Les biomarqueurs

Application à la surveillance de l’environnement

FENET Hélène : Maître de ConférencesUMR Hydrosciences

DissousParticulaire

BiocénoseÉléments traces

Que devient un contaminant dans le milieu aquatique ?

Biodisponibilité pour la biocénose

- Caractéristiques physicochimiques de la molécule : Kow, solubilité dans l’eau- Sédiments : matière organique- Colonne d ’eau : phase particulaire et dissoute

Molécule mèreProduit de dégradation

Exposition

Réponses sublétales

Toxicité individuelle

Effets population

Analyses chimiques

Biomarqueurs (biochimiques, cytologiques, physiologiques)

Bioindicateurs

Essais in vitro

A quel niveau doit on se placer ?Quels sont les outils disponibles ?

Approche Physicochimique

Approche Biologique

Représentation schématique des paramètres mesurablesdans le milieu physique à différents niveaux d’organisation biologique

pour évaluer l’état de l’environnement.

Communautés Populations Individus et niveaux infra-individusEcosystèmes

Biomarqueurs

Marqueurs biochimiques, cytologiques, physiologiques

Bioindicateurs

Espèces indicatrices

Indices biocénotiques

Indice de diversité

Analyses physico-chimiques

Bioindicateurs

Espèces indicatrices - Taxons

Indices biocénotiques

Indice de diversité

Indicateur écologique : - un taxon ou un ensemble de plusieurs taxons

peuplement, communauté- - caractéristiques qualitatives et/ou quantitatives, témoignant

de l'état d'un système écologique - détection d'éventuelles modifications de ces caractéristiques

Caractériser l'état d'un milieu, le plus souvent par rapport à des états de référence

Comment surveiller la qualité de l’environnement ?

- Analyse chimique du milieu

-Analyse chimique dans les milieux biologiques :

-Évaluation des effets des polluants sur les organismes vivants

L’analyse chimique pour détecter et quantifier les polluants

Avantages -Connaître la ou les molécules présentes-Travailler sur les différents compartiments, eau, sédiments

Inconvénients-Impossible de quantifier tous les polluants,

- Impossibilité de déterminer l’impact sur les écosystèmes et ou sur les individus

Approche biologique

Biomarqueurs Signaux précoces

Exposition aux contaminants

Moléculaire

Cellulaire

Tissulaire

Systémique (organe)

Organisme

Population

Communauté

Ecosystème

Modifié de Bayne et al., 1985

Approche biologique

Bioindicateurs : certaines espèces ou certains groupes d’espèces qui renseignent par leur présence ou leur absence et ou leur abondance et leur comportement sur la structure et le fonctionnement de l’écosystème .

Biomarqueurs : biomarqueur est un changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental, qui révèle l’exposition présente ou passée d’un individu à au moins une substancechimique à caractère polluant (Lagadic et al., 1997).

Méthodes de biosurveillance

SourcesIndicateursd’exposition

Indicateursd’effets

-Concentration dans le milieu (dose externe)

-Taux d’émission

-Marqueurs de bioaccumulation (dose interne)

-Biomarqueurs d’exposition

-Biomarqueurs d’effets

-Lésions

-Atteinte des populations et des communautés

Facteurs environnements modifiant l’exposition

Facteurs environnements modifiant la susceptibilité

Van der Oost et al., 2003

Réponses des organismes à une exposition à des contaminants aux effets délétères

Classification des biomarqueurs

Biomarqueurs d’exposition :

- mesure d’un xénobiotique ou de son métabolites

- interaction entre un xénobiotique et une cible moléculaire ou cellulaire

Classification des biomarqueurs

Biomarqueurs d’effet : indicateurs d’effets biologiques- Marqueurs généraux de stress « non spécifiques »

- Marqueurs spécifiques d’une classe de contaminant

Biomarqueurs de susceptibilité individuelle :

Critère de choix d’un biomarqueur

-Marqueurs sensibles

-Marqueurs précoces

-Mesure facile à réaliser de coût raisonnable

-Niveau basal connu

-Facteurs de confusion connus

-Réponse dépendante de la dose et du temps d’exposition

-Relation entre la réponse du biomarqueur et l’impact sur l’organisme étudiée

Dose interne ou marqueur de bioaccumulation

Choix en fonction - de la nature du polluant- de son devenir dans l’organisme

Exemples - Polychlorobiphényles (PCB) :

Analyse des PCB dans la chair des organismes exposés

-Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) :

Analyse des métabolites des HAP dans la bile des poissons exposés, mesure de la fluorescence biliaire

Bioaccumulation des PCB – exemple

Données du RNO

Métabolites des HAPS – exemple Erika

Marqueurs d’expositionEnzymes de biotransformation

Biotransformation, Phase I et Phase II

Phase I : addition d’un groupement fonctionnel à la molécule exogèneMono-oxygénase à cytochrome P450

Phase II : conjugaison - molécule exogène + molécule endogène

Produit final, plus facilement excrétable

ERDs

ARN

Transcription

ARNm Protéine P450IAPhase I

Phase IIMétabolites Conjugués

Excrétion

ADN

Xénobiotiques

Absorption

Cellule

Noyau

HSP90

AhR+

HSP90

AhR

AhR

ARNt

D’après Safe 2001 et Van der Oost et al. 2003

Induction de l’activité EROD in vivo

AhR

ARNt

Etude en laboratoire exposition à la β- NF par injection i.p.

Fenet et al., Wat. Sci. Tech. Vol 33 N°6 pp. 321-329, 1996

Etude dose-réponse Etude en fonction du temps

Induction de l’activité EROD in vivo

Etude en laboratoire exposition à des PCBs par injection i.p.

Etude dose-réponse Etude en fonction du temps

Hewitt et al., Wat. Sci. Tech. Vol 38 N°7 pp. 245-252, 1998

Induction de l’activité EROD in vivo

Induction de l’activité EROD chez des anguilles et des truites arc-en-ciel mises en cages

Analyses des HAPs

-Site de référence∑19 HAPs = 1,5 µg/g de sédiment sec

-Site pollué ∑19 HAPs = 25,5 µg/g de sédiment sec

Induction de l’activité EROD in vivo

Fenet et al., Ecotox. Environ. Saf. 40, 137-143 (1998)

0

50

100

150

ERODpm

ol/m

in/m

g pr

otTémoins (3)

Aude 14 jours (5)

Robine 14 jours (4)

Aude 28 jours (6)

Robine 28 jours (5)

Réversibilité (3)

1-OH pyrène et Activité EROD

0

1

2

3

OH-PYR

Co

nce

ntr

ati

on

mg

Eq

./g

de

bil

e

Analyse de 1-OH pyreneaprès déconjugaison

Induction de l’activité EROD in vivo

Jo

Ref 14 jours

Pl 14 jours

Ref 28 jours

Pl 28 jours

Réversibilité

Agences de l’Eau – SEQ littoral

Biomarqueurs de génotoxicité

Biosurveillance des contaminants induisant des changement du matériel génétique

- Altérations structurales de l’ADN – adduits

- Intégrité de l’ADN- cassures de mono-brins d’ADN

- Mutations chromosomiques :- formation de micronoyaux- aberrations chromosomiques- échanges de chromatides soeurs

Les adduits à l’ADN : biomarqueurs moléculaires

Xénobiotiques

Métabolite primaire réactif

Phase I

Métabolite final hydrosolublePhase II

Excrétion urinaire

Adduits- protéines Adduits-ADN

Adduits d’acides aminés

Adduits de base de l’ADN

Détection et évaluation des adduits sur échantillon biologique

Adduits-de base de l’ADN

Réparation

Dosage urinaire des métabolites

Les adduits à l’ADN : biomarqueurs moléculairesMarqueur d’exposition

Agences de l’Eau – SEQ littoral

Utilité des biomarqueurs

-Estimer la distribution de substances potentiellement toxiques dans les organismes vivants

-Mettre en évidence des réponses des organismes à l’exposition à des contaminants

-Etablir des relations de cause à effet entre la présence des contaminants et les réponses biologiques

- Evaluer les conséquences de la contamination des individus sur des niveaux d’organisation biologiques plus élevés et finalement sur l’état de santé des écosystèmes

Limites des biomarqueurs

- « bruit de fond physiologique » avec variations génétiques et variations écologiques

- Facteurs génétiques- Différences interspécifiques

- Facteurs physiologiques- âge, sexe, facteurs nutritionnels, saisons

- Pollutions mixtes et interactions avec d’autres polluants

- Durée des effets biologiques