Les cibles des retardateurs de flamme bromés (RFB) au niveau des récepteurs nucléaires ne sont pas encore complètement identifiées. Les études in vitro les plus pertinentes ont été réalisées dans le cadre du programme européen FIRE1 et essentiellement publiées par l’équipe de T. Hamers (Hamers et coll., 2006).

Hamers et coll. (2006) ont étudié 27 RFB pour leurs effets sur les récepteurs des œstrogènes alpha (ERα), des androgènes (AR), de la progestérone (PR), des hormones thyroïdiennes alpha (TRα) et de la dioxine (AhR) ainsi que sur l’enzyme en charge de la sulfatation de l’œstradiol (œstradiol sulfo-transférase : E2SULT) et la protéine de transport de l’hormone thyroïdienne (transthyrétrine). Parmi les différentes molécules étudiées, le BDE 19 s’est avéré être une molécule à activité œstrogénique agoniste et le 6-hydroxyl BDE 47 un anti-œstrogène. Cette étude a également montré que le BDE 19 et le BDE 100 avaient une activité anti-androgénique (Hamers et coll., 2006 ; Harju et coll., 2007).

D’autres RFB comme le BDE 28, BDE 47, BDE 100 et surtout le 4OH-BDE 17 sont œstrogéniques (Kojima et coll., 2009) de même que le 4OH-BDE 49 et le BDE 17 (Mercado-Feliciano et coll., 2008). Ces résultats ont été confirmés pour le BDE 100 (Stoker et coll., 2005 ; Kojima et coll., 2009). Le 4OH-BDE 17 (Kojima et coll., 2009) et le BDE 47 (Stoker et coll., 2005) ont également une activité anti-androgénique.

Parmi les différents RFB testés, seul le 1,2-dibromoéthyl cyclohexane (BCH) s’est avéré être un androgène à activité agoniste (Larsson et coll., 2006 ; Khalaf et coll., 2009).

D’après les travaux de Hamers et coll. (2006), le BDE 38 et le BDE 153 ont des effets agonistes pour le récepteur AhR alors que le BDE 47 et l’octa-BDE sont antagonistes.

Selon des études récentes, le BDE 47, 99, 209, le penta-BDE et le HBCD sont des ligands activateurs du récepteur PXR (Pacyniak et coll., 2007 ; Fery et coll., 2009). D’autre part, le TBBPA et le TCBPA sont des ligands agonistes de PPARγ (Patrick Balaguer, communication personnelle).

Enfin, plusieurs effets ont été observés sur la modulation de l’activité de TRα. Le TBBPA et le TCBPA sont des antagonistes de TRα (Sun et coll., 2009 ; Patrick Balaguer, communication personnelle), le TBBPA et le 2,4,6-TBP sont capables de se lier à TR.

De même, l’activité E2-sulfotransférase est inhibée par le TBBPA, le PCP, le 6OH-BDE 47 et dans une moindre mesure par le BDE 47 (Hamers et coll., 2006).

Le tableau 48.I rassemble les résultats des différentes études.

Finalement, des effets des RFB sur la stéroïdogenèse et plus particulièrement sur l’activité aromatase ont également été décrits. Ainsi, Canton et coll. (2008) ont montré que plusieurs RFB inhibaient l’activité de cette enzyme à des concentrations comprises entre 1 et 10 mM. Ces effets ont été confirmés par les travaux de He et coll. (2008) dans la lignée cellulaire H295R.

Parce qu’il existe une parenté chimique entre des retardateurs de flammes et des ligands du récepteur de la dioxine, AhR, plusieurs études ont suggéré en effet que AhR pourrait être une cible de ces molécules. Ainsi, certains auteurs ont observé après exposition à différents PBDE une altération des niveaux d’expression de CYP1A1, une enzyme hépatique qui est régulée par AhR dans le foie. C’est le cas de Raldua et coll. (2008) sur des barbeaux du bassin de l’Ebre exposés dans leur milieu de vie à des mélanges de PBDE pour lesquels ces auteurs notent une diminution de l’expression de CYP1A1 et des altérations histologiques dans le foie. De même, Ronisz et coll. (2004) montrent une diminution de CYP1A1 après traitement de truites arc en ciel juvéniles avec du TBBPA (effet à partir de 10 mg/kg en intrapéritonéal) et du HBCD à forte dose (500 mg/kg). Une augmentation concomitante de la taille du foie a été observée. Des anomalies dans l’expression d’enzymes ou de molécules liées au stress oxydatif (SOD, HSP70) dans le foie ont également été observées avec le TBBPA mais pas avec le HBCD sur des zebrafish traités à 0,75 mg/l dans l’eau (Hu et coll., 2009). Il a été montré en outre que des mélanges de retardateurs de flamme (Firemaster 550 et BZ-54) pouvaient induire des dommages sur l’ADN extrait du foie de vairons traités oralement par ces composés (Bearr et coll., 2010). En revanche, Chen et coll. (2010) observent une augmentation légère de l’activité CYP1A1 après traitement de zebrafish juvéniles au BDE 47 (de 20 à 60 jours post-éclosion ; 68,8 ng/g dans les poissons traités).

Des résultats similaires sont retrouvés dans une autre étude où le BDE 47 à 10 μM induit une induction de l’expression de CYP1A1 chez le zebrafish et une activation de AhR dans un test de transactivation dans des cellules de mammifères (Wahl et coll., 2008). Les mêmes auteurs attribuent cependant ces effets non pas au PBDE 47 mais à du TBDF (2,3,7,8-tétrabromo-dibenzodioxin) contaminant la préparation de BDE 47. La même conclusion a été obtenue par Kuiper et coll. (2006) sur du DE-71 qui induit l’expression de CYP1A1 et une activation transcriptionelle de AhR : là encore, l’effet a été relié à une impureté contaminant la préparation industrielle de DE-71. Il faut donc se méfier des conclusions hâtives obtenues avec des préparations de faible grade de pureté.

Ces doutes sur un effet direct des PBDE sur la voie AhR ont été renforcés par une étude où les effets activateurs sur le récepteur AhR ont été couplés à une analyse transcriptomique (Wahl et coll., 2010). Ce travail montre en effet clairement que le BDE 47, 99, 153 ou 209 n’activent pas mais inhibent plutôt la voie de signalisation AhR. Des études de microarrays menées sur des cellules de rat suggèrent en outre que la signature transcriptionnelle induite par les PBDE dans le foie est bien distincte de celle de ligands classiques de AhR. L’ensemble de ces résultats suggère donc que la voie AhR n’est pas, contrairement à ce que l’on pensait au départ, une cible pertinente pour les retardateurs de flammes.

La disponibilité de données fiables concernant l’affinité des PBDE avec le récepteur aryle hydrocarboné (AhR) (Chen et coll., 2001) a favorisé le développement de modèles QSAR fiables (Zheng et coll., 2005 ; Wang et coll., 2005 et 2006 ; Xu et coll., 2007 ; Wu et coll., 2009 ; Gu et coll., 2010). Néanmoins, on retrouve en littérature quelques études spécifiques aux relations structure/propriétés reliées à l’activité de perturbateur endocrinien des PBDE (Meerts et coll., 2001 ; Liu et coll., 2007 ; Kojima et coll., 2009 ; Yang et coll., 2009). Le « endpoint » communément utilisé est l’activité envers le récepteur des androgènes (AR) ou des œstrogènes (ER). Cette activité est évaluée en termes de dose-réponse avec le test AR- et ER-CALUX (Hamers et coll., 2006), qui fait appel à une lignée de cellules humaines présentant des récepteurs des androgènes ou des œstrogènes modifiés à l’aide d’un gène rapporteur luminescent. L’intensité de l’émission de lumière est proportionnelle à la quantité de substance liée au récepteur et permet de définir le logarithme de la moitié de la concentration maximale inhibitrice (logCI₅₀). Ce logarithme est l’endpoint final normalement considéré dans les études QSAR.

Grâce à ces tests, une réponse ER-agoniste a été mise en évidence pour plusieurs BDE ainsi que pour un mélange de octa-BDE (tableau 48.I et Hamers et coll., 2006). Ces résultats suggèrent d’une part, que l’activité œstrogénique est associée à une faible bromation des PBDE et, d’autre part, que l’activité anti-œstrogénique est déterminée par un degré élevé de bromation (Meerts et coll., 2001). En termes de structure, les molécules substituées aux positions [2,2’,6] ou [2,2’,4] (figure 48.1) ont une activité ER-agoniste. Le BDE 30, substitué en positions 3, 4 et 5, représente une exception. Les mêmes caractéristiques sont observées pour les AR-antagonistes.

Un modèle QSAR a ensuite été déterminé pour l’AR-antagonisme, en utilisant ces résultats AR-CALUX comme endpoints. Ce modèle a une bonne corrélation avec l’expérience (r²=0,90) (Harju et coll., 2007) et prévoit une activité AR-antagoniste pour les BDE 17, BDE 66, BDE 85, et BDE 154, des penta-BDE non testés dans l’étude précédente.

Plus généralement, ce modèle QSAR lie l’activité AR-antagoniste à un bas degré de bromation et aux substitutions en ortho- (positions 2, 2’, 6 et 6’) ou ortho- et para- (positions 4 et 4’). À noter que les PBDE ne peuvent pas former des liaisons hydrogène comme d’autres perturbateurs endocriniens (le BPA, par exemple) (Harju et coll., 2007).

Un travail plus récent sur 8 PBDE et 8 dérivés hydroxylés a confirmé ces résultats (Kojima et coll., 2009). De plus, il a été suggéré qu’un groupe hydroxylique en position para- (positions 4 et 4’) augmente l’activité œstrogénique, qui peut également être modulée (réduite) par des atomes de brome dans les positions proches de la position para- (3, 3’, 5 et 5’). Ce dernier effet a également été remarqué pour le BPA (Liu et coll., 2007).

Des informations plus détaillées sur les interactions ligand/récepteur ont été obtenues ces dernières années, grâce à des modèles 3D-QSAR (type CoMSIA) (Yang et coll., 2009). Ces analyses ont mis en évidence que le champ électrostatique représente la plus grande contribution à l’activité anti-androgénique de PBDE, avec un poids de 61 % dans le modèle QSAR. De plus, une analyse des résultats théoriques met en évidence une réduction de l’activité anti-androgène (accumulation de charges positives) due aux substituants bromés en position para-, en accord avec l’expérience. Par exemple, le 2,2’,4,4’,6-penta-BDE (BDE 100, CI₅₀=0,097 μM) a une activité plus basse que le 2,2’,6-tri-BDE 19 (CI₅₀=0,060 μM). Les oxygènes carboxyliques des acides aminés Leu701 et Asn705 peuvent être impliqués dans l’interaction avec le ligand PBDE (figure 48.2).

Une autre région positive est localisée autour de la position 3 et 5 et, en effet, le 3,3’,4,5,5’-penta-BDE (BDE 27) a une activité plus faible que le 3,3’,4,5’-tetra-BDE (BDE 79, CI ₅₀=5,1 et 2,0 μM respectivement). Dans ce cas, les atomes d’oxygène (négatifs) des résidus Val746, Phe764 et Gln711 peuvent être impliqués dans l’interaction ligand/substrat.

En revanche, deux régions favorisant les charges négatives sont présentes dans le centre de poche, donc la substitution en ortho- est favorable pour l’antagonisme-AR, tandis que celles en méta- et para- sont défavorisées.

La contribution hydrophobique est un autre facteur important dans l’activité AR-antagoniste des PBDE et représente 26 % de la variation en activité dans la série de PBDE. En effet, la présence des groupes hydrophobes en position ortho- provoque une augmentation de l’activité anti-androgénique. En croisant les informations théoriques du champ électrique et du champ hydrophobe, il a été suggéré que la présence d’un groupe électro-attracteur avec des propriétés hydrophobes en position ortho- maximise l’activité AR-antagoniste. Cette hypothèse est en accord avec l’ordre expérimental d’activité : 2,2’,4,4’,6-penta-BDE (CI₅₀=0,097 μM) > 2,20,4,40-tétra-BDE (CI₅₀=1,0 μM) > 2,4,40-tri-BDE (CI₅₀=3,1 μM) (Hamers et coll., 2006). L’effet hydrophobe peut être lié à des interactions avec les résidus Leu707, Leu704, Met742 et Met745.

Deux autres articles récents (Papa et coll., 2010 ; Yang et coll., 2010) ont pris en considération non seulement les PBDE, mais également d’autres retardateurs de flamme, comme le HBCD et le TBBPA. Yang et coll. (2010) proposent des modèles 3D-QSAR (ComSIA) corrects, avec de bons pouvoirs prédictifs (q2>0,8) et relativement bien corrélés aux données expérimentales (R²>0,9, voir figure 48.3). Ces modèles ont été obtenus à partir de 26 RFB, dont 17 PBDE. Aucune vérification sur l’ensemble extérieur à celui de préparation du modèle n’a été effectuée.

Dans l’article de Papa et coll. (2010), plusieurs modèles QSAR, caractérisés par une bonne précision et un bon pouvoir prédictif interne et externe (Qext entre 0,8 et 0,9), ont été proposés pour le BDE 209 et 34. Les modèles pour l’activité ER-agoniste suggèrent qu’aucun composé des familles considérées ne présente une activité élevée. En revanche, des activités modérées (100 nM<EC50<1 000 nM) ont été associées aux substitutions en ortho- de PBDE, en l’absence de bromes en position para-4,4’. Les BDE 100 et BDE 155, avec, respectivement des bromes en positions 2,2’,6 et 2,2’,6 et 6’, présentant une activité modérée, représentent une exception. Ainsi, tous les PBDE avec des bromes en position 3,3’,4 et 2’ ont une activité œstrogénique faible (EC50>1 000 nM). Enfin, les modèles proposés prévoient aussi des activités ER-agonistes significatives pour les mono-, tri-, et penta-bromophénols, l’hexabromobenzène, le HBCD et les mono-, di- et tri-bromobisphénol A.

Aucune étude détaillée sur l’interaction PBDE-récepteur n’a été recensée dans la littérature examinée. En revanche, les propriétés chimico-physiques (structure moléculaire, affinité électronique...) des PBDE ont fait l’objet de deux études atomistiques qui ont montré qu’elles peuvent être prévues par des méthodes propres à la chimie quantique (Hu et coll., 2005 ; Zhao et coll., 2008).

En conclusion, l’équipe de T. Hamers a étudié 27 composés polybromés pour leurs effets sur les récepteurs des œstrogènes alpha (ERα), des androgènes (AR), de la progestérone (PR), des hormones thyroïdiennes alpha (TRα) et de la dioxine (AhR) ainsi que sur l’enzyme en charge de la sulfatation de l’œstradiol et la protéine de transport de l’hormone thyroïdienne (transthyrétrine) sans montrer un effet de classe mais plutôt des effets variables selon les composés. Par ailleurs, plusieurs études ont suggéré que AhR pourrait être une cible de ces molécules, mais des études plus récentes montrent que la voie AhR n’est pas une cible pertinente pour les retardateurs de flamme.

Les études transcriptomiques ou protéomiques qui ont été menées avec des retardateurs de flamme sur des modèles poissons confirment qu’il est difficile de généraliser les effets et les modes d’action à l’échelle de l’ensemble des congénères de PBDE.

Les résultats de plusieurs travaux de criblage in vitro suggèrent que l’activité œstrogénique est associée à une faible bromation des PBDE alors que l’activité anti-œstrogénique est déterminée par un degré élevé de bromation. Les molécules substituées aux positions [2,2’,6] ou [2,2’,4]) ont une activité ER-agoniste. De même, le modèle QSAR lie l’activité AR-antagoniste à un bas degré de bromation et aux substitutions en ortho- (positions 2, 2’, 6 et 6’) ou ortho- et para- (positions 4 et 4’). Un groupe hydroxylique en position para- (positions 4 et 4’) augmente l’activité œstrogénique. La réduction de l’activité anti-androgène (accumulation de charges positives) est due aux substituants bromés en position para. En revanche, la présence des groupes hydrophobes en position ortho- provoque une augmentation de l’activité anti-androgénique. En croisant les informations théoriques du champ électrique et du champ hydrophobe, il a été suggéré que la présence d’un groupe électro-attracteur avec des propriétés hydrophobes en position ortho- maximise l’activité AR-antagoniste.

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