Développement de méthodes de spectrométrie de masse pour la caractérisation des Amines

240 Pages·2007·3.66 MB·French

N° d’ordre : 2478

THESE

Présentée pour obtenir

LE GRADE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

École doctorale : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries

Spécialité : Qualité et Sécurité des Aliments

Par Emilien JAMIN

Développement de méthodes de spectrométrie de masse
pour la caractérisation des Amines Aromatiques Hétérocycliques (AAH)
générées lors de la cuisson des aliments
et l’étude de leur réactivité vis-à-vis des bases de l’ADN

Soutenue le 14 mai 2007 devant le jury composé de :

M. Olivier LAPREVOTE Rapporteur
M. Bruno LE BIZEC Rapporteur
Mme. Hélène BUDZINSKI Examinatrice
M. Alain PERIQUET Examinateur
M. Jacques TULLIEZ Examinateur
M. Laurent DEBRAUWER Directeur de thèse
à mon père Emile
et ma mère Eliane
Avant-propos
Je tiens tout d’abord à remercier Olivier Laprévote et Bruno Le Bizec d’avoir accepté
d’être les rapporteurs de ce travail, ainsi que Hélène Budzinski, Alain Périquet et Jacques
Tulliez pour leur présence dans ce jury de thèse.

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été réalisés au sein de la plate-forme de
chimie analytique et structurale de l’UMR1089 Xénobiotiques INRA-ENVT à Toulouse, et
sous la direction de Laurent Debrauwer. Je souhaite le remercier chaleureusement pour
m’avoir accompagné tout au long de ces, presque, trois ans de thèse, de m’avoir fait
découvrir et apprécier les congrès scientifiques, ainsi que pour les longues soirées
consenties pour pouvoir rendre cette thèse dans les temps. Je n’oublie pas également les
autres longues soirées un peu moins professionnelles passées avec lui. En outre, j’ai connu
deux directeurs d’unité durant mon séjour au laboratoire des xénobiotiques, Jacques Tulliez
dans un premier temps, puis Jean-Pierre Cravédi, que je tiens également à remercier.

Cette thèse n’aurait pas pu être réalisée sans le soutien financier du Ministère
délégué à la Recherche, sous la forme d’une allocation de recherche versée par Institut
National Polytechnique (INP) de Toulouse dans le cadre de l’école doctorale Sciences
Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries (SEVAB). De plus, je tiens
remercier les deux personnes qui m’ont fait connaître l’unité des xénobiotiques et sans
lesquelles je n’aurais pas postulé à cette thèse, qui sont Jean-Claude Tabet et Alain Paris.
Je remercie également les membres de mon comité de pilotage : Jean-Claude Tabet,
Jacques Tulliez, Maurice Rabache et Claude Beaugrand, qui se sont réunis à deux reprises
pour me conseiller sur l’orientation de mes travaux.

Ces travaux n’auraient sans doute pas pu être soutenus si rapidement sans l’aide de
Alexia Carrere, Delphine Arquier et Catherine Touzet qui m’ont permis par le biais de leurs
stages d’avancer mes travaux d’une part, et d’apprendre à former des étudiants et à
transmettre mes connaissances d’autre part.

De nombreuses personnes de l’unité des xénobiotiques m’ont également apporté un
soutien scientifique, notamment Sylvie Chevolleau, Georges Delous et Nicole Gasc sur les
aspects d’extractions et de séparation chromatographique, Estelle Rathahao en
spectrométrie de masse, Isabelle Jouanin en synthèse organique, Cécile Canlet en RMN,
Marc Audebert sur les aspects de réparation de l’ADN, Patrick Rouimi et Jean-Philippe Jaeg
sur des aspects scientifiques généraux et que j’ai pu côtoyer au cours de mes nombreux
déménagements de bureau, ainsi que Delphine Bellocq qui a également réalisé une thèse
sur les AAH en parallèle de la mienne.

Travailler avec la source d’ionisation MAB, c’est une expérience à vivre… Cet
appareil, particulièrement capricieux, m’a presque fait perdre ma patience, mais pas
suffisamment pour ne pas souhaiter le réutiliser un jour. Dans ce combat quotidien contre la
machine, je remercie du fond du cœur toutes les personnes qui m’ont soutenu et
particulièrement Claude Beaugrand et Jérémie Ponthus qui nous ont apporté leur aide dans
la résolution des problèmes techniques.

Plusieurs de mes résultats ont été obtenus au sein de laboratoires extérieurs. A ce
titre, je remercie Nathalie Martins et Eric Leroy du service commun de spectrométrie de
masse FR2599, de l’Université Paul Sabatier de Toulouse, dirigé par Catherine Claparols
pour les analyses en impact électronique et en ionisation chimique. De même, je remercie
Estelle Rathahao de l’UMR0214-IAQA Laboratoire de Chimie Analytique INRA/INA Paris-
Grignon, ainsi que Denis Lesage de l’UMR7613 LSCOB de l’Université Paris 6, dirigée par
Jean-Claude Tabet pour les analyses sur le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap®.

Je souhaite également remercier toutes les personnes de l’unité des xénobiotiques
que je n’ai pas encore cités et qui ont participé à mon épanouissement au sein de ce
laboratoire, en particulier Julian, mon seul compatriote thésard masculin. Je tiens tout
particulièrement à remercier Pierre Guénot qui m’a fait découvrir la spectrométrie de masse
et qui ma transmis sa passion il y a quelques années. De même, je remercie
particulièrement mes parents qui ont accepté mes absences et mes silences prolongés
durant mes études réalisées dans des villes éloignées de ma Vendée natale, et qui m’ont
permis d’arriver là où j’en suis à ce jour.

Enfin, je tiens à remercier ma merveilleuse Céline pour tout ce qu’elle a fait et
accepté pour moi et ma thèse, en particulier durant les derniers mois.
- Sommaire -
Sommaire
Sommaire
Introduction Générale 1
Chapitre 1 : Contexte scientifique de l’étude des amines aromatiques
hétérocycliques 7
I Présentation des amines aromatiques hétérocycliques 9
I. 1 Structure des AAH 9
I. 2 Activité mutagène des AAH 12
I. 3 Propriétés cancérigènes des AAH 14
I. 4 Evaluation de l’activité cancérigène des AAH chez l’Homme 15
II Formation et quantités des AAH dans les viandes cuites 17
II. 1 Mécanismes de formation des AAH 17
II. 2 Facteurs influençant la formation d’AAH dans les viandes cuites 20
II. 3 Niveaux d’exposition aux AAH dans les viandes cuites 23
III Méthodologies de quantification des AAH dans les viandes cuites 26
III. 1 Méthodes de calibration 26
III. 2 Protocoles d’extraction et de purification 27
III. 3 Méthodes de séparation et de détection des AAH 31
IV Conclusion et problématique de la quantification des AAH 40
V Activation métabolique et génotoxicité des AAH 41
V. 1 Métabolisme des AAH 41
V. 2 Adduits covalents formés avec les bases de l’ADN 44
V. 3 Génotoxicité des AAH 48
V. 3. a Mécanismes conduisant à l’apparition de mutations : la mutagenèse 49
V. 3. b Mécanismes entraînant l’apparition de cancer : la cancérogenèse 50
V. 3. c Conséquences de la formation des adduits entre les AAH et les
bases de l’ADN 50
VI Méthodes analytiques d’étude des adduits à l’ADN 53
VI. 1 Détection et quantification des adduits covalents 53
VI. 1. a Méthodes analytiques de détection des adduits covalents 53
VI. 1. b Quantités d’adduits formés entre les AAH et les bases de l’ADN 57
VI. 2 Analyse par spectrométrie de masse des oligonucléotides modifiés 58
VII Conclusion et problématique de l’étude de la génotoxicité des AAH 62
Bibliographie 64
i
Sommaire
Chapitre 2 : Application de la spectrométrie de masse avec ionisation
par bombardement d’atomes métastables pour la caractérisation des
AAH dans les viandes cuites 77
I Présentation de l’étude 79
II Présentation de l’ionisation par Bombardement d’Atomes Métastables
(MAB) 80
II. 1 Formation des espèces métastables 80
II. 2 Ionisation par bombardement d’atomes métastables 81
II. 3 Instrumentation 84
III Démarche scientifique et instrumentale 88
III. 1 Caractérisation des AAH par spectrométrie de masse Py-MAB-ToF 89
III. 2 Quantification des AAH par Py-MAB-ToF dans des viandes cuites 90
III. 3 Quantification des AAH par LC-MS/MS dans les viandes cuites 92
IV Conclusions et perspectives 96
V Article 1 : Assessment of metastable atom bombardment (MAB) ionization
mass spectrometry for the fast determination of heterocyclic aromatic
amines in cooked meat 99
VI Article 2 : Dosage par LC-APCI-MS/MS des amines aromatiques
hétérocycliques formées lors de la cuisson des viandes 113
Chapitre 3 : Etude de la formation des adduits covalents entre les
désoxynucléosides et les amines aromatiques hétérocycliques 131
I Présentation de l’étude 133
II Démarche scientifique et instrumentale 135
II. 1 Synthèses chimiques des adduits désoxynucléosides – AAH 135
II. 2 Analyses par LC-MSn des adduits désoxynucléosides – AAH 136
II. 3 Caractérisation structurale des adduits désoxynucléosides – AAH 138
III Conclusions et perspectives 140
IV Article 3 : New insights in the formation of deoxynucleoside adducts with
2-amino-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP) and 2-amino-3-methyl-3H-
imidazo[4,5-f]quinoline (IQ) 143
ii
Sommaire
Chapitre 4 : Etude de la formation des adduits covalents entre des
oligonucléotides modèles et les amines aromatiques hétérocycliques 165
I Présentation de l’étude 167
II Démarche scientifique et instrumentale 168
II. 1 Synthèses chimiques des adduits oligonucléotides – AAH 169
II. 2 Analyses par LC-MS/MS des adduits oligonucléotides – AAH 169
II. 3 Localisation de l’adduit sur la séquence oligonucléotidique 170
II. 4 Développement d’un programme d’attribution des fragments des oligo-
nucléotides 170
II. 5 Comparaison des taux de modification des oligonucléotides 173
II. 6 Analyse d’adduits supplémentaires générés entre les AAH et les oligo-
nucléotides 174
II. 7 Identification des adduits générés avec les oligonucléotides 175
III Conclusions et perspectives 180
IV Article 4 : Mass spectrometric investigation of the sequence selectivity for
adduction of Heterocyclic Aromatic Amines with oligonucleotides 185
Conclusion Générale 203
Annexes 209
1 Concentrations des AAH quantifiées dans des viandes cuites 211
2 Spectres de masse Py-MAB-ToF de IQ 219
3 Spectre de masse EI (70eV) de IQ 221
4 Abréviations 223
ii i
Sommaire
Liste des Tableaux et Figures
Chapitre 1 : Contexte scientifique de l’étude des amines aromatiques
hétérocycliques.
Tableau 1. Liste des AAH appartenant à la famille des carbolines. 10
Tableau 2. Liste des AAH appartenant à la famille des quinolines. 10
Tableau 3. Liste des AAH appartenant à la famille des quinoxalines. 11
Tableau 4. Liste des AAH appartenant à la famille des pyridines. 11
Tableau 5. Liste des AAH appartenant aux autres types de structures. 12
Tableau 6. Activité mutagène dans S. typhimurium d’AAH et de substances cancérigènes. 13
Tableau 7. Cancers induits par les AAH chez les animaux de laboratoire. 15
Tableau 8. Exemples de colonnes HPLC utilisées pour la caractérisation des AAH. 33
Tableau 9. Quantités minimales et maximales d’adduits présents dans des organes
d’animaux de laboratoire exposés aux AAH. 55

Figure 1. Noms, abréviations et structures des aminophényl-β-carbolines. 13
Figure 2. Mécanisme de formation de norharman à partir du tryptophane. 17
Figure 3. Mécanisme de formation des quinolines et quinoxalines. 18
Figure 4. Schéma global de formation de la pyrazine par la réaction de Maillard. 19
Figure 5. Autre mécanisme proposé pour la formation des quinolines et quinoxalines. 19
Figure 6. Mécanisme de formation de PhIP à partir de phénylalanine et de créatinine. 20
Figure 7. Cinétiques de formation de IQx et MeIQx. 21
Figure 8. Concentrations moyennes des AAH dosées dans la viande cuite de poulet,
bœuf, poisson et porc. 25
Figure 9. Concentrations moyennes des AAH dosées dans la viande cuite de dinde,
agneau, bacon et saucisses/merguez. 25
Figure 10. Protocoles d’extraction et de purification des AAH dans les viandes cuites,
proposés par Gross (a), Gross et Grüter (b), Perfetti (c) et Messner (d). 30
Figure 11. Schéma de la source ESI et principe de l’ionisation/désorption par
Electrospray. 36
Figure 12. Schéma de la source APCI et principe de l’ionisation par APCI. 37
Figure 13. Principales voies métaboliques des AAH chez l’animal et l’Homme. 42
Figure 14. Voies métaboliques suivies par les N-hydroxylamines conduisant à la formation
d’adduits covalents avec les bases de l’ADN. 43
Figure 15. Structures des espèces constituant l’ADN. 45
Figure 16. Mécanismes induits par la formation d’adduits dG-N7 : la dépurination (a), la
formation de lésions FAPy (b) et le réarrangement en adduit dG-C8 (c). 46
Figure 17. Structures des adduits formés entre les AAH et les bases de l’ADN. 48
Figure 18. Stratégie générale d’isolement des adduits à l’ADN avant leur détection. 53
Figure 19. Méthodologie générale de l’analyse d’adduits par postmarquage au 32P. 54
v
Sommaire
Figure 20. Mécanisme proposé pour la fragmentation d’un désoxynucléoside modifié
conduisant à la perte du désoxyribose. 57
Figure 21. Nomenclature des fragments des oligonucléotides selon McLuckey. 58
Figure 22. Mécanismes de formation des fragments [M-B], w, a et (a-B) proposés par
McLuckey (a), Rodgers (b), Barry (c), Bartlett (d) et Wan (e). 61
Chapitre 2 : Application de la spectrométrie de masse avec ionisation
par bombardement d’atomes métastables pour la caractérisation des
AAH dans les viandes cuites.
Tableau 1. Caractéristiques des états métastables des gaz rares et de l’azote moléculaire
utilisables pour l’ionisation MAB. 81
Tableau 2. Paramètres utilisés pour maintenir un plasma d’atomes métastables. 87
Tableau 3. Valeurs d’énergie d’ionisation de différents composés constituant la structure
des AAH étudiées. 89
Tableau 4. Ions fragments observés sur les spectres MS/MS des AAH avec un analyseur
triple quadripolaire associé à une source d’ionisation APCI en mode positif. 93
Tableau 5. Quantités d’AAH en ng/g mesurées par LC-MS/MS et Py-MAB-ToF dans deux
échantillons de filets de poulet cuits. 96

Figure 1. Processus d’ionisation Penning d’une molécule BC par une espèce métastable
A*. 82
Figure 2. Schéma du spectromètre de masse Py-MAB-ToF. 85
Figure 3. Schéma de la canne de pyrolyse modifiée. 86
Figure 4. Schéma de la source d’ionisation du spectromètre de masse Py-MAB-ToF. 87
Figure 5. Visualisation du spectromètre de masse Py-MAB-ToF en fonctionnement. 87
Figure 7. Spectres de masse Py-MAB-ToF N d’un échantillon de filet de poulet cuit au
2
four micro-ondes, surchargé en AAH (a) et non surchargé (b). 92
Chapitre 3 : Etude de la formation des adduits covalents entre les
désoxynucléosides et les amines aromatiques hétérocycliques.
Tableau 1. Liste des adduits observés entre les désoxynucléosides et PhIP ou IQ. 140

Figure 1. Structures de PhIP et IQ. 134
Figure 2. Schémas de synthèse des adduits entre les désoxynucléosides et PhIP (a) ou
IQ (b). 136
Figure 3. Schéma du spectromètre de masse LCQ®. 138
Figure 4. Schéma du spectromètre de masse hybride LTQ-Orbitrap®. 138
vi