Blood speciation profile of cadmium for biomonitoring of exposed workers.
Spéciation du cadmium sanguin pour évaluer l'exposition au cadmium des travailleurs.
Résumé
Cadmium is a toxic metal that can cause adverse health effects such as kidney, bone, and liver damage, even at very low concentrations. By reason of its proven carcinogenicity in humans, it is classified as a Group 1 carcinogen by the IARC. 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 PhD thesis focuses on the development of specific analysis methods of cadmium in blood as a relevant biomarker of occupational exposure. The pharmacokinetics of cadmium in blood highlights two phases of elimination, depending on its different physicochemical forms: a short one (less than three months) and a long one (over ten years). Both were studied from two types of blood-fraction analysis (erythrocytes and plasma). In addition, cadmium speciation in plasma was also implemented to differentiate cadmium-protein complexes. These methods were adjusted so as to work on micro volumes. Initially, erythrocyte analysis using single-cell approaches was validated, and the performance levels of scICP-MS and scICP-MS/MS were compared. These techniques proved precise and sensitive, particularly in scICP-MS/MS mode, thanks to optimized interference management. The latter also demonstrated high efficiency for analyzing blood micro 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 supplemented 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, these methods were tested in real conditions and compared with conventional analyses conducted during an occupational 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, low exposure levels did not allow the quantification of metallothioneins and intra-erythrocyte cadmium by single-cell ICP-MS. In conclusion, this work proposes innovative and sensitive methods for cadmium quantification in erythrocytes and cadmium speciation in plasma. These methods, applicable to the biological monitoring of exposed workers, will also contribute to a better understanding of cadmium distribution and metabolism in the human body. Furthermore, these methods will be easily deployed for the determination of other metals of interest.
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 est donc essentielle et doit reposer 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 de pouvoir réaliser l’analyse sur des micro-prélèvements. Dans un premier temps, l’analyse des érythrocytes par single cell a été validée et les performances des modes scICP-MS et scICP-MS/MS ont été comparées. Ces techniques se sont révélées précises et sensibles, notamment le mode scICP-MS/MS, grâce à une gestion optimisée des interférences. La méthode développée a 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, ces nouvelles 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 niveaux d’exposition faibles n’ont pas permis de quantifier les métallothionéines et le cadmium intra-érythrocytaire par single cell ICP-MS. 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 méthodes, 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. En outre, elles pourront aisément être déployées pour la détermination d’autres métaux d’intérêts.
Domaines
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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