Modèle PBPK pour évaluer de la toxicité développementale chez l’embryon de poisson zèbre

Un nouveau modèle PBPK générique pour l’embryon de poisson zèbre

Objectif des travaux et contribution Pour diverses raisons exposées dans le Chapitre 1, l’embryon de poisson zèbre est particulièrement attractif en toxicologie et pharmacologie. L’extrapolation de la toxicité du poisson zèbre à l’homme nécessite, cependant de tenir compte des différences pharmacocinétiques entre les deux espèces. De plus, la connaissance des concentrations chimiques dans les organes est fondamentale pour comprendre les relations dose-réponse. Les concentrations internes sont souvent difficiles à mesurer, notamment chez des espèces aussi petites que l’embryon de poisson zèbre. Cependant, en reliant l’anatomie, la physiologie et les processus biochimiques pour comprendre et calculer le comportement des composés au sein d’un organisme, les modèles PBPK permettent de prédire approximativement des profils cinétiques de concentration en fonction du temps dans des organes expérimentalement inaccessibles, à partir de données expérimentales. Dans cette optique, nous avons développé un modèle PBPK générique sous forme d’équations différentielles et par approche bayésienne, intégrant la croissance des organes et le métabolisme hépatique. Le modèle suppose une distribution à l’état de quasi équilibre entre les cellules, les lysosomes et les mitochondries dans différents tissus de l’embryon (sac vitellin, foie, intestin, muscle, squelette, œil, cerveau, cœur, peau et autres tissus). Le modèle est générique dans la mesure où il peut simuler la distribution de nombreux produits chimiques sur la base de leurs propriétés physico-chimiques : les coefficients de partage des produits chimiques entre les cellules ou organelles et le milieu de culture sont prédits via le modèle présenté précédemment dans le Chapitre 2 de la distribution intracellulaire in vitro virtuelle. Pour atténuer l’incertitude due à leur prédiction, nous leur avons attribué un facteur de correction. Nous avons appliqué notre modèle à l’analyse des données de toxicité développementale de composés cibles du projet EU-ToxRisk, à savoir, l’acide valproïque et ses analogues : acide 2,2-diméthylvalérique, acide 2-éthylbutyrique, acide 2-éthylhexanoïque, acide 2- méthylhexanoïque, acide 2-méthylpentanoïque, Acide 2-propylheptanoïque, 4-èneVPA, acide Modèle PBPK pour évaluer de la toxicité développementale chez l’embryon de poisson zèbre Chapitre 3. Modèle PBPK 77 4-penténoïque et acide hexanoïque. Les paramètres estimés pour améliorer la prédictivité de notre modèle sont la clairance métabolique et le facteur de correction des coefficients de partage. Ils ont été estimés simultanément par ajustement bayésien aux données de concentrations de VPA et de ses analogues dans l’embryon et le milieu de culture au cours de cinq jours de dosages répétés. Enfin, pour prétendre à des extrapolations inter-espèces pertinentes et pour améliorer la compréhension de la relation dose-réponse, nous avons déterminé les concentrations effectives de 10% de réponse (EC10) sur la base des concentrations totales embryonnaires prédites plutôt que des concentrations nominales. Par nos travaux, nous démontrons l’utilisation du modèle pour classer les composés selon leur potentiel toxique à partir d’estimation de concentrations internes plutôt que de concentrations nominales, pour ainsi prétendre à l’extrapolation des résultats des tests d’embryons de poisson zèbre à l’évaluation des risques humains. Ces travaux de recherche ont été valorisés dans un article « Development of a generic zebrafish embryo PBPK model and application to the developmental toxicity assessment of valproic acid analogs », présenté ci-après et publié dans la revue Reproductive Toxicology en 2020 (DOI : 10.1016/j.reprotox.2020.02.010). Les informations supplémentaires sont disponibles en Annexe 2. De plus, le cas d’étude du projet européen EU-ToxRisk intégrant nos travaux fera prochainement l’objet d’une publication dans le journal Alternatives to animal experimentation. Articulation avec le modèle VIVD précédent Les tests sur embryons de poisson zèbre sont assimilables en partie à un système cellulaire in vitro car le protocole de l’OCDE présenté dans le chapitre 1 préconise de placer les embryons, avec de l’eau, dans les puits d’une plaque de culture cellulaire multi-puits. Comme dans tout système in vitro, les molécules présentes dans le milieu de culture se distribuent dans l’embryon, ses divers organes, l’air, le plastique et autres composants potentiellement présents, en fonction de leurs propriétés physico-chimiques. On peut donc utiliser le modèle de distribution virtuelle in vitro pour déterminer les coefficients de partage entre le milieu de culture et les différents types cellulaires de l’embryon (en fonction de la composition spécifique des cellules), mais également la liaison au plastique et la capacité d’évaporation, pour les composés analysés, à savoir l’acide valproïque et neuf de ses analogues. Ces coefficients de partage font partie des paramètres d’entrée du modèle PBPK. Chapitre 3. Modèle PBPK 78 Nécessité d’un corrigé L’article est ici suivi d’un corrigé (sous presse dans la revue Reproductive Toxicology). Il s’est avéré, lors de la revue de l’ensemble des résultats de la deuxième étude de cas de EUToxRisk, que l’eau dans laquelle baignaient les embryons n’était pas suffisamment tamponnée pour maintenir un pH constant après l’ajout des différentes concentrations d’acides organiques (VPA et analogues) testés. Nous avions fait l’hypothèse que le pH était maintenu à 7.4, mais une variation selon la concentration a été observée. Le problème est que le pH du milieu de culture est un paramètre essentiel du modèle VIVD car il conditionne le degré d’ionisation des molécules testées et donc leur capacité à s’accumuler dans l’embryon. Les pH actuellement vus par les embryons au cours des expérimentations ont été mesurés a posteriori pour chaque concentration testée et nous avons donc refait tous les calculs publiés en tenant compte de la valeur correcte de pH. Perspectives Le modèle PBPK embryon de poisson zèbre peut être appliqué pour répondre à différentes problématiques (éco)-toxicologiques. Dans un premier temps, par exploitation des données physico-chimiques et des prédictions QSAR du métabolisme, il peut être utilisé comme outil ab initio à haut débit pour prédire approximativement la distribution des composés dans différents tissus embryonnaires, en fonction du temps et des concentrations d’exposition. Dans un second temps, si des données expérimentales de concentrations totales embryonnaires ou tissulaires sont disponibles, les paramètres du modèle peuvent être calibrés pour estimer le métabolisme in vivo et affiner les prédictions. Notre modèle peut également être utilisé pour orienter de nouvelles recherches et aider à concevoir de futures expériences. Par exemple, avec les données nécessaires, il pourrait être amélioré pour étudier l’impact du chorion ou des transporteurs sur la diffusion. De plus, les concentrations embryonnaires prédites permettent d’étudier plus justement la relation dose-réponse, si bien que nous avons développé le modèle multi-états markovien présenté dans le Chapitre 4 sur la base de ces concentrations internes plutôt que sur les concentrations nominales.