Investigation du potentiel de l'approche métabolomique pour mettre en évidence des marqueurs d'exposition et d'effet aux produits pharmaceutiques chez les organismes aquatiques – IMAP

La métabolomique cherche à caractériser un système via la mesure simultanée de toutes les molécules présentes dans ce système et accessibles à l’analyse. Elle repose sur la génération d’empreintes chimiques sur différents sous-groupes d’échantillons et leur comparaison en vue de révéler d’éventuelles différences de concentrations de métabolites entre une population d’échantillons ‘témoins’ et une population d’échantillons ‘tests’. Les empreintes métaboliques générées par spectrométrie de masse sur des organismes du milieu aquatique sont susceptibles de refléter l’exposition par la détection directe des composés parents et de leurs métabolites dans les organismes mais également leurs effets par l’étude des perturbations physiologiques induites sur l’organisme par cette exposition chimique. Peu de données concernant les produits de biotransformation, les mécanismes d’action et d’autres effets possibles des composés pharmaceutiques sont actuellement disponibles dans la littérature. La mise en place d'une méthodologie basée sur la métabolomique par spectrométrie de masse pour compléter ces données est le défi que nous proposons de relever au cours du projet.

Les conditions et méthodes d’exposition d’un organisme modèle sauvage (la moule méditerranéenne M. galloprovincialis, couramment utilisée comme espèce bioindicateur et qui est consommée en France) ont été développées. Deux premières expositions ont été réalisées en laboratoire, une au diclofenac, substance sur la liste de vigilance de la Directive Cadre sur l’Eau et une à la venlafaxine, un anti-depresseur souvent détecté dans l’environnement. Les produits de métabolisation du diclofénac et de la venlafaxine ont pour la première fois été étudiés selon une approche non-ciblée par spectrométrie de masse haute résolution chez M. galloprovincialis. Cette approche s’est révélée puissante pour la mise en évidence de produits de métabolisation connus mais également de métabolites qui n’avaient jamais été reportés à ce jour dans la littérature pour cet organisme. Enfin l’application de la métabolomique environnementale pour la mise en évidence d’effets a démontré elle aussi son potentiel et permet de commencer à établir une représentation schématique d’Adverse Outcome Pathway du diclofénac et de la venlafaxine chez la moule méditerranéenne. Un Adverse Outcome Pathway (AOP) ou chemin de l’effet néfaste est un concept qui assemble les connaissances sur le lien entre un évènement moléculaire initiateur et une série d’évènements clés entrainant in fine un effet néfaste à un niveau biologique pertinent. La métabolomique est donc prometteuse pour mettre en évidence ce déclenchement d’évènements clés particuliers conduisant à un effet indésirable chez l'organisme entier.

Au cours de la suite du projet, les effets observés au cours de l’exposition à la venlafaxine seront comparés à ceux observés au cours de l’exposition au diclofénac afin de mettre en évidence des perturbations spécifiques du mécanismes d'action de chacun de ses deux produits pharmaceutiques ainsi que d'autres effets non liés à ce mode d’action. Le même travail sera par la suite réalisé pour une exposition à la carbamazépine (un antiépileptique). Enfin, une exposition au mélange des trois substances pharmaceutiques sera réalisée dans le but de caractériser la réponse provoquée par une exposition au mélange comparativement à celle suscitée par une exposition aux produits seuls.

Quatre articles sont publiés à ce jour :
- un article qui représente une revue de la littérature sur le diclofénac en milieu marin (occurrence à travers le monde et effets déjà documentés sur les organismes marins)
- un article correspondant à l’étude du métabolisme du diclofénac chez Mytilus galloprovinvialis
- deux article décrivant les effets observés suite à une exposition au diclofénac, le premier par une approche ciblée sur la mesure des prostaglandines (cibles du mécanisme d’action du diclofénac) et le deuxième basée sur une approche non-ciblée pour étudier les effets de façon plus globale sur le métabolisme de la moule méditerranéenne.
Deux articles sont en cours de préparation :
- un article correspondant à l’étude du métabolisme de la venlafaxine chez Mytilus galloprovinvialis par approche non-ciblée
- un article décrivant les effets moléculaireq observés suite à une exposition à la venlafaxine
De plus, 3 communications orales internationales et 2 communications orales nationales ont été réalisées à ce jour sur le projet IMAP.

La présence de produits pharmaceutiques et d’hygiène corporelle (PPCP) dans l’environnement est connue depuis les années 70. Les progrès des techniques analytiques au cours des dix dernières années permettent aujourd’hui une quantification plus précise de ces molécules dans les eaux, les sols et le biote. Ces molécules peuvent être considérées comme pseudo-persistantes du fait de leur rejet continu et du caractère diffus de leur émission. Le littoral est également concerné par les rejets des résidus de médicaments à travers le développement d’émissaires en mer de station d’épuration des eaux usées et par les apports des bassins versants. Du fait des activités de pêche et de conchyliculture, le processus d’accumulation dans les organismes (notamment les coquillages filtreurs) confère à ces milieux un rôle stratégique en termes de santé humaine et introduit une source de vulnérabilité supplémentaire pour ces activités vis-à-vis de la qualité des milieux. Selon les molécules et les pays considérés, des concentrations allant du ng/L à quelques centaines de ng/L dans les eaux de surface, les eaux souterraines et les eaux marines ont été observées. Malgré les faibles concentrations observées, des inquiétudes concernant le risque d'effets écotoxicologiques de cette contamination ont été soulevées. Dans ce contexte, le développement d'approches pour étudier les effets à faibles concentrations d’exposition (en particulier dans le cas d'expositions multiples) reste un défi reconnu. La métabolomique environnementale offre plusieurs avantages pour répondre à ce défi. Les empreintes métaboliques collectées sur des organismes du milieu aquatique sont en effet susceptibles de refléter à la fois l’exposition par la détection directe des composés parents et de leurs métabolites dans les organismes mais aussi les effets par l’étude des perturbations physiologiques induites sur l’organisme par cette exposition chimique. Des expériences d’exposition en laboratoire peuvent permettre de s’intéresser aux effets des faibles doses et de mélange, en limitant la complexité des expositions en conditions environnementales. Au cours de ce projet, nous proposons d'évaluer la faisabilité de cette approche en sciences environnementales et le potentiel de la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution pour obtenir une caractérisation non ciblée et multiparamétrique permettant de renseigner sur les perturbations métaboliques induites par une exposition aux produits pharmaceutiques chez un organisme aquatique modèle, la moule méditerranéenne (Mytilus Galloprovincialis), couramment utilisée comme espèce bioindicateur et qui est consommée en France. Le travail expérimental consistera d’abord en différentes expositions à des composés seuls, pour lesquelles trois substances pharmaceutiques caractérisées par différents mécanismes d'action (MoA) ont été sélectionnées en vue d’évaluer le potentiel de l'approche métabolomique i) pour mettre en évidence des perturbations spécifiques du MoA des molécules étudiées ainsi que d'autres effets non liés à ce mode d’action et ii) pour étudier la relation entre l'exposition à différentes doses du contaminant et les effets générés. Dans une deuxième phase, la réponse métabolique des moules exposées au mélange des trois substances pharmaceutiques sera étudiée au cours du temps dans le but i) de caractériser la réponse provoquée par une exposition au mélange comparativement à celle suscitée par une exposition aux produits seuls et ii) d’étudier la régulation immédiate de l’organisme suite à une exposition et déterminer comment l'organisme réagit en cas d'exposition prolongée. Enfin, au cours de ce projet, nous investiguerons également le potentiel de l’approche métabolomique à livrer des biomarqueurs d'exposition et d’effet aux composés pharmaceutiques, biomarqueurs qui pourraient être envisagées dans de futurs projets comme de nouveaux outils de surveillance de la qualité des milieux aquatiques.