Des outils de screening haut-débit pour une surveillance renforcée de la sécurité chimique des aliments – SENTINEL

Sample Pooling- L'étude preuve de concept de cette approche pour la surveillance chimique des aliments a été réalisée en prenant comme modèle d'étude le cas des PCB-nDL dans la viande dans laquelle leur teneur est réglementée. L'évaluation s'est appuyée sur deux approches menées en parallèle : 1- Une approche expérimentale afin d'évaluer la faisabilité pratique d'analyser des pools de 2 à 200 échantillons sans dégrader les performances de l'analyse 2-Une approche numérique combinant concaténation de base de données, modélisation de la distribution des teneurs en PCB-nDL et simulation de sample pooling de 1 à n échantillons pour déterminer la dimension optimale du sample pooling pour avoir le meilleur compromis entre sensibilité, spécificité et coût d'analyse.

Aptasenseurs- Une approche intégrée combinant sélection d’aptamères, développement de biocapteurs et optimisation d’un protocole d’extraction rapide des PCBs dans les matrices carnées a été développée. Après analyse in silico des aptamères décrits dans la littérature , les structures II et III ont été modélisées, puis soumises à des simulations de docking afin d’identifier les aptamères présentant le meilleur potentiel de reconnaissance qui ont ensuite été évaluées par différentes approches complémentaires (Fluorescence (FRET), Thermophorèse, Électrophorèse). En parallèle, une extraction rapide des PCBs dans la viande, inspirée de la méthode QuEChERS a été développée. Les différentes étapes ont été adaptées afin d’optimiser le rendement d’extraction tout en garantissant une bonne compatibilité avec les futurs biocapteurs : réduction de l’usage de solvants, limitation des composés interférents et optimisation des phases de nettoyage.

Senseurs de marqueurs d'exposition- L'approche associait la découverte et l'identification de marqueurs omiques de l'exposition des poulets aux PCB à la conception de capteurs dédiés à la détection à haut débit et à faible coût de ces marqueurs. La découverte des marqueurs a reposé sur des analyses du métabolome volatil ou volatolome (composés organiques volatils), du protéome (protéines) et du métabolome non volatil réalisées sur des tissus de poulet (foie, caeca, huile uropygienne, plasma sanguin) obtenus à partir d'expériences in vivo cas/témoins (élevage expérimental de 96 poulets répartis en 1 lot témoin et 6 lots "cas" contaminés à différents cocktails de PCBs).

Analyse bénéfice risque des outils SENTINEL - Afin d’améliorer le transfert des outils vers l’industrie et les pouvoirs publics et d'anticiper leur bénéfices et risques (Objectif 2), l’approche s’articule en 2 étapes : 1) les conditions de mise en œuvre des outils SENTINEL ont été définies au travers de scénarios d’évolution probable de la filière viande ; 2) une analyse bénéfice risque d’une sélection de ces scénarios a été réalisée, prenant en compte les aspects économiques, réglementaires, sociaux et sanitaires pour aider les futures décisions de renforcement de la surveillance sanitaire.

Sample pooling- La double approche a permis de valider le sample pooling pour la surveillance des PCB dans la viande : le coût d’analyse est divisé par 19 quand les échantillons sont poolés par 25, en conservant les mêmes performances que l'analyse des échantillons un par un. Une collaboration avec l'ANSES a confirmé la pertinence de l'approche pour renforcer la surveillance des métaux lourds dans la viande. Une collaboration avec un industriel grec de l'alimentation infantile (H2020-RIA SAFFI, coord. E. Engel) a permis d'élargir la preuve de concept à l’autocontrôle industriel des mycotoxines (ochratoxine A, zéaralénone) dans les produits céréaliers, avec des coûts d’analyse divisé par 7 pour des pools de 10 échantillons.

Aptasenseurs- La modélisation des structures II et III et la simulation de docking ont permis de sélectionner les séquences présentant le meilleur potentiel de reconnaissance pour les différents congénères de PCB testés. Les couples PCB/aptamère identifiés via les analyses in silico ont ensuite été évalués (postdoc C Aymard, P3). Les mesures FRET ont permis de confirmer les interactions prédites, en validant la capacité des aptamères à reconnaître les congénères ciblés ainsi que la localisation probable des sites d’interaction. Trois apta-capteurs ont été développés selon différentes stratégies de marquage et d’immobilisation. Parmi eux, seules deux séquences ont généré des variations d’intensité mesurables en présence de PCBs mais elles étaient trop faibles et trop peu reproductibles pour établir une courbe de calibration ou une quantification fiable en milieu complexe.

Senseurs de marqueurs d'exposition- Basées sur un profilage par RMN 2D et par SPME-GCMS, les analyses métabolomiques et volatolomiques (thèse C Rémy, P1,P2) ont permis de révéler, dans le foie, le caecum et l'huile uropygienne des marqueurs d'exposition des poulets aux PCBs (VOC, lipides). En revanche, l’analyse de ces échantillons par l’approche "nez électronique" à partir de prélèvements effectués dans l'espace de tête avec ou sans agitation n’a malheureusement pas permis de détecter un signal suffisamment important pour distinguer les animaux exposés des animaux témoins. Ce dernier résultat souligne le manque de sensibilité du dispositif actuel de nez électronique pour détecter des traces de COV dans des échantillons biologiques complexes.

Analyse bénéfice risque- Six scénarios de devenir de la filière ont été proposés. Une analyse bénéfice risque a été réalisée pour trois scénarios : d'une part, par analyse semi-qualitative via les systèmes d'argumentation pour le scénario «business-as-usual» (thèse R Chaib, P8,P11); d’autre part, par une analyse quantitative en ce qui concerne l'exposition aux risques, pour les scénarios «aimant régional» et «une filière à deux visages» (post-doc H Hachem, P9, P1). L'évaluation des risques a montré un bénéfice "santé" de la mise en oeuvre du sample pooling pour les populations les plus exposées.

Sample pooling- Les travaux "preuve de concept" sur le sample pooling réalisés dans SENTINEL ont donné lieu à des développements dans le cadre du projet européens H2020 SAFFI, un RIA également coordonné par Erwan Engel (P1). Il s'agit de travaux sur l'exploration du sample pooling pour la surveillance chimique des produits infantiles 1- surveillance des dioxines par des biosenseurs (Col. avec la société BDS (NL)); 2- surveillance des pesticides (Col. ANSES (FR)); 3-Surveillance des alcaloïdes tropaniques (Col IRTA (SP)).

Aptasenseurs- SENTINEL a mis en évidence les limites des aptamères actuellement disponibles pour la reconnaissance des PCBs et a permis d’identifier plusieurs pistes d’amélioration pour les développements futurs. Une priorité consiste à explorer l’utilisation de milieux de dilution binaires, susceptibles d’améliorer l’interaction entre la cible et le biocapteur. Par ailleurs, une approche plus réaliste pour la détection des PCBs serait le recours à des biorecepteurs mimétiques, tels que les polymères à empreintes moléculaires (MIP), compatibles avec des solvants apolaires et potentiellement mieux adaptés aux propriétés hydrophobes des PCBs. Ces MIP pourraient ensuite être testés sur des surfaces nanostructurées (nanotubes de carbone, nanoparticules d’or) afin d’améliorer la transduction électrochimique et de renforcer la sensibilité globale du capteur.

Senseurs de marqueurs d'exposition- En ce qui concerne la recherche de métabolites volatils capables de signaler l’exposition des animaux aux PCBs, une investigation par volatolomique est en cours sur d'autres matrices biologiques (poumon, reins notamment) à fort potentiel informatif, prélevées sur les poulets du projet, mais qui n’avaient pas été initialement ciblées dans SENTINEL. Les travaux au niveau du traitement des données doivent également être approfondis dans le cadre de la dernière année de la thèse de C. Remy (2023-2026) afin d’explorer le potentiel d’un traitement multi-omiques et multi-matrices biologiques. Pour améliorer les performances du nez électronique, notamment en termes de sensibilité et de sélectivité, il est possible de le coupler à un système de préconcentration ou de concevoir de nouveaux matériaux sensibles (nanomatériaux, peptides sélectifs, etc.). Une collaboration entre P1 et P5 est en cours sur ce sujet.

Ingénierie des connaissances- Une perspective actuelle, encore inenvisageable au début du projet, est l’usage personnalisé de grands modèles de langues (LLMs) en vue d’automatiser l’étude d’entretiens et de documents alimentant l’analyse réalisée dans SENTINEL. Cette automatisation nécessiterait un important travail de mise au point et de validation pour s'assurer d'un protocole permettant d’assurer un niveau de qualité équivalent.

Les premiers faits marquants du projet sont en cours de valorisation avec un article soumis sur la construction de scenarios, plusieurs conférences dans des congrès nationaux (2) et internationaux (3), des actions de vulgarisations (30).

Le Parlement Européen a appelé les états membres à renforcer leurs dispositifs de sécurité sanitaire des aliments d’ici 2019. En Juillet 2018, l’état français a lancé officiellement une plateforme pour renforcer l’efficacité de la surveillance sanitaire des aliments. Ceci implique notamment que l’industrie comme les autorités sanitaires s’appuient davantage sur des méthodes de screening haut-débit, sensibles et peu coûteuses afin de renforcer le suivi des dangers alimentaires prioritaires. D’énormes avancées en sécurité microbiologique ont été réalisées ces dernières années grâce aux progrès de la biologie moléculaire. Les techniques haut-débit et peu coûteuses ont pu renforcer les dispositifs de contrôle réglementaire tout en fournissant aux industriels des moyens d’autocontrôle efficaces. En matière de sécurité chimique, cette transition technique et sociétale n’a pas encore eu lieu. Le système français repose sur deux approches 1/ des plans de surveillance et de contrôle utilisés pour détecter d’éventuelles non-conformités (dépassement de la teneur maximale TM en contaminants dans un aliment) ; 2/ des études de l’alimentation totale plus ponctuelles évaluant le risque global lié à l’exposition alimentaire chronique à des teneurs plus faibles (infra-TM). Les TMs ciblées étant souvent très basses, les deux approches s’appuient essentiellement sur des méthodes très sensibles mais malheureusement très coûteuses et bas débit limitant à la fois l’étendue de la surveillance réglementaire et les possibilités d’autocontrôles industriels.

En prenant la surveillance des polychlorobiphényles (PCBs) dans les viandes comme modèle, le premier objectif de SENTINEL est de développer un panel de 3 outils complémentaires à la fois haut-débit, sensibles et à faible coût pour 1/ renforcer la détection de non conformités, mais aussi 2/ permettre un suivi infra-TM de ces contaminants. Lorsque des échantillons non-conformes seront détectés, des analyses confirmatoires par des techniques de référence seront réalisées avant d’éventuelles actions correctives alors que des détections au-delà de niveaux supra-TM fixés pourront entraîner des actions préventives au niveau industriel. Avec pour finalité de mieux maitriser l’exposition des consommateurs aux principaux dangers chimiques alimentaires, l’utilisation de ces outils permettrait d’augmenter l’efficacité et la portée des contrôles réglementaires (approche descendante) tout en donnant aux industriels les moyens de démultiplier les possibilités d’autocontrôle (approche ascendante). Trois stratégies prometteuses seront explorées : 1) le couplage de spectromètres de masse haute sensibilité avec des stratégies de multi-échantillonnage, 2) le couplage de biosenseurs de contaminants avec des méthodes d’extraction rapides et 3) le design de senseurs ciblés sur la détection de marqueurs d’exposition animale découverts par des approches omiques.

Le second objectif est de définir des conditions plausibles de mise en œuvre de ces nouveaux outils et d’en anticiper les principaux coûts et bénéfices. Afin d’améliorer le transfert des outils vers l’industrie et les pouvoirs publics, l’approche s’articule en 2 étapes : 1) définition des conditions de mise en œuvre des outils SENTINEL sur la base de scenarios d’évolution probable de la filière viande ; 2) analyse coût-bénéfice de ces scenarios prenant en compte les aspects économiques, réglementaires, sociaux et sanitaires sera réalisée pour aider les futures décisions de renforcement de la surveillance sanitaire.

Pluridisciplinaire, SENTINEL devrait permettre des développements en chimie des résidus, biosenseurs, nez électroniques, omiques, chimiométrie, bioinformatique, sciences sociales, sciences du consommateur, économie et ingénierie des connaissances. Le projet implique 11 partenaires de 4 instituts de recherche (INRA, CNRS, INRIA, IRSTEA), 2 établissements d’enseignement et de recherche (Université de Perpignan, ONIRIS) et 1 institut technique (IFIP).