Profil de spéciation du cadmium dans le sang chez pour le suivi de salariés exposés professionnellement.

Blood speciation profile of cadmium for biomonitoring of exposed workers.

• Auteur / Autrice : Mathieu Melczer
• Direction : Ryszard Lobinski
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Inscription en doctorat le 19/11/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Cadmium

Spéciation

Sang

Travailleurs

Single cell

Icp-ms

Cadmium

Speciation

Blood

Occupational

Single cell

Icp-ms

Résumé

Le cadmium est un métal toxique, même à très faibles concentrations, qui peut engendrer des effets néfastes sur la santé, tels que des atteintes rénales, osseuses et hépatiques. Par ailleurs, classé en catégorie 1 par le CIRC en raison de sa cancérogénicité avérée chez l'Homme, il reste toutefois encore particulièrement présent en milieu professionnel malgré des restrictions d'usage. L'évaluation des expositions des travailleurs à faibles doses, est donc essentielle et repose sur un suivi biologique adapté. Ce travail de thèse vise à développer des méthodes d'analyse spécifiques dans le sang pour un suivi biologique pertinent. En effet, le sang, matrice centrale de l'organisme, possède deux composantes temporelles d'élimination du cadmium, relatives aux différentes formes physico-chimiques : une composante à long terme (plus de dix ans) et une à court terme (moins de trois mois). L'étude de ces deux composantes a été réalisée par des analyses spécifiques des fractions sanguines érythrocytaire et plasmatique. Une spéciation du cadmium dans le plasma a notamment été mise en œuvre afin de différencier les complexes cadmium-métalloprotéines. Par ailleurs, les méthodes ont été envisagées afin d'anticiper des moyens de prélèvements moins invasifs et mieux acceptés par les travailleurs. Dans un premier temps, l'analyse des érythrocytes par single cell a été validée et comparée par scICP-MS et scICP-MS/MS. Ces techniques se sont révélées précises et sensibles, notamment en mode scICP-MS/MS, grâce à une gestion optimisée des interférences. Ces analyses ont également montré une grande efficacité pour analyser de très faibles volumes de sang (<0,1 µL). Dans un second temps, la quantification des métalloprotéines dans le plasma a été réalisée par HPLC(SEC)-ICP-MS/MS. Cette approche a été validée sur des échantillons de plasma dopés en cadmium et en métalloprotéines d'intérêt (albumine et métallothionéines), ainsi qu'en quantifiant des isotopes naturellement présents dans le sang. À l'issue de ces développements, un protocole d'analyse applicable à des volumes de quelques microlitres de sang a été proposé. Finalement, les méthodes ont été testées en conditions réelles et comparées aux analyses conventionnelles déployées lors d'une campagne de suivi biologique en entreprise. Les résultats ont montré une cohérence globale entre les différentes analyses réalisées, spécifiques et classiques. D'une manière générale, le cadmium a été majoritairement retrouvé dans les érythrocytes et complexé à l'albumine dans le plasma. En revanche, les métallothionéines n'ont pas pu être quantifiées lors de ce suivi biologique de travailleurs, tandis que la méthode de dosage intra-érythrocytaire par single cell n'a pas été suffisamment sensible. Par ailleurs, un complexe cadmium de 30 kDa, potentiellement formé d'apolipoprotéines, a été identifié de manière spécifique entre des travailleurs « opérateurs » et « administratifs », mais n'a pas pu être quantifié. En conclusion, ce travail propose des méthodes innovantes et sensibles pour le dosage du cadmium dans les érythrocytes et la spéciation dans le plasma. Ces techniques, applicables au suivi biologique des travailleurs exposés, contribueront par ailleurs à une meilleure compréhension de la distribution et du métabolisme du cadmium dans l'organisme.

Cadmium is a toxic metal, even at very low concentrations, that can cause adverse health effects such as kidney, bone, and liver damage. Furthermore, it is classified as a Group 1 carcinogen by the IARC due to its proven carcinogenicity in humans. Despite usage restrictions, cadmium remains particularly prevalent in occupational environments. Therefore, assessing workers' exposure to low doses is essential and relies on appropriate biological monitoring. This doctoral work aims to develop specific analytical methods in blood for relevant biological monitoring. Blood, a central matrix in the body, has two temporal elimination components for cadmium, related to its different physicochemical forms: a long-term component (over ten years) and a short-term component (less than three months). To investigate these two components, the specific analysis of blood fractions (erythrocytic and plasmatic) was studied. Cadmium speciation in plasma was also implemented to differentiate cadmium-protein complexes. Furthermore, the methods were designed to anticipate less invasive and more acceptable sampling techniques for workers. Initially, erythrocyte analysis using single-cell approaches was validated and compared using scICP-MS and scICP-MS/MS. These techniques proved to be precise and sensitive, particularly in scICP-MS/MS mode, thanks to optimized interference management. They also demonstrated high efficiency for analyzing very small blood volumes (<0,1 µL). Subsequently, the quantification of metalloproteins in plasma was carried out using HPLC(SEC)-ICP-MS/MS. This approach was validated with plasma samples spiked with cadmium and relevant metalloproteins (albumin and metallothioneins), as well as by quantifying naturally occurring isotopes in blood. Following these developments, an analytical protocol applicable to a few microliters of blood was proposed. Finally, the methods were tested under real conditions and compared with conventional analyses conducted during a workplace biological monitoring campaign. The results showed overall consistency between the specific and traditional analyses performed. Generally, cadmium was primarily found in erythrocytes and complexed with albumin in plasma. However, metallothioneins could not be quantified in this workplace application, and the single-cell erythrocyte cadmium quantification method lacked sufficient sensitivity. Additionally, a specific cadmium complex of 30 kDa, potentially composed of apolipoproteins, was identified, showing differences between “operator” and “administrative” workers, though it could not be quantified. In conclusion, this work proposes innovative and sensitive methods for cadmium quantification in erythrocytes and cadmium speciation in plasma. These techniques, applicable to biological monitoring of exposed workers, also contribute to a better understanding of cadmium distribution and metabolism in the human body.