Chronic, topical exposure to benzo[a]pyrene induces relatively high steady-state levels of DNA adducts in target tissues and alters kinetics of adduct loss.

Carcinogen-DNA adduct measurements may become useful biomarkers of effective dose and/or early effect. However, validation of this biomarker is required at several levels to ensure that human exposure and response are accurately reflected. Important in this regard is an understanding of the relative biomarker levels in target and nontarget organs and the response of the biomarker under the chronic, low-dose conditions to which humans are exposed. We studied the differences between single and chronic topical application of benzo[a]pyrene (BAP) on the accumulation and removal of BAP-DNA adducts in skin, lung, and liver. Animals were treated with BAP at 10, 25, or 50 nMol topically once or twice per week for as long as 15 weeks. Animals were sacrificed either at 24, 48, or 72 hr after the last dose at 1 and 30 treatments, and after 24 hr for all other treatment groups. Adduct levels increased with increasing dose, but the slope of the dose-response was different in each organ. At low doses, accumulation was linear in skin and lung, but at high doses the adduct levels in the lung increased dramatically at the same time when the levels in the skin reached apparent steady state. In the liver adduct, levels were lower than in target tissues and apparent steady-state adduct levels were reached rapidly, the maxima being independent of dose, suggesting that activating metabolism was saturated in this organ. Removal of adducts from skin, the target organ, was more rapid following single treatment than with chronic exposure. This finding is consistent with earlier data, indicating that some areas of the genome are more resistant to repair. Thus, repeated exposure and repair cycles would be more likely to cause an increase in the proportion of carcinogen-DNA adducts in repair-resistant areas of the genome. These findings indicate that single-dose experiments may underestimate the potential for carcinogenicity for compounds that follow this pattern.

O papel das substâncias húmicas na disponibilidade de metais e benzo[a]pireno e indução de metalotioneínas em peixes

Pós-graduação em Química - IBILCE

Estudo das alterações bioquímicas em sangue e diferentes órgãos de Phrynops geoffroanus (Schweigger, 1812) (Testudines: Chelidae) coletados em ambiente contaminado ou expostos ao benzo[a]pireno

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

Avaliação do estresse oxidativo e atividade da δ-aminolevulínico desidratase em tecidos de tilápias do Nilo (Oreochromis niloticus) exposta a chumbo e benzo[a]pireno

Pós-graduação em Biologia Animal - IBILCE

Assessment of Geogenic Contaminants in Water Co-Produced with Coal Seam Gas Extraction in Queensland, Australia : Implications for Human Health Risk

Organic compounds in Australian coal seam gas produced water (CSG water) are poorly understood despite their environmental contamination potential. In this study, the presence of some organic substances is identified from government-held CSG water-quality data from the Bowen and Surat Basins, Queensland. These records revealed the presence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in 27% of samples of CSG water from the Walloon Coal Measures at concentrations <1 µg/L, and it is likely these compounds leached from in situ coals. PAHs identified from wells include naphthalene, phenanthrene, chrysene and dibenz[a,h]anthracene. In addition, the likelihood of coal-derived organic compounds leaching to groundwater is assessed by undertaking toxicity leaching experiments using coal rank and water chemistry as variables. These tests suggest higher molecular weight PAHs (including benzo[a]pyrene) leach from higher rank coals, whereas lower molecular weight PAHs leach at greater concentrations from lower rank coal. Some of the identified organic compounds have carcinogenic or health risk potential, but they are unlikely to be acutely toxic at the observed concentrations which are almost negligible (largely due to the hydrophobicity of such compounds). Hence, this study will be useful to practitioners assessing CSG water related environmental and health risk.

Survey of sediment quality in Sabine Lake, Texas and vicinity

The toxicity of sediments in Sabine Lake, Texas, and adjoining Intracoastal Waterway canals was determined as part of bioeffects assessment studies managed by NOAA’s National Status and Trends Program. The objectives of the survey were to determine: (1) the incidence and degree of toxicity of sediments throughout the study area; (2) the spatial patterns (or gradients) in chemical contamination and toxicity, if any, throughout the study area; (3) the spatial extent of chemical contamination and toxicity; and (4) the statistical relationships between measures of toxicity and concentrations of chemicals in the sediments. Surficial sediment samples were collected during August, 1995 from 66 randomly-chosen locations. Laboratory toxicity tests were performed as indicators of potential ecotoxicological effects in sediments. A battery of tests was performed to generate information from different phases (components) of the sediments. Tests were selected to represent a range in toxicological endpoints from acute to chronic sublethal responses. Toxicological tests were conducted to measure: reduced survival of adult amphipods exposed to solid-phase sediments; impaired fertilization success and abnormal morphological development in gametes and embryos, respectively, of sea urchins exposed to pore waters; reduced metabolic activity of a marine bioluminescent bacteria exposed to organic solvent extracts; and induction of a cytochrome P-450 reporter gene system in exposures to solvent extracts of the sediments. Chemical analyses were performed on portions of each sample to quantify the concentrations of trace metals, polynuclear aromatic hydrocarbons, and chlorinated organic compounds. Correlation analyses were conducted to determine the relationships between measures of toxicity and concentrations of potentially toxic substances in the samples. Based upon the compilation of results from chemical analyses and toxicity tests, the quality of sediments in Sabine Lake and vicinity did not appear to be severely degraded. Chemical concentrations rarely exceeded effects-based numerical guidelines, suggesting that toxicant-induced effects would not be expected in most areas. None of the samples was highly toxic in acute amphipod survival tests and a minority (23%) of samples were highly toxic in sublethal urchin fertilization tests. Although toxic responses occurred frequently (94% of samples) in urchin embryo development tests performed with 100% pore waters, toxicity diminished markedly in tests done with diluted pore waters. Microbial bioluminescent activity was not reduced to a great degree (no EC50 <0.06 mg/ml) and cytochrome P-450 activity was not highly induced (6 samples exceeded 37.1 ug/g benzo[a]pyrene equivalents) in tests done with organic solvent extracts. Urchin embryological development was highly correlated with concentrations of ammonia and many trace metals. Cytochrome P450 induction was highly correlated with concentrations of a number of classes of organic compounds (including the polynuclear aromatic hydrocarbons and chlorinated compounds). (PDF contains 51 pages)

Immunofluorescence detection and localization of B[a]P and TCDD in earthworm tissues

An immunohistochemical method using antibodies against polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and dioxins was developed on frozen tissue sections of the earthworm Eisenia andrei exposed to environmentally relevant concentrations of benzo[a]pyrene (B[a]P) (0.1, 10, 50 ppm) and 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-para-dioxin (TCDD) (0.01, 0.1, 2 ppb) in spiked standard soils. The concentrations of B[a]P and TCDD in E. andrei exposed to the same conditions were also measured using analytical chemical procedures. The results demonstrated that tissues of worms exposed to even minimal amount of B[a]P and TCDD reacted positively and specifically to anti-PAHs and -dioxins antibody. Immunofluorescence revealed a much more intense staining for the gut compared to the body wall; moreover, positively immunoreactive amoeboid coelomocytes were also observed, i.e. cells in which we have previously demonstrated the occurrence of genotoxic damage. The double immunolabelling with antibodies against B[a]P/TCDD and the lysosomal enzyme cathepsin D demonstrated the lysosomal accumulation of the organic xenobiotic compounds, in particular in the cells of the chloragogenous tissue as well as in coelomocytes, involved into detoxification and protection of animals against toxic chemicals. The method described is timesaving, not expensive and easily applicable.

Évaluation de la fréquence des micronoyaux et du potentiel clastogène et/ou aneugène du benzo-a-pyrène suite à une exposition in vitro des lymphocytes humains

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un cancérogène reconnu pour l'homme, contaminant présent dans notre environnement. Il cause des dommages à l'ADN que nous avons mesurés dans les lymphocytes exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de 20 jeunes volontaires non fumeurs et en santé. Suite à l’exposition, la fréquence des micronoyaux (MN) augmente significativement et décrit une courbe dose-réponse non linéaire, suggérant le déclenchement du processus de détoxification et la réparation de l’ADN. Des différences entre les individus et entre les sexes sont présentes dans la réponse génotoxique produite par le BaP. Le test des aberrations chromosomiques montre que le pourcentage de chromosomes cassés augmente significativement dans les cellules exposées au BaP. Combinés avec l'augmentation de la fréquence des MN, nos résultats confirment l'effet clastogène du BaP déjà rapporté dans la littérature. L’hybridation in situ en fluorescence (FISH) des MN avec une sonde pancentromérique est aussi utilisée pour établir leur mécanisme de formation. La FISH révèle que la majorité des MN formés après une exposition au BaP contient un centromère et plus, ce qui est significativement différent de la condition non exposée. Plus précisément, dans nos conditions expérimentales, les MN induits par le BaP contiennent surtout trois centromères et plus, indiquant également la présence d'un effet aneugène. L'effet clastogène du BaP est relié à son rôle d'initiateur dans la cancérogenèse, alors que l'effet aneugène le relierait à l'étape de progression. Ces résultats sont importants puisque l'exposition aux composés de la classe du BaP est de longue durée (cigarette, air pollué).

Évaluation de la cytogénotoxicité humaine induite par l’exposition à de faibles doses de benzo-a-pyrène, à l’aide de biomarqueurs précoces

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) cancérogène pour l’homme, qui contamine toutes les sphères de notre environnement. Son métabolite, le BaP-7,8-diol-9,10-époxyde (BPDE) est considéré comme son cancérogène ultime. Le BPDE se lie à l’ADN, formant des adduits qui doivent être réparés et qui seraient responsables des dommages à l’ADN et de la cancérogenèse induite par le BaP. Les adduits BPDE-ADN et les dommages à l’ADN (bris simple-brin [BSB] à l’ADN, aberrations chromosomiques [AC], échanges entre chromatides-sœurs [ÉCS] et micronoyaux [MN]) ont été mesurés dans les lymphocytes humains exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de jeunes volontaires non-fumeurs et en santé. Suite à l’exposition au BaP, le niveau d’adduits BPDE-ADN et la fréquence des AC et des MN augmentent significativement, puis diminuent aux concentrations les plus élevées de BaP testées, suggérant une induction du métabolisme de phase II du BaP. Lors de la mesure des ÉCS, nous obtenons une courbe dose-réponse linéaire, indiquant la production d’un autre type de lésions devant être réparées par le système de réparation par recombinaison homologue. Ces lésions pourraient être des bris à l’ADN ou des bases oxydées (8-OH-dG), ce qui est suggéré par l’analyse des corrélations existant entre nos biomarqueurs. Par ailleurs, la comparaison de la courbe dose-réponse des hommes et des femmes montre que des différences existent entre les sexes. Ainsi, les ÉCS, les AC et les MN sont significativement augmentés chez les hommes à la plus faible concentration de BaP, alors que chez les femmes cette augmentation, quoique présente, est non significative. Des différences interindividuelles sont également observées et sont plus importantes pour les adduits BPDE-ADN, les MN et les AC, alors que pour les ÉCS elles sont minimes. Les analyses statistiques effectuées ont permis d’établir que quatre facteurs (niveau d’exposition au BaP, adduits BPDE-ADN, fréquence des AC et nombre de MN par cellule micronucléée) expliquent jusqu’à 59 % de la variabilité observée dans le test des ÉCS, alors qu’aucun facteur significatif n’a pu être identifié dans le test des AC et des MN. L’analyse du mécanisme de formation de nos biomarqueurs précoces permet de suggérer que les bris à l’ADN et les bases oxydées devraient être classées comme biomarqueurs de dose biologique efficace, au sein des biomarqueurs d’exposition, dans le continuum exposition-maladie du BaP, étant donné qu’ils causent la formation des biomarqueurs de génotoxicité (ÉCS, AC et MN). Par ailleurs, le test des AC et des MN ont permis de confirmer l’action clastogénique du BaP en plus de mettre en évidence des effets aneugènes affectant surtout la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire. Ces effets aneugènes, reliés à l’étape de progression dans la cancérogenèse, pourraient être particulièrement importants puisque l’exposition au BaP et aux HAP est chronique et dure plusieurs années, voire des décennies. La compréhension des mécanismes régissant la formation des biomarqueurs étudiés dans cette étude, ainsi que des relations existant entre eux, peut être appliquée à de nombreux contaminants connus et émergents de notre environnement et contribuer à en évaluer le mode d’action.

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.