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Les hydrocarbures aromatiques polycycliques
Généralités sur les HAP
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants environnementaux omniprésents générés principalement lors de la combustion incomplète de matières organiques ou par pyrolyse. Ils constituent une famille de plus 500 molécules organiques composées d’au moins deux cycles aromatiques condensés. Les HAP se présentent généralement sous forme de mélanges complexes, qui peuvent comprendre des centaines de composés.
Structure chimique
Les HAP sont des structures variables, comprenant au moins deux cycles benzéniques condensés. Ils sont composés uniquement d’atomes d’hydrogène et de carbone. Ces noyaux aromatiques sont accolés soit de façon linéaire, soit angulaire ou en grappe . Les HAP sont communément classés en deux catégories: les HAP à bas poids moléculaire, ayant moins de quatre cycles aromatiques et les HAP à haut poids moléculaire, ayant au moins cinq cycles aromatiques (Hussain et al., 2018). Leurs masses moléculaires varient de 128 g/mol (C10H8) à 1792 g/mol (C144H64) (Lafleur et al., 1996; Glasier et al., 2001). Le Benzo[a]pyrene (B[a]P), de formule chimique C20H12, le HAP de référence, est composé de 5 cycles aromatiques accolés en grappe. Il est classé dans les HAP à haut poids moléculaire .
Ces molécules sont présentes dans l’environnement sous forme de mélanges complexes et difficiles à caractériser. L’analyse de ces mélanges se réalise généralement par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse ou par chromatographie en phase liquide à haute performance couplée à des détecteurs UV ou fluorimétrique.
Classification par les autorités
De nombreuses autorités ont évalué la toxicité et la présence de certains HAP . C’est le cas de l’Agence de Protection de l’Environnement des États-Unis (US-EPA), le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC), le comité d’experts FAO/OMS (Organisation des Nations-Unies pour l’alimentation et l’agriculture/Organisation Mondiale de la Santé)sur les additifs alimentaires (JECFA), le comité scientifique de l’alimentation humaine (SCF) et l’Autorité Européenne de Sécurité des Aliments (EFSA).
Dès 1976, l’US-EPA a sélectionné 16 HAP par ordre de priorité en fonction de leurs effets potentiels sur la santé humaine et de leur présence dans l’environnement. Le CIRC a classé le B[a]P dans le groupe 1 (IARC, 1987). C’est le seul HAP classé comme cancérogène avéré par le CIRC. Du fait de sa cancérogénicité et de sa présence dans les mélanges auxquels l’Homme est exposé, le B[a]P est la molécule modèle pour l’étude des HAP. De plus, selon le règlement européen CLP (classification, étiquetage et emballage des produits chimiques), le B[a]P est classé CMR (Cancérogène, Mutagène, Reprotoxique). Il est placé dans la catégorie 1B pour sa cancérogénicité, sa mutagénécité sur les cellules germinales et pour sa toxicité pour la reproduction.
Le SCF a évalué l’effet potentiel cancérogène et génotoxique de 33 HAP. Sur la base d’études réalisées in vivo chez les animaux, il a recommandé la surveillance de 15 HAP (SCF, 2002). Ce comité a également suggéré d’utiliser le B[a]P comme marqueur de la présence d’HAP cancérogènes dans les aliments. Parmi ces 15 HAP, 8 figurent également dans la liste des HAP prioritaires de l’US-EPA et 13 sont classés par le CIRC comme étant cancérogènes ou potentiellement cancérogènes pour l’être humain. Le JECFA a réévalué les HAP en 2005, en prenant en compte des études plus récentes. Il a conclu que 13 HAP sont clairement génotoxiques et cancérogènes pour les animaux (JECFA, 2006). Ce sont les mêmes HAP que ceux cités par le SCF à l’exception du benzo[g,h,i]pérylène et du cyclopenta[c,d]pyrène.
En 2008, l’EFSA conclut que le B[a]P ne peut être utilisé comme indicateur de la présence d’HAP dans les aliments. En effet, certaines études ont montré la présence de HAP, tels que le chrysène, en l’absence de B[a]P dans les denrées alimentaires. Ainsi, l’utilisation du B[a]P seul, comme indicateur, conduirait à sous-évaluer la quantité de HAP dans les aliments et de leur potentiel toxique (EFSA, 2008). Sur la base des données évaluées et de la toxicité des HAP, l’EFSA a sélectionné 4 HAP (benz[a]anthracène, le benzo[b]fluoranthène, le benzo[a]pyrène et le chrysène) ou 8 HAP (benz[a]anthracène, benzo[b]fluoranthène, benzo[k]fluoranthène, benzo[g,h,i]pérylène, benzo[a]pyrène, chrysène, dibenz[a,h]anthracène et l’indéno[1,2,3-cd]pyrène) comme indicateurs de la contamination des aliments par les HAP.
Propriétés physico-chimiques
Les propriétés physico-chimiques des HAP varient en fonction de leurs poids moléculaires et de leurs structures . Ce sont des composés lipophiles qui se dissolvent facilement dans les solvants organiques tels que le diméthysulfoxide (DMSO) ou l’acétone (Skupińska et al., 2004). A température ambiante, les HAP sont des solides incolores, blancs ou jaunes pâles, comme le B[a]P. Ils se caractérisent également par une hydrosolubilité faible et un coefficient de partage octanol/eau (Kow) élevé. Cette caractéristique leur octroie un important potentiel d’adsorption sur les particules en suspension dans l’air ou dans l’eau. Ainsi, ils peuvent être transportés sur de longue distance dans l’environnement. Ce coefficient est également un indicateur de la capacité des polluants à pénétrer les membranes biologiques. Ainsi, une molécule est considérée comme lipophile et potentiellement bioaccumulable dans les tissus organiques riches en lipides lorsque son log Kow est supérieur à 3.
Les HAP sont des molécules chimiquement inactives et stables. Ils sont considérés comme des polluants atmosphériques dangereux dans le groupe des composés organiques non halogénés avec le benzène, les phénols et les aldéhydes. Ils se définissent également par des points de fusion et d’ébullition élevés ainsi qu’une faible pression de vapeur (Achten and Andersson, 2015). Leur solubilité aqueuse et leur pression de vapeur diminuent avec l’augmentation du nombre de cycles aromatiques, rendant les HAP plus résistants à l’oxydation et à la réduction (Hussain et al., 2018). Ils possèdent des spectres d’absorption UV très caractéristiques permettant de les identifier. De plus, la plupart des HAP sont fluorescents et émettent à des longueurs d’onde caractéristiques de la lumière lorsqu’ils sont excités (Abdel-Shafy and Mansour, 2016).
Sources
Les HAP présents dans l’environnement proviennent de sources naturelles et anthropiques. Ils sont produits lors de phénomènes naturels tels que les feux de forêt, les éruptions volcaniques, les suintements de pétrole ou encore l’érosion des roches sédimentaires contenant des hydrocarbures . Néanmoins, la principale source de production des HAP est anthropique (Srogi, 2007). En effet, ces polluants de l’environnement sont produits lors de procédés industriels (cokeries, sidérurgies…) ou lors d’activités domestiques (chauffage résidentiel, gaz d’échappement des véhicules, fumée de cigarette…).
Les HAP sont essentiellement formés lors de processus pyrolytiques, pétrogéniques ou biologiques (Abdel-Shafy and Mansour, 2016). Les HAP pyrolytiques sont générés durant la combustion incomplète de matières organiques (charbons, bois, huile…) dans des conditions de température élevée (allant de 350°C à plus de 1200°C) et de faible teneur en oxygène. Lors de processus pétrogéniques, les HAP sont générés à partir des produits pétroliers ou de leurs dérivés (déversements d’hydrocarbures océaniques, rejets d’essence, huile moteur…). De plus, les HAP peuvent être produits biologiquement. Ils sont en mesure d’être synthétisés par certaines plantes et bactéries ou être formés lors de la dégradation de la matière végétale (Seo et al., 2007; Ghosal et al., 2016; Chen et al., 2019).
En France depuis les années 90, le secteur résidentiel reste la source majoritaire d’émissions d’HAP dans l’atmosphère . Cependant, les émissions totales des HAP ont diminué de plus de la moitié sur l’ensemble des secteurs qui contribuent aux émissions. La majorité des HAP produits en 2015 sont d’origine anthropique et proviennent du secteur résidentiel. Depuis 1990, dans ce secteur, les émissions sont passées de 120 tonnes à 42 tonnes en 2015. Les émissions des HAP sont également liées aux conditions climatiques et donc à la consommation du bois de chauffage. Dans certains secteurs, tels que les transports routiers, cette baisse est moins importante. En effet, l’augmentation du trafic routier et de la pénétration des véhicules diesel dans le parc automobile a augmenté les émissions d’HAP jusqu’en 2003 avant de diminuer lentement (CITEPA, 2017).
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Table des matières
Introduction
Chapitre A. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques
1. Généralités sur les HAP
1.1. Structure chimique
1.2. Classification par les autorités
1.3. Propriétés physico-chimiques
1.4. Sources
1.5. Distribution et dégradation dans l’environnement
2. Voies d’exposition
2.1. Exposition par voie orale
2.2. Exposition par voie respiratoire
2.2.1. La pollution atmosphérique
2.2.2. Le tabagisme
2.3. Exposition par voie cutanée
3. Toxicocinétique des HAP
3.1. Absorption
3.1.1. Absorption par les voies respiratoires
3.1.2. Absorption par le tractus gastro-intestinal
3.1.3. Absorption cutanée
3.2. Distribution
3.3. Métabolisme
3.3.1. Métabolisme des xénobiotiques
3.3.2. Les cytochromes P450
3.3.3. Métabolisation du B[a]P
3.3.3.1. Phase I ou Phase de fonctionnalisation
3.3.3.2. Phase II ou Phase de conjugaison
3.3.3.3. Phase III ou Phase de transport
3.4. Elimination
4. Voies de signalisations associées à la toxicité du B[a]P
4.1. Récepteur aux hydrocarbures aromatiques (AhR)
4.1.1. Structure et partenaires de AhR
4.1.2. Ligands de AhR
4.1.3. Activation canonique de AhR
4.1.4. Activation non-canonique de AhR
5. Toxicité du B[a]P
5.1. Immunotoxicité
5.2. Cardiotoxicité
5.3. Cancérogénicité
5.3.1. Chez l’animal
5.3.2. Chez l’Homme
5.3.3. Cancérogenèse et B[a]P
5.4. Reprotoxicité et tératogénicité
6. Biosurveillance des HAP
6.1. Biomarqueurs d’exposition
6.1.1. Biomarqueurs de dose interne
6.1.1.1. Biomarqueurs du pyrène
6.1.1.2. Biomarqueurs du B[a]P
6.1.1.3. Biomarqueurs du naphtalène
6.1.1.4. Biomarqueurs du phénanthrène
6.1.1.5. Biomarqueurs du fluorène
6.1.2. Biomarqueurs de dose efficace
6.1.2.1. Adduits d’ADN
6.1.2.2. 8-oxo-Gua et 8-oxo-dG
6.1.2.3. Adduits aux protéines
6.2. Biomarqueurs d’effets
6.3. Biomarqueurs de sensibilité ou de susceptibilité
Chapitre B. Les vésicules extracellulaires
1. Découverte des vésicules extracellulaires
2. Les différentes populations de vésicules extracellulaires
3. Biogenèse des vésicules extracellulaires
3.1 Biogenèse des exosomes
3.1.1. Formation des corps multivésiculaires
3.1.1.1. La voie ESCRT
3.1.1.2. La voie des lipides et des tétraspanines
3.1.1.3. Adressage et libération des exosomes
3.2. Biogenèse des microvésicules
3.2.1. Mécanismes de formation des microvésicules
3.2.2. Libération des microvésicules
4. Composition des vésicules extracellulaires
5. Interaction des vésicules extracellulaires avec les cellules cibles
6. Les vésicules extracellulaires comme biomarqueurs potentiels
Chapitre C. Les microalgues
1. Généralités sur les microalgues
1.1. Présentation des modèles d’étude
1.1.1. Ostreococcus tauri (OT)
1.1.2. Phaeodactylum tricornutum (PT)
2. Applications des microalgues
3. Composés bioactifs produits par les microalgues et activités biologiques
3.1. Les pigments
3.1.1. Les chlorophylles
3.1.2. Effets biologiques des chlorophylles sur la santé
3.1.3. Les caroténoïdes
3.1.3.1. Les carotènes : β-carotène
3.1.3.2. La fucoxanthine
3.1.4. Effets biologiques du β-carotène et de la fucoxanthine sur la santé
3.1.4.1. Le β-carotène
3.1.4.2. La fucoxanthine
3.2. Les acides gras polyinsaturés ω3 (AGPI ω3)
3.2.1. Effets biologiques du DHA et de l’EPA sur la santé
Cadre et objectifs
Résultats
Article n°1
Article n°2
Discussion générale et perspectives
Conclusion
Bibliographie
Annexes
