CE34 - Contaminants, écosystèmes et santé

Toxicologie systémique d’un mélange de polluants libérés par des tissus adipeux greffés – CREATIvE

Toxicologie systémique d’un mélange de polluants libérés par des tissus adipeux greffés

L'exposition aux polluants organiques persistants (POP) représente un problème majeur de santé car ils provoquent des troubles métaboliques et neuro-développementaux. Il est important de développer des approches innovantes afin d’identifier leurs modes d’action. L'objectif de CREATIvE est de développer une approche multidisciplinaire et intégrative afin d’étudier l’effet d’une libération d’un mélange à faibles doses de POPs par une source d'exposition endogène (le tissu adipeux).

Une stratégie intégrative pour mieux comprendre les impacts d'un mélange de polluants libéré par le tissu adipeux greffé sur les systèmes biologiques, et leurs effets potentiels sur la santé.

Plusieurs observations indiquent que certains POPs, seuls ou en mélange, peuvent avoir des impacts négatifs sur la santé humaine. Leurs modes d'action (MoA) sont souvent incomplètement compris, et des preuves solides manquent encore en raison de l’absence d'évaluations expérimentales pertinentes de l'exposition à ces polluants. En effet, la plupart des études réalisées utilisent une exposition unique ou répétée de polluants donnés sur des modèles animaux. Les tissus animaux sont connus pour accumuler ces polluants pendant une longue période (en raison de leur longue demi-vie ou de leurs propriétés rémanentes), et de ce fait une source majeure de POPs est endogène : en effet certains tissus dans lesquels les POPs sont stockés, par ex. tissu adipeux (TA), cerveau et foie, les relarguent de manière continue. Précédemment, les partenaires de CREATIvE (Université de Paris - T3S -U1124 (UP)) ont réalisé une étude pilote sur des souris pour évaluer l’impact d’une libération de dioxine par un TA greffé (Environ Int 2018 Dec; 121 (Pt 2): 1113-1120). Cependant, aucune étude antérieure n'a abordé expérimentalement l'effet d'un mélange de POPs libéré par ces tissus. Ceci est absolument indispensable afin de comprendre la cinétique de relargage endogène. Par son approche stratégique d'intégration multidisciplinaire, combinant des études expérimentales avec de la modélisation in silico, le projet CREATIvE permettra d’améliorer significativement les connaissances.

Pour répondre à la question du relargage de mélanges chimiques par le TA, le projet CREATIvE bénéficiera du modèle pilote développé précédemment. À partir de celui-ci, CREATIvE:
- explorera la cinétique et la dynamique (c'est-à-dire les effets sur les systèmes biologiques) d'une libération de POPs via une source interne par le biais
* de technologies de profilage non ciblées omiques
* de mesures ciblées quantitatives des concentrations de POPs
* d’un modèle physiologique pharmacocinétique (PBPK)
- développera des modèles fondés sur la toxicologie des systèmes, utilisant une approche précédemment développée par UP (‘adverse outcomes pathways’ ou AOP via des réseaux de protéines, des régulations de complexes de gènes) pour prédire l’effet de mélanges de produits chimiques.
- produira de nouvelles données (biomarqueurs pertinents, extrapolable à l’homme).

Basé sur ce modèle unique de greffe de TA, le projet CREATIvE va:
1. Établir une cartographie d'un mélange sélectionné de résidus de POPs dans divers organes et compartiments pour mieux comprendre leur répartition entre les compartiments de stockage et les autres organes cibles.
2. Déchiffrer l'impact d'un mélange de POPs libéré par le TA, via un profilage non ciblé de métabolomique (en utilisant la RMN) et de lipidomique (en utilisant la SEP).
3. Modéliser le mélange POPs par une approche PBPK, qui décrit la pharmacocinétique de l'absorption à l'élimination du mélange. Le modèle PBPK développé contribuera avec le modèle de toxicologie systémique à la construction d’AOPs.
4. Explorer les profils d'expression et de régulation génique (transcriptomique) dans divers organes (foie, cerveau, TA) avec des techniques de bioinformatique pour identifier de nouveaux biomarqueurs.
5. Développer un modèle intégratif de biologie des systèmes pour aider à comprendre les chaînes complexes d'événements reliant l'exposition des POPs aux AOPs, par l’utilisation multi-omique.

- Concernant l'approche expérimentale, une étude pilote a été lancée : deux souris exposées au mélange de POPs (deux doses différentes), et 2 souris naïves ont été greffées avec du TA provenant de souris précédemment exposées. Après 2 semaines, la concentration des POPs a été analysée dans divers organes de ces 4 souris. Quatre autres souris ont été utilisées pour déterminer la quantité minimale de tissu requise pour les analyses omiques. Les principaux objectifs étant de minimiser le nombre de souris sacrifiées, et d'utiliser les mêmes tissus pour toutes les analyses. Trois protocoles ont été testés, et un a été retenu après validation par RMN. Notre étude pilote met en évidence la nécessité d'une répartition d'un pool homogénéisé de tissus pour les différentes analyses, ce qui peut avoir un impact sur le nombre de souris nécessaires à l'analyse.
- Un premier modèle in silico développé, basé sur les informations disponibles, a été publié (ALTEX.2020; 37 (2): 287-299). L'idée principale de cette étude était de développer un modèle basé sur une approche toxicologique systémique pour explorer les effets des POPs sur la santé. Ce modèle a été utilisé pour prédire les complexes protéiques de plusieurs POP candidats, y compris l'acide perfluorooctanoïque (APFO). L'intégration de plusieurs sources de données (voies, maladies) impliquant les protéines identifiées a été réalisée pour identifier des facteurs de risque. Cette approche a montré que plusieurs systèmes pourraient être perturbés par ces POP candidats (métabolisme). Cette étude montre qu'une approche toxicologique via des systèmes informatiques peut aider à prédire les mécanismes biologiques putatifs de produits chimiques peu étudiés et à les relier à d'éventuels effets indésirables afin de soutenir l'évaluation réglementaire et de déclencher des études épidémiologiques et expérimentales. Afin de développer un modèle plus prédictif, la prochaine étape sera d'intégrer les données qui seront générées par CREATIvE.

CREATIvE améliorera les connaissances concernant les interactions entre des expositions combinées à faibles doses (mélange de douze produits chimiques) et leurs effets intégrés sur différents systèmes biologiques. La réalité de la vie moderne est que les systèmes vivants (hommes/animaux) sont exposés de façon chronique à un grand nombre de produits chimiques, et beaucoup de ces contaminants peuvent avoir des MoA similaires. Par conséquent, pour une évaluation des risques cumulatifs biologiquement significative, une approche prenant en considération non pas un seul produit chimique mais des mélanges est essentielle. CREATIvE prend en compte cet aspect en étudiant la perturbation d'organes spécifiques (TA, foie, cerveau) suite à une exposition à un mélange de POPs.
Le projet CREATIvE fournira de nouvelles données, et de nouveaux outils, qui pourraient être utilisés pour informer les processus d'évaluation des risques effectués aux niveaux réglementaires. Certains de ces résultats seront également utilisés dans des projets parallèles :
- le projet H2020-HBM4EU (https://www.hbm4eu.eu/) qui développe des propositions de valeurs guides systémiques élaborées sur les POPs dont certains sont inclus dans CREATIvE.
-le projet H2020 OBERON (https://oberon-4eu.com/) qui vise à développer et améliorer la reconstruction des réseaux d’AOP pour les perturbateurs endocriniens.

1- Computational systems biology as an animal-free approach to characterize toxicological effects of persistent organic pollutants. Wu Q, Achebouche R, Audouze K. ALTEX. 2020;37(2):287-299. doi: 10.14573/altex.1910161.
2- Characterization of endocrine disruptors linked to metabolic related adverse outcome pathways using artificial intelligence and systems toxicology. Présentation orale- Karine Audouze. SETAC, May, 6th 2020.

L’homme et les écosystèmes sont constamment exposés à de multiples facteurs environnementaux, comme les polluants organiques persistants (POPs) et/ou les perturbateurs endocriniens (PEs). Ces substances toxiques ont des impacts importants en santé publique, mais aussi sur les écosystèmes, notamment au niveau de la chaîne alimentaire et de la biodiversité. De plus, les coûts économiques engendrés par les effets sanitaires des PEs sont particulièrement importants. Par conséquent, des approches novatrices étudiant les liens potentiels entre cette exposition environnementale et la santé sont justifiées. Alors que les modèles d'exposition en toxicologie et en écotoxicologie relient traditionnellement une source externe de contamination à un organisme cible, l’originalité du projet CREATIvE est de considérer l'organisme à la fois comme une source et une cible. En effet, les POPs s’accumulent dans les organismes vivants, et sont plus précisément stockés dans certains tissus (Tissu adipeux (TA), cerveau et foie), et ce pendant de longues périodes. Par conséquent, ces tissus représentent des sources chroniques internes de polluants conduisant éventuellement, par leur libération continue, à diverses pathologies métaboliques et neurologiques. Ces expositions internes ne sont actuellement pas prises en considération lors de l’utilisation de protocoles traditionnels d’exposition (gavage, injection ou encore inhalation aiguë). L’objectif de notre projet est de proposer une méthodologie fondée sur la greffe d’organe libérant un mélange de douze POPs et les conséquences de cette libération sur les autres tissus du même organisme dont les mécanismes d'action de ce mélange. Le protocole proposé ne remplace pas les précédents mais il les complète en tenant compte pour la première fois des sources internes d’exposition.

Dans le cadre de ce projet, nous proposons donc une nouvelle stratégie explorant les effets d'une exposition interne à partir d'un TA contaminé et greffé dans une souris hôte non contaminée par ailleurs. La cinétique et les conséquences d'une redistribution des POPs et de leurs métabolites, à partir du TA contaminé greffé, seront étudiées sur plusieurs tissus et organes comme le foie, le cerveau et le TA ‘hôte’. L'approche combinera des études expérimentales (profilage chimique, métabolomique, transcriptomique) avec le développement de modèles informatiques innovants (PBPK, réseaux toxicologiques et biologie des systèmes). L'avantage de cette double approche est 1) d'identifier des effets systémiques de l'exposition interne à des mélanges, 2) de permettre de caractériser de nouveaux biomarqueurs, 3) de proposer des modèles nouveaux d’expositions humaine et animale permettant de compléter les autres modèles d’exposition et d’enrichir les procédures d’Agregated Exposure Pathways (AEPs) très étudiées actuellement. À notre connaissance, une telle stratégie d’étude de l’effet de mélanges n’a pas encore été appliquée. La faisabilité de l’étude est importante ; dans une étude préliminaire récente, la méthodologie d'allogreffe (greffe de TA issu de souris contaminées à une souris non contaminée) a été développée et validée à Paris Descartes, pour un unique POP, la dioxine de Sévéso ou TCDD (2,3,7,8-tétrachlorodibenzo-p-dioxine). Nous avons alors démontré que quatre semaines après la transplantation, les greffons sont vascularisés et fonctionnels. De plus, nous avons montré que la TCDD était effectivement redistribué dans différents tissus avec des cinétiques différentes. L'originalité du projet CREATIvE est d’évaluer l’effet d'un mélange de douze polluants à faibles doses émis par une source interne d'exposition sur d'autres tissus et organes, en se basant sur des données préliminaires validant le modèle.

Coordinateur du projet

Madame Karine Audouze (TOXICOLOGIE PHARMACOLOGIE ET SIGNALISATION CELLULAIRE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPDescartes-Equipe Computationelle UPD-1 TOXICOLOGIE PHARMACOLOGIE ET SIGNALISATION CELLULAIRE
UPDescartes-Equipe expérimentale UPD-1124 TOXICOLOGIE PHARMACOLOGIE ET SIGNALISATION CELLULAIRE
UPDescartes UPD-8601 Laboratoire de Chimie et Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques
LABERCA UMR-1329 Laboratoire d'étude des Résidus et Contaminants dans les Aliments
ANSES Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail

Aide de l'ANR 462 624 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 36 Mois

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