Bio-indicateurs: Biomarqueurs

Méthodes d’études en écotoxicologie

Biomonitoring

Biomarqueurs (1980):

Toute réponse biologique quantifiable à un produit  environnemental constaté à un niveau inférieur à celui de l ’individu.

Exemple.1 : Activité CYP 450

Exemple. 2 : Induction des Métallothionèines (MTh)

MTh => Détoxification ML  &  mécanisme de régulation

=>  Biomarqueurs de défense (Adaptation) 

(Lysosomes   &  Granules cellulaires peuvent aussi servir à séquestrer  ML)

Définition générale  de Biomarqueur :

« Changement moléculaire, biochimique, cellulaire, provoqués par les polluants chimiques, qui sont mesurables dans les milieux Biologiques tels que ; cellules,  tissus,  fluides du corps ».

Pourquoi les Biomarqueurs :

Les Biomarqueurs fournissent des moyens d’interprétation des niveaux de polluants chimiques en termes biologiques.

Evolution du concept depuis les années 80’s :

Dans les 80’s, distinction entre 

          => Biomarqueurs d’exposition

          => Biomarqueurs d’effet

Mais à terminologie erronée car elle suggère une relation entre les 2.

Or à une relation entre les 2 n’existe pas nécessairement à moins que les biomarqueurs partagent les mêmes voies métaboliques.

Définition plus récente :

• Biomarqueurs de défense ou d’adaptation

         => Réaction de défense de l’organisme exposé à un contaminant.

• Biomarqueurs de dommage ou d’effet

         => Modification directe et néfaste causée par un contaminant à un organisme.

Biomarqueurs en Écotoxicologie Application à la bio-surveillance de l’environnement marin

Biomarqueurs de Défense (Adaptation)

                ¤ Enzyme de phase I : Cytochrome P450

                ¤ Enzyme de phase II : Glutathion S Transférase, GST

                ¤ Métallothionéines

                ¤ Système anti-oxydant

Biomarqueurs de Dommage (Effet)

                ¤ Acétylcholinestérase

                ¤ Stabilité de la Membrane Lysosomale, SML

                ¤ TBARS

                ¤ Vitellogénines

Applications Terrain

                ¤ Stress chimique dans la lagune de Bizerte, Tunisie

                ¤ Caging en Baie de Cannes

                ¤ TOTAL Norge

Evolution concept Bio-surveillance:

- Du niveau (biomoléculaire, biochimique et physiologique) au niveau de l'individu.

===========================>

Increasing response time

===========================>

Increasing difficulty of linkage to specific chemicals

===========================>

Increasing importance

Reformatted from: Walker, C. H., Hopkin, S. P., Sibly, R. M. ja Peakall, D. B. 2001. Principles of ecotoxicology, Taylor & Francis Inc.

- Du niveau infra-populationnel, au niveau de la population de la communauté.

Schéma d'Adams

Gradients:

à Toxicologie / Ecologie.

à Temps de la réponse.

Adams S.M. et al. 1989 Mar Environ Res 28, 459-464

Biomarqueurs de défense
(Adaptation) Exp. Métallothionéines (MTh)

¤ Rôle des Métallothionéines :

• détoxication des métaux

• homéostasie des métaux essentiels (Cu, Zn)

• induction: métaux, hormones de stress, glucorticoïdes

¤ Réponse des organismes à l’exposition des métaux :

• accumulation

• induction des MTh,  I  chez  poissons et mollusques

• formation de concrétion minérales chez les mammifères marins,

certains mollusques et crustacés (séléniure de mercure HgSe).

-  Réduction de la biodisponibilité des ML  dans la cellule par liaison à la MT

-  MT = protéine riche en cystéines, AA soufré 

                è forte affinité pour les ML du fait de l’atome de soufre.

-  MT = protéines thermostables.

¤ Biotransformation :

• Quand pénétration dans l’organisme, le xénobiotique subit le plus souvent des transformations métaboliques, la biotransformation.

• Modification biologiques importantes dans la réactivités biologiques des composés métabolisées.

               =>Ces enzymes augmentent l’hydrosolubilité des molécules.

Phase I   à   enzymes qui catalysent l’oxydation des xénobiotiques.

               => Cytochromes P450.

Phase II  à   enzymes qui catalysent la conjugaison des molécules oxydées à des substrats endogènes.

               => Glutathion S – Transférase, GST.

¤ Schéma récapitulatif de la biotransformation :

Substance lipophile => biotransformation => Substance hydrophile

                • excrétabilité accrue

                • activité biologique réduite

La Biotransformation des micropolluants agit de façon générale en augmentant la polarité des molécules :

  à Diminution de la liposolubilité

  à Augmentation de l’hydrosolubilité

  à Excrétion rénale et biliaire

Sans biotransformation, le temps de demi-vie de nombreux composés serait plus long.

 Définition du Stress Oxydant :

• Ce déséquilibre entre les systèmes de défense et de production de radicaux entraîne des lésions biochimiques aux macromolécules et cellules de l'organisme appelées « stress oxydant ».

Enzymes anti-oxydantes, biomarqueurs de défense :

Les Super-oxydes dismutases : (SOD)

  2 O2._ + 2H+       ====>  H2O2 + O2 

Les catalases : (CAT)

  H2O2  ====> H2O + ½ O2

Les glutathion peroxydases : (GPX)

  2GSH (glutathion) + R-O-O-H  ====>     GSSG + H2O +ROH

•Ces espèces réactives de l'oxygène sont produites :
pour réguler des fonctions cellulaires .
pour détruire des bactéries au sein des cellules phagocytaires (macrophages, polynucléaires)

•Leur toxicité ne résultera que :
d'une production massive par un emballement des mécanismes physiologiques (inflammation).
d'exposition à des sources exogènes (tabac, alcool, médicament rayons gamma ou ultraviolets, herbicides, ozone, amiante, métaux toxiques…).

Biomarqueur d’effet Biomarqueur de neurotoxicité Exp.  Acétylcholinestérase

Cholinestérases

 Hydrolyse des esters de la choline plus rapidement que celle des autres esters.

• L’AChE hydrolyse l’ACh (acétylcholine), neuromédiateur chimique de l’influx

nerveux.

• Inhibition de l’AChE par:

• - Pesticides (OPs et Cs)
• - Métaux lourds
• - Détergents
• - Toxines algales

• Inhibition de l’AChE peut être considéré comme un marqueur de l’état physiologique des animaux.

Activité AChE   &  effets des facteurs

Espèce.,  Age,  Température  è Saisons,  Métaux lourds, ….

-  Très forte sensibilité aux Carbamates et OPs (0,1 à 1 mg/L)

-  Largement appliqué à l’identification des effets en milieu aquatique

-  Peu de corrélation avec les donnés chimiques (+150 molécules différentes) 

   Nécessité d’effectuer des prélèvements synchrones

  Effectuer les dosages rapidement

  Analyses chimiques

Variation saisonnière de l’activité Acétylcholinestérase   muscles de la plie  (bleu) et de crevette rose (rose)

Avantages des Biomarqueurs

Peu coûteux,

Rapides,

Faciles à mettre en œuvre,

Donnent des informations,

Reproductibles,

Représentent différents niveaux biologiques,

Spécifiques / généraux,

Fournissent des moyens d’interprétation des niveaux de polluants chimiques en termes biologiques.

Inconvénients des biomarqueurs en milieu naturel

  - Interférence avec d’autres facteurs de l’environnement :

  - caractéristiques physico-chimiques du milieu

  - relations interindividuelles et/ou interspécifiques

  - particularités génétiques des espèces

  - interactions entre polluants

  - Problème de choix de sites naturels de référence bien caractérisés   (physico-chimie et biologie) 

Activités AChE du muscle de moule (Mytilus edulis) prélevées le long des côtes Françaises

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