EROD activity and genotoxicity in the seabob shrimp Xiphopenaeus kroyeri exposed to benzo[a]pyrene (BaP) concentrations

Seabob shrimp Xiphopenaeus kroyeri is a marine species that lives in shallow waters of coastal environments, often impacted by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) pollution. In the present study, seabob shrimp were exposed for 96 h to benzo[a]pyrene (BaP) at the nominal concentrations of 100, 200, 400 and 800 microg.L-1. Animals of the control groups were exposed either to clean water or to the BaP-carrier (DMSO). At the end of the exposures, muscle tissues were sampled for BaP uptake assessment and hepatopancreas and hemolymph for EROD enzyme activity and hemocytes DNA damage, respectively. EROD activity and DNA damage increased significantly as a function of BaP exposure concentrations. Significant correlations between BaP uptake and both EROD activity and DNA damage suggest that they can be used as suitable tools for integrated levels of study on the biomarkers of PAH exposure.

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.

Avaliação da expressão dos genes cFOS, IL-1b, CYP1a1 e CYP1b1 em Danio rerio expostos a Benzo[a]pireno e tratados com ligantes do receptor P2X7

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Promoting the use of BaP as a marker for PAH exposure in UK soils

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous environmental pollutants that frequently accumulate in soils. There is therefore a requirement to determine their levels in contaminated environments for the purposes of determining impacts on human health. PAHs are a suite of individual chemicals, and there is an ongoing debate as to the most appropriate method for assessing the risk to humans from them. Two methods predominate: the surrogate marker approach and the toxic equivalency factor. The former assumes that all chemicals in a mixture have an equivalent toxicity. The toxic equivalency approach estimates the potency of individual chemicals relative to the usually most toxic Benzo(a)pyrene. The surrogate marker approach is believed to overestimate risk and the toxic equivalency factor to underestimate risk. When analysing the risks from soils, the surrogate marker approach is preferred due to its simplicity, but there are concerns because of the potential diversity of the PAH profile across the range of impacted soils. Using two independent data sets containing soils from 274 sites across a diverse range of locations, statistical analysis was undertaken to determine the differences in the composition of carcinogenic PAH between site locations, for example, rural versus industrial. Following principal components analysis, distinct population differences were not seen between site locations in spite of large differences in the total PAH burden between individual sites. Using all data, highly significant correlations were seen between BaP and other carcinogenic PAH with the majority of r2 values > 0.8. Correlations with the European Food Standards Agency (EFSA) summed groups, that is, EFSA2, EFSA4 and EFSA8 had even higher correlations (r2 > 0.95). We therefore conclude that BaP is a suitable surrogate marker to represent mixtures of PAH in soil during risk assessments.

Retinal Pigment Epithelial Cell DNA is Damaged by Exposure to Benzo[a]pyrene, a Constituent of Cigarette Smoke.

This study examined the effect of exogenous benzo[ a ]pyrene (BaP), an important constituent of cigarette smoke, on cultured bovine retinal pigment epithelial (RPE) cells. Evidence is presented for its metabolic conversion into benzo[ a ]pyrene diol epoxide (BPDE) and the consequent formation of potentially cytotoxic nucleobase adducts in DNA. Cultured RPE cells were treated with BaP at concentrations in the range of 0–100 µm. The presence of BaP was found to cause inhibition of cell growth and replication. BaP induced the expression of a phase I drug metabolizing enzyme which was identified as cytochrome P450 1A1 (CYP 1A1) by RT–PCR and by Western blotting. Coincident with the increased expression of CYP 1A1, covalent adducts between the mutagenic metabolite BPDE and DNA could be detected within RPE cells by immunocytochemical staining. Additional support for their formation was afforded by nuclease P1 enhanced 32P-postlabelling assays on cellular DNA. Single-cell gel electrophoresis (comet) assays showed that exposure of RPE cells to BaP rendered them markedly more susceptible to DNA damage induced by broad band UVB or blue light laser irradiation. In the case of UVB, this is consistent with the photosensitization of DNA cleavage by nucleobase adducts of BPDE. Collectively, these findings imply that BaP has a significant impact on RPE cell pathophysiology and suggest mechanisms whereby exposure to cigarette smoke might cause RPE dysfunction and cell death, thus possibly contributing to degenerative disorders of the retina.

Complex Interactions between Dioxin-Like and Non-Dioxin-Like Compounds for in Vitro Cellular Responses: Implications for the Identification of Dioxin Exposure Biomarkers

Despite considerable advances in reducing the production of dioxin-like toxicants in recent years, contamination of the food chain still occasionally occurs resulting in huge losses to the agri-food sector and risk to human health through exposure. Dioxin-like toxicity is exhibited by a range of stable and bioaccumulative compounds including polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) and dibenzofurans (PCDFs), produced by certain types of combustion, and man-made coplanar polychlorinated biphenyls (PCBs), as found in electrical transformer oils. While dioxinergic compounds act by a common mode of action making exposure detection biomarker based techniques a potentially useful tool, the influence of co-contaminating toxicants on such approaches needs to be considered. To assess the impact of possible interactions, the biological responses of H4IIE cells to challenge by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) in combination with PCB-52 and benzo-a-pyrene (BaP) were evaluated by a number of methods in this study. Ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) induction in TCDD exposed cells was suppressed by increasing concentrations of PCB-52, PCB-153, or BaP up to 10 mu M. BaP levels below 1 mu M suppressed TCDD stimulated EROD induction, but at higher concentrations, EROD induction was greater than the maximum observed when cells were treated with TCDD alone. A similar biphasic interaction of BaP with TCDD co-exposure was noted in the AlamarBlue assay and to a lesser extent with PCB-52. Surface enhanced laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry (SELDI-TOF) profiling of peptidomic responses of cells exposed to compound combinations was compared. Cells co-exposed to TCDD in the presence of BaP or PCB-52 produced the most differentiated spectra with a substantial number of non-additive interactions observed. These findings suggest that interactions between dioxin and other toxicants create novel, additive, and non-additive effects, which may be more indicative of the types of responses seen in exposed animals than those of single exposures to the individual compounds.

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.

Exposure to pesticides, ill health and averting behaviour : costs and determining the relationship

Farmers' exposure to pesticides is high in developing countries. As a result many farmers suffer from ill-health, both short and long term. Deaths are not uncommon. This paper addresses this issue. Field survey data from Sri Lanka are used to estimate farmers' expenditure on defensive behavior (DE) and to determine factors that influence DE. The avertive behavior approach is used to estimate costs. Tobit regression analysis is used to determine factors that influence DE. Field survey data show that farmers' expenditures on DE are low. This is inversely related to high incidence of ill health among farmers using pesticides.

Indoor exposure to submicrometer particles and PM2.5 in residential houses in Brisbane, Australia

As part of a large study investigating indoor air in residential houses in Brisbane, Australia, the purpose of this work was to quantify indoor exposure to submicrometer particles and PM2.5 for the inhabitants of 14 houses. Particle concentrations were measured simultaneously for more than 48 hours in the kitchens of all the houses by using a condensation particle counter (CPC) and a photometer (DustTrak). The occupants of the houses were asked to fill in a diary, noting the time and duration of any activity occurring throughout the house during measurement, as well as their presence or absence from home. From the time series concentration data and the information about indoor activities, exposure to the inhabitants of the houses was calculated for the entire time they spent at home as well as during indoor activities resulting in particle generation. The results show that the highest median concentration level occurred during cooking periods for both particle number concentration (47.5´103 particles cm-3) and PM2.5 concentration (13.4 mg m-3). The highest residential exposure period was the sleeping period for both particle number exposure (31%) and PM2.5 exposure (45.6%). The percentage of the average residential particle exposure level in total 24h particle exposure level was approximating 70% for both particle number and PM2.5 exposure.