Characterization of lung exposure to endocrine disruptors adsorbed on urban atmospheric particles of different particle sizes : chemical and in vitro biological approaches

L'objectif de ce doctorat a été de caractériser le danger inhérent à la multi-contamination des particules atmosphériques d'origine urbaine en composés de la famille des perturbateurs endocriniens (PE) selon la classe granulométrique des PM (particulate matter). Les classes de PM réglementées, respectivement de diamètre inférieur à 10 et 2,5 µm, PM10 et PM2,5, ainsi que les PM de toutes tailles, TSP, ont été prélevées sur 3 sites de la région parisienne, ayant des caractéristiques similaires (pollution urbaine de fond), sur deux saisons contrastées (froide et chaude). Les extraits organiques de ces 3 classes de particules ont été analysés chimiquement pour leur contamination en 59 composés organiques semi-volatils (COSV), ayant des propriétés de perturbation endocrinienne suspectées ou avérées. Les différentes familles de COSV étudiées sont les : phtalates, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), polybromodiphénylethers (PBDE), polychlorobiphényles (PCB), pesticides, alkylphénols et parabènes. Ces extraits organiques des PM urbaines collectées ont également été étudiés sur des bio-essais de transactivation cellulaire in vitro pour leur potentiel (anti)-œstrogénique (sur cellules T47D-KBluc), anti-androgénique (sur cellules AIZ-AR) et dioxin-like (sur cellules AZ-AhR). Les teneurs moyennes en µg/m3 dans l'air des PM urbaines étudiées ici sont dans l'ordre PM2,5 < PM10 < TSP, pour les 2 saisons. Les résultats ont montré que les familles de COSV majoritairement retrouvés dans les particules, quelle que soit leur granulométrie, étaient les phtalates et les HAP. Cependant, les phtalates présentent les concentrations les plus élevées en saison chaude, alors que celles des HAP le sont en saison froide. Les COSV étudiés s'avèrent être amenés par la classe fine des PM, les PM2,5, par rapport aux PM10 et aux TSP. Par ailleurs, la contamination organique des classes de PM étudiées présente un potentiel perturbateur endocrinien de type œstrogénique et anti-œstrogénique, mais aussi dioxin-like, l'effet anti-androgénique a été moins marqué. En effet, un grand nombre d'extraits de PM ont montré un potentiel agoniste total du récepteur aryl aux dioxines, et un potentiel agoniste partiel du récepteur aux œstrogènes ER. Les extraits de PM s'avèrent induire une activité œstrogénique en interagissant avec l'isoforme alpha d'ER, entrant en compétition avec l'hormone naturelle, le 17β- œstradiol, résultant en un effet hormono-compétitif de type anti-œstrogénique. De plus, un effet dose-réponse non monotone a pu être observé sur certains extraits de saison froide. Quel que soit l'effet biologique considéré, les extraits de PM de saison froide ont montré un effet plus important par rapport à la saison chaude ; de plus, les effets biologiques semblent provenir principalement des extraits de PM2,5. La mise en relation des données de contamination chimique et biologique semble montrer que la contamination des particules en HAP est à l'origine des effets œstrogéniques et dioxin-like observés. Ces effets semblent également être supportés par les PM2,5, en particulier en saison froide. Considérant que cette fraction de PM supporte les particules les plus fines capables d'atteindre les voies respiratoires inférieures jusqu'aux alvéoles pulmonaires (avant de passer dans la circulation sanguine pour les PM très fines), l'inhalation des PM2,5 représente un vecteur d'exposition important aux COSV de la famille des PE. L'ensemble de ce travail permet d'amener de nouvelles données par une approche chimique et bio-analytique in vitro. Ces données participent à la caractérisation du potentiel risque sanitaire inhérent à la contamination organique véhiculée par les particules atmosphériques.The aim of this PhD was to characterise the danger inherent in the multi-contamination of atmospheric particles of urban origin with compounds of the endocrine disruptor (ED) family according to the PM (particulate matter) size class. Regulated PM classes, respectively with diameters below 10 and 2.5 µm, PM10 and PM2.5, as well as PM of all sizes, TSP, were sampled at 3 sites in the Paris region, with similar characteristics (urban background pollution), over two contrasting seasons (cold and hot). The organic extracts of these 3 classes of particles were chemically analysed for their contamination with 59 semi-volatile organic compounds (SVOCs), with suspected or proven endocrine disrupting properties. The different families of SVOCs studied are: phthalates, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), polychlorinated biphenyls (PCBs), pesticides, alkylphenols and parabens. These organic extracts of the collected urban PM were also studied in in vitro cell transactivation bioassays for their (anti)-estrogenic (on T47D-KBluc cells), anti-androgenic (on AIZ-AR cells) and dioxin-like (on AZ-AhR cells) potential. The mean airborne levels in µg/m3 of the urban PM studied here are in the order PM2.5 < PM10 < TSP, for both seasons. The results showed that the most common families of SVOCs found in the particles, regardless of their particle size, were phthalates and PAHs. However, phthalates had the highest concentrations in the warm season, while PAHs had the highest concentrations in the cold season. The studied SVOCs were found to be driven by the fine PM class, PM2.5, compared to PM10 and TSP. Furthermore, the organic contamination of the PM classes studied has an endocrine disrupting potential of the oestrogenic and anti-oestrogenic type, but also dioxin-like, the anti-androgenic effect was less marked. Indeed, a large number of PM extracts showed a total agonist potential of the aryl dioxin receptor, and a partial agonist potential of the ER estrogen receptor. PM extracts have been shown to induce estrogenic activity by interacting with the alpha isoform of ER, competing with the natural hormone, 17β-estradiol, resulting in an anti-estrogenic hormone-competitive effect. In addition, a non-monotonic dose-response effect was observed on certain cold season extracts. Regardless of the biological effect considered, the cold season PM extracts showed a greater effect than the warm season extracts; moreover, the biological effects seem to come mainly from the PM2.5 extracts. Linking the chemical and biological contamination data seems to show that the PAH contamination of the particles is responsible for the observed oestrogenic and dioxin-like effects. These effects also seem to be supported by PM2.5, especially in the cold season. Considering that this PM fraction supports the finest particles capable of reaching the lower respiratory tract up to the pulmonary alveoli (before passing into the bloodstream for very fine PM), the inhalation of PM2.5 represents an important exposure vector to the SVOCs of the ED family. This work as a whole provides new data using a chemical and bioanalytical in vitro approach. These data contribute to the characterisation of the potential health risk inherent in the organic contamination carried by atmospheric particles