Integrated modelling of endocrine disruption in zebrafish at different biological levels MOZAIC

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1 Integrated modelling of endocrine disruption in zebrafish at different biological levels MOZAIC R. Beaudouin, F. Brion, A. Péry, E. Mombelli, J. Devillers MINISTÈRE DE L ÉCOLOGIE DU DÉVELOPPEMENT DURABLE, DU TRANSPORT ET DE LA MER

2 Contexte Un grand nombre de preuves et d observations des effets des perturbateurs du système endocrinien au niveau de l individu (laboratoire et/ou terrain) Les effets de ces molécules sur les populations (unité biologique de gestion du risque) : Etudes expérimentales relativement rares Travaux de modélisation visant à les prédire relativement rares Une nécessité pour affiner l évaluation du risque : Extrapoler au-delà des standards expérimentaux Projeter à l échelle de la population et quantifier. Modélisation permet d extrapoler et d établir le lien entre différentes échelles Présentation INERIS 03/09/2015 2

3 Objectifs Proposer un modèle pour le poisson pour évaluer : Modifications hormonales dues aux PEs chez les individus, et les phénomènes de régulation induits Incidences sur les performances des individus et la dynamique des populations. Le poisson zèbre (Danio rerio ) Espèce modèle très utilisée dans les tests de toxicologie (in vivo et in vitro) Nombreuses données expérimentales sur les PEs ( organisme) Présentation INERIS 03/09/2015 3

4 MOZAIC Objectifs Modèle individu-centré population Modèle de l axe HPG PBPK modèle Schéma issu de Arukwe (2001) Présentation INERIS 03/09/2015 4

5 Objectifs Stratégie : développer et intégrer plusieurs modèles Modèle de l axe hypothalamus-hypophyse-gonades (HHG) pour le poisson zèbre mâle et femelle, Modèles pharmacocinétiques à fondement physiologique (PBPK) générique pour les perturbateurs endocriniens Modèles QSAR pour prédire les paramètres manquants Modèle multi-agents pour simuler la dynamique des populations du poisson zèbre et sa perturbation due à l'exposition aux PEs. Modèle générique : couvre une large gamme de molécules organiques Présentation INERIS 03/09/2015 5

6 Modèle PBPK du poisson zèbre [C b ] Présentation INERIS 03/09/2015 6

7 Modèle PBPK du poisson zèbre Production de nouvelles données - Quantifications des teneurs en eau et en lipides totaux - Description du système artérielle du poisson zèbre Validation de toutes les équations structure-activité/propriété (QSAR) utilisées dans le modèle PBPK - Coefficient de partage sang/eau, sang/tissu - Modèle de binding pour les «sex hormone-binding globulin» (SHBG, Transport des hormones sexuelles) Proposition d un modèle PBPK - Premier modèle toxicocinétique à fondement physiologique chez le poisson zébre - Paramètres physiologiques : (i) zebrafish, (ii) d autres cyprinidae, (ii) d autres espèces de poissons, (iv) dans de rares cas, les mammifères - Prise en compte des effets de la température Présentation INERIS 03/09/2015 7

8 Présentation INERIS 03/09/2015 8

9 Modèle PBPK du poisson zèbre et Modèle de l axe HPG [C b ] Présentation INERIS 03/09/2015 9

10 Expérience in vivo pour la modélisation de l axe HPG Concentrations en stéroïdes circulants (11 kéto-testostérone et 17β-oestradiol) et vitellogénine Poissons zèbres adultes mâles et femelles Prélèvements sanguins Situation normale / exposé17β-œstradiol Mise au point d une méthode de micro-extractions des stéroïdes circulants (méthodes immuno-enzymatiques classiques trop incertaines) Variabilité des mesures de vitellogénine et des mesures des stéroïdes Structure du modèle Inspiré de modèles déjà publiés pour Pimephales promelas mâles (Watanabe et al., 2009) et femelles (Li et al., 2011) Adapté au poisson zèbre et repose sur le modèle PBPK Présentation INERIS 03/09/

11 Expérience in vivo pour la modélisation de l axe HPG Calibration et évaluation du modèle Pas de solutions suffisamment satisfaisantes Simplifier le modèle? (trop complexe / données disponibles) Réaliser des expérimentations beaucoup plus complètes? Intervalles de mesures beaucoup plus courts ; Une période d élimination ; En présence d inhibiteurs enzymatiques (estimation des paramètres de transformation des hormones) ; Mesures des stéroïdes et vitellogénine dans les organes clés (cerveau, gonades, foie notamment) ; Présentation INERIS 03/09/

12 Les effets des PEs sur la dynamique de population du poisson zèbre 1 ère étape : prédiction de la dynamique en absence de perturbation similaire aux observations Prise en compte des facteurs écologiques les plus importants Basé sur un modèle de type «dynamic energy budgets» (DEB) Comparé à deux jeux de données de la littérature Présentation INERIS 03/09/

13 Nb cumulé œufs Taille standard (mm) Les effets des PEs sur la dynamique de population du poisson zèbre Modèle de type «dynamic energy budgets» (DEB) Temps (jour) Présentation INERIS 03/09/ Temps (jour)

14 Modèle de dynamique de population du poisson zèbre : individu-centré Présentation INERIS 03/09/

15 Modèle de dynamique de population du poisson zèbre : individu-centré Présentation INERIS 03/09/

16 Modèle de dynamique de population du poisson zèbre : individu-centré Présentation INERIS 03/09/

17 Application : prédiction des effets de l'ee2 sur la dynamique de population QSAR paramètres spécifiques de la substance Présentation INERIS 03/09/

18 Application : prédiction des effets de l'ee2 sur la dynamique de population Exemple d effet sur les processus individuels définis à partir de la littérature Flèches rouges : effets intégrés dans le modèle Exposition d une population pendant 3 ans à 5 ng/l EE2, puis 2 années de récupération Protocol expérimental suivi par Kidd et al., 2007 (très fort impact sur l effectif de la population) Présentation INERIS 03/09/

19 Application : prédiction des effets de l'ee2 sur la dynamique de population Exposition Dose-réponse prédite au niveau de la population Présentation INERIS 03/09/

20 Bilan et perspective de MOZAIC Proposer un ensemble de modèles pour le poisson zèbre pour évaluer les modifications hormonales dues aux PEs (PBPK HPG) Réduction de l incertitude dans l évaluation du risque écotoxicologique : extrapoler entre l unité de mesure (< organisme) et celle de protection (> population) Intégration des facteurs confondant (cinétique, température, complexité écologique, etc ) dans l évaluation du risque Identification des scénarios fortement risqués (analyse de sensibilité et incertitude) Perspectives Modèle de l axe HPG : modèle à finaliser, nécessite la production de nouvelles données Couplage modèle PBPK HPG et expérience in vitro : extrapolation in vitro in vivo Lien entre les perturbations hormonales et les performances des individus (survie, croissance, reproduction, comportement, ) Présentation INERIS 03/09/

21 Merci de votre attention! Dissémination scientifique Communications orales et posters R. Beaudouin, F. Brion, J. Devillers, E. Mombelli, C. Brochot, A. Pery. Développement de modèles mathématiques pour étudier les effets de la perturbation endocrinienne chez le poisson zèbre. Colloque de La Société d Ecotoxicologie Fondamentale et Appliquée (SEFA). 4-5 Juillet 2012, Lyon, France. R. Beaudouin, F. Brion, A. R. R. Pery, E. Mombelli, C. Brochot and J. Devillers. Integrated Modelling of endocrine disruption in zebrafish at different biological levels (MOZAIC). 1st European Conference on the Replacement, Reduction and Refinement of Animal Experiments in Ecotoxicology. 28th-29th June Dübendorf. Switzerland. A. R. R. Pery, R. Beaudouin, P. Ciffroy et M. F. Wilks. Toxicologie et écotoxicologie : pourquoi dépasser les frontières? Colloque de La Société d Ecotoxicologie Fondamentale et Appliquée (SEFA). 3-4 juillet 2013, Thionville, France. J. Devillers, A. Pery, R. Beaudouin, E. Mombelli and F. Brion. Predicting blood/water partition coefficients in fish. 7th International Symposium on Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources (CMTPI), 8 11 October 2013, Seoul, Korea. A. R. R. Pery, J. Devillers, C. Brochot, E. Mombelli, F. Brion, R. Beaudouin. A physiological-based toxicokinetics model for the zebrafish. 7th International Symposium on Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources (CMTPI), 8 11 October 2013, Seoul, Korea. R. Beaudouin, B. Goussen, B. Piccini, S. Augustine, J. Devillers, F. Brion, A. R.R. Péry. Modélisation de la dynamique de population du poisson zèbre pour l'évaluation du risque écotoxicologique. Rencontres du réseau Mexico 2014, Mai 2014, Toulouse. R. Beaudouin, J. Devillers, C. Brochot, E. Mombelli, F. Brion and A. R. R. Péry. A physiological-based toxicokinetics model for the zebrafish. Fish and amphibian embryos as alternative models in toxicology and teratology, 1-2 December 2014, Aulnay-sous-Bois, France. Chapitre de livre J. Devillers, A.R.R. Pery, F. Brion, R. Beaudouin, Modelling and predictive risk assessment, in Aquatic ecotoxicology: Advancing tools for dealing with emerging risks, C. Amiard-Triquet, J.C. Amiard, C. Mouneyrac (eds.), Elsevier, The Netherlands, (preparation, publication prévue fin 2015) Présentation INERIS 03/09/