriquecimento em meio mineral mais antraceno. Os microrganismos foram isolados e identificados pelo seqüenciamento do gene do RNAr. A capacidade dos microrganismos em degradar os 3 HAPs no meio mineral e no solo foi avaliada por cromatografia gasosa. A mineralização de diferentes concentrações de antraceno, fenantreno e pireno no solo foi avaliada por respirometria, assim como o efeito de diferentes doses de N, P, S e Fe, de diferentes pH e umidades do solo na mineralização do antraceno. Isolou-se do solo de landfarming um consórcio microbiano composto por 6 bactérias, identificadas como Mycobacterium fortuitum, Bacillus cereus, Microbacterium sp., Gordonia polyisoprenivorans, Microbacteriaceae bacterium e Naphthaleneutilizing bacterium, e um fungo, Fusarium oxysporum. O consórcio microbiano degradou respectivamente 48, 67 e 22% do antraceno, fenantreno e pireno do meio mineral. No solo o consórcio degradou, em média, mais de 92% e mineralizou mais de 78% das diferentes concentrações destes 3 HAPs em 70 dias. As maiores mineralizações do antraceno ocorreram nos solos com as maiores umidades gravimétricas (12,5%) e pH (7,5). A adição de 100 kg ha-1 ou mais de nitrogênio no solo e a conseqüente redução da relação C:N para valores inferiores a 67:1 diminuíram a mineralização do antraceno no solo. O aumento da disponibilidade do fósforo, do ferro e do enxofre e a presença de amplas relações C:P (1076:1 a 50:1) e C:N:P (1076:16:1 a 50:1,3:1) no solo não influenciaram a mineralização do antraceno. Conclui-se que a seleção e a inoculação ao solo de microrganismos degradadores de HAPs, associado a modificação das condições ambientais, pode conduzir a um eficiente processo de biorremediação, onde a grande maioria dos HAPs é mineralizada em curto período de tempo.

Genotoxicidade e composição do material particulado emitido pela queima de Biomassa: um estudo de caso em Tangará da Serra, Região da Amazônia Brasileira

Tangara da Serra is located on southwestern Mato Grosso and is found to be on the route of pollutants dispersion originated in the Legal Amazon s deforestation area. This region has also a wide area of sugarcane culture, setting this site quite exposed to atmospheric pollutants. The objective of this work was to evaluate the genotoxicity of three different concentrations of organic particulate matter which was collected from August through December / 2008 in Tangara da Serra, using micronucleus test in Tradescantia pallida (Trad-MCN). The levels of particulate matter less than 10μm (MP10) and black carbon (BC) collected on the Teflon and polycarbonate filters were determined as well. Also, the alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were identified and quantified on the samples from the burning period by gas chromatography detector with flame ionization detection (GC-FID). The results from the analyzing of alkanes indicate an antropic influence. Among the PAHs, the retene was the one found on the higher quantity and it is an indicator of biomass burning. The compounds indene(1,2,3-cd)pyrene and benzo(k)fluoranthene were identified on the samples and are considered to be potentially mutagenic and carcinogenic. By using Trad-MCN, it was observed a significant increase on the micronucleus frequency during the burning period, and this fact can be related to the mutagenic PAHs which were found on such extracts. When the period of less burnings is analyzed and compared to the negative control group, it was noted that there was no significant difference on the micronuclei rate. On the other hand, when the higher burning period is analyzed, statistically significant differences were evident. This study showed that the Trad-MCN was sensible and efficient on evaluating the genotoxicity potencial of organic matter from biomass burning, and also, emphasizes the importance of performing a chemical composition analysis in order to achieve a complete diagnosis on environmental risk control

beta-Glucan extracted from the medicinal mushroom Agaricus blazei prevents the genotoxic effects of benzo[a]pyrene in the human hepatoma cell line HepG2

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Cell death evaluation in benzo[a]pyrene-transformed human breast epithelial cells after microcell-mediated transfer of chromosomes 11 and 17

The incidence of apoptosis and nuclear instability, including the incidence of catastrophic death, were investigated in benzo[a]pyrene (BP)-transformed human breast epithelial cells (BP1-E cell line) after microcell-mediated transfer of chromosomes 11 and 17. Since the introduction of normal chromosomes 11 and 17 into tumorigenic human breast BP1-E cells reverts some of these cells' characteristics (especially those affected by microsatellite instabilities and loss of heterozygosity) those of parental non-transformed MCF-10F cells, it was expected that the cell death rates would also be affected by this treatment. The transfer of the mentioned chromosomes, especially chromosome 17, to tumorigenic BP1-E cells increased the apoptotic ratios and decreased the nuclear instability ratios, thus showing that the microsatellite instability and loss of heterozygosity induced by BP in these chromosomes of MCF-10F cells affect the control of cell death mechanisms. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Protective effects of beta-glucan extracted from barley against benzo[a]pyrene-induced DNA damage in hepatic cell HepG2

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Biochemical biomarkers in Oreochromis niloticus exposed to mixtures of benzo[a]pyrene and diazinon.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Simultaneous Determination of Phenanthrene and Benzo(a)pyrene in Water Samples by Synchronous Fluorescence Spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

E2 potentializes benzo(a)pyrene-induced hepatic cytochrome P450 enzyme activities in Nile tilapia at high concentrations

In the aquatic environment, biotransformation enzymes are established biomarkers for assessing PAH exposure in fish, but little is known about the effect of 17β-estradiol (E2) on these enzymes during exposure to benzo(a)pyrene (BaP). In this study, Nile tilapia (Oreochromis niloticus) were exposed for 3, 5, and 10 days to BaP (300 μg L(-1)) and E2 (5 μg L(-1)). These substances were applied isolated or mixed. In the mixture experiment, fish were analyzed pre- and postexposure in order to better understand whether preexposure to the hormone masks the responses activated by PAH or vice versa. Phase I enzymes ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD), pentoxyresorufin-O-depenthylase (PROD), and benzyloxyresorufin-O-debenzylase (BROD) activities as well as the phase II enzyme glutathione S-transferase (GST) were analyzed. Isolated E2 treatment decreased EROD activity after 3 days, but this enzyme activity returned to control values after 5 and 10 days of exposure. Isolated BaP treatment significantly induced EROD activity after 3 and 5 days, and the activity returned to control levels after ten exposure days. Combined treatment (E2 + Bap) significantly increased EROD activity, both in the pre- and postexposure. This increase was even higher than in the isolated BaP treatment, suggesting a synergism between these two compounds. When E2 and BaP were used singly, they did not change BROD and PROD activities. However, combined treatment (E2 + Bap) significantly increased PROD activity. Isolated BaP treatment increased GST activity after 10 days. However, this response was not observed in the mixture treatment, suggesting that E2 suppressed the GST induction modulated by BaP. The results put together indicated that E2 altered the biotransformation pathway regarding enzymes activated by BaP in Nile tilapia.

Assessment of trophic transfer of benzo(a)pyrene genotoxicity from the post-larval pink shrimp F. brasiliensis to the juvenile Florida pompano T. carolinus

In the present study, the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) genotoxicity was investigated in a one-step predator-prey relationship with the trophic-related marine species. Florida pompanos were fed for 5 and 10 days with pink shrimp post larvae previously exposed to benzo(a)pyrene (BaP) concentrations. Parent BaP body burden was measured in samples of Farfantepenaeus brasiliensis. BaP metabolites were determined in bile samples of Trachinotus carolinus and DNA damage was assessed through the comet and erythrocyte nuclear abnormalities (ENAs) assays in fish erythrocytes. BaP body burden increased significantly with the PAH concentration in pink shrimp PLs as well as the fish bile BaP metabolites. Both, comet and ENAs assays indicated significant increase on erythrocyte DNA damage of Florida pompanos fed with BaP-exposed pink shrimp on both feeding periods. The trophic route of BaP genotoxicity is discussed as well as the PAH biotransformation as the inducing mechanism for the DNA damages observed.