Evaluation des paramètres toxicocinétiques des analogues de bisphénols : développement d'approches de type Relation Quantitative Structure-Activité (QSAR)

Evaluation of toxicokinetic parameters of bisphenol analogues : development of Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) approaches

• Auteur / Autrice : Clemence Gely
• Direction : Nicole Hagen-Picard, Marlène Lacroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 24/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Toxalim (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Gayrard, Cyril Feidt, Caroline West
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davy Guillarme, Nicolas Venisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exposition aux perturbateurs endocriniens

Toxicocinétique

Analogues

Bisphénol A

Mots clés libres

Bisphénols

Toxicocinétique

LC-MS/MS

QSAR

Perturbateurs endocriniens

Exposition fœtale

Passage placentaire

Descripteurs chromatographiques

Bisphenols

Toxicokinetic

LC-MS/MS

QSAR

Endocrine disruptor

Fetal exposure

Placental transfer,

Chromatographic descriptors

Résumé

Suite aux restrictions de l’utilisation du BPA, les industriels l’ont progressivement remplacé par des molécules de structure analogue. Or, ces substituts ne sont pas encore réglementés et des études toxicologiques indiquent déjà que le potentiel perturbateur endocrinien de la plupart de ces bisphénols (BPs) émergents est comparable à celui du BPA. Dans le but d’éviter toute substitution regrettable, il est nécessaire d’évaluer le potentiel d’exposition à ces substances, afin de contribuer à l’évaluation du risque liée à l’exposition humaine à ces substances. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse était (1) d’évaluer l’exposition fœtale au BPA, au BPS et au BPF, (2) de déterminer le devenir des analogues structuraux de BPs dans l’organisme en évaluant les mécanismes toxicocinétiques (TK) déterminant l’exposition interne maternelle et l’exposition fœtale de 12 et 15 BPs, et (3) de développer des méthodes QSAR capables de prédire le transfert materno-fetal de ces bisphénols. Tout au long de ces travaux divers développements analytiques ont été réalisés pour répondre aux exigences de chacun de ces objectifs. Dans un premier temps, une méthode de dosage des métabolites glucuronides du BPA, BPS et BPF à l’état de traces avec une limite de quantification de 0,05 ng/mL a été développée et a permis de démontrer la capacité de ces BPs à franchir la barrière placentaire, par la présence de leurs métabolites dans le sang de cordon ombilical. Cela nous a conduit, dans un second temps, à évaluer les mécanismes de transfert placentaire materno-fœtal de quinze BPs sur un modèle ex-vivo de placenta humain perfusé. Deux groupes de BPs ont ainsi été identifiés : les BPs dont le passage placentaire met en jeu un mécanisme de diffusion passive et ceux dont le mécanisme de transfert par diffusion passive est très limité et pourrait impliquer des transporteurs d’efflux. Le fœtus est exposé aux bisphénols via sa mère. Or, une étude précédente réalisée au laboratoire sur un modèle porcin, pertinent vis-à-vis de l’homme pour sa fonction digestive, a montré que l’exposition interne au BPS actif est 250 fois supérieure à celle du BPA, pour une exposition par voie orale similaire. Cette différence a mis en évidence la nécessité de caractériser les paramètres TK déterminant l’exposition interne maternelle. Les douzes BPs de cette étude toxicocinétique, réalisée sur un modèle porcin ont montré de fortes disparités de biodisponibilité orale variant de 1 % pour le BPA à 60 % pour le BPS. Ces résultats TK apportent des informations critiques pour éviter la substitution du BPA, par des BPs hormonalement actifs avec un potentiel d’exposition élevé. Ces différences toxicocinétiques entre des BPs de structure similaire, renforce la nécessité de développer des modèles prédictifs des mécanismes d’exposition. Pour établir la preuve de concept selon laquelle les descripteurs chromatographiques autre que les paramètres de rétention pourraient contribuer finement à la caractérisation du comportement moléculaire dans la biophase, nous avons développé un modèle de type relation structure activité (QSAR) pour prédire le transfert placentaire des BPs. L’élaboration d’une base de données chromatographiques des quinze BPs sur treize colonnes analytiques a ainsi permis de construire et de valider un modèle prédictif du transfert placentaire materno-fœtal des BPs. L’ensemble de ces données TK et le développement de modèle prédictif de l’exposition humaine sont essentiels pour éclairer les décisions des agences réglementaires et aider les industriels à choisir des solutions alternatives au BPA avec pertinence.

Due to restrictions on the use of BPA, manufacturers have progressively replaced it with structurally related molecules. These substitutes are not yet regulated, but several toxicological studies indicate that the endocrine disrupting potential of most of these emerging bisphenols (BPs) is comparable to that of BPA. In order to avoid unfortunate substitution, the assessment of the exposure potentials to these substances is necessary to contribute to the risk assessment of human exposure to these BPs. In this context, the aim of this thesis was: (1) to assess fetal exposure to BPA, BPS and BPF, (2) to determine the fate structural analogues of BPs through the assessment the toxicokinetic (TK) mechanisms determining maternal and fetal internal exposure of 12 and 15 BPs, respectively, and (3) to develop QSAR methods able to predict the materno-fetal transfer of these BPs. Throughout this work, various analytical developments have been carried out to meet the requirements of each of these objectives. Firstly, the development of a method for the quantification of trace glucuronide metabolites of BPA, BPS and BPF with a limit of quantification of 0.05 ng/mL, demonstrated the ability of the BPs to cross the placental barrier, through the presence of their metabolites in umbilical cord blood. This led us, in a second step, to evaluate the materno-fetal placental transfer mechanisms of fifteen bisphenols in an ex-vivo perfused human placenta model. Two groups of BPs were identified: bisphenols whose placental passage involves a passive diffusion mechanism and those whose passive diffusion transfer mechanism is very limited and may involve efflux transporters. The fetus is exposed to bisphenols via its mother. However, a previous laboratory study on a piglet model, relevant to humans for its digestive function, showed that internal exposure to active BPS is 250 times higher than that of BPA, for a similar oral exposure. This difference highlighted the need to characterise the TK parameters determining internal maternal exposure. The twelve BPs in this toxicokinetic study, performed with the same piglet model, showed differences in oral bioavailability ranging from 1% for BPA to 60% for BPS. These TK results provide critical information on the substitution of BPA by hormonally active BPs with high exposure potential. These toxicokinetic differences between structurally analogous BPs reinforce the need to develop predictive models of exposure mechanisms. To establish the proof of concept that chromatographic descriptors other than retention parameters could contribute finely to the characterisation of molecular behavior of the molecule in the biophase, we developed a quantitative structure-activity relationship (QSAR) model to predict placental transfer of BPs. The development of a chromatographic database of the fifteen bisphenols on thirteen analytical columns allowed the building and validation a predictive model of the maternal-fetal placental transfer of BPs. All of these TK data and the development of a predictive model of human exposure are essential to give information to regulatory instances for their decisions and to help industry choose appropriate alternatives to BPA.