Effets du désoxynivalénol, des produits
antimycotoxiques et des antioxydants sur la
digestibilité, la physiologie intestinale et le statut
oxydatif chez le porcelet
Thèse
Bich Van LE THANH
Doctorat en sciences animales
Philosophiae Doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
iii
RÉSUMÉ
La présente étude avait pour objectif d’évaluer et comparer le potentiel de produits anti-mycotoxiniques et d’antioxydants non-enzymatiques à prévenir des effets indésirables du désoxynivalénol (DON) sur les performances de croissance, la digestibilité, la morphologie intestinale, l’activité des enzymes antioxydants et le statut oxydatif du porcelet. Dans une première expérience, les effets néfastes du DON et la capacité anti-mycotoxinique de quatre produits commerciaux (Intégrale, Biofix Plus, MXM et Défusion) ont été évaluée chez soixante porcelets sevrés et nourris avec des aliments contaminés par le DON. La concentration de 4 mg kg-1 de DON peut causer une chute de la prise alimentaire et de l’efficacité alimentaire ainsi que réduire la
digestibilité de la matière sèche, du gras et de l’énergie par la diminution de la hauteur des villosités chez les porcelets contaminés au DON et, créer un stress oxydatif dans le jéjunum. Les anti-mycotoxines ont partiellement modifié le statut oxydatif de la muqueuse intestinale, et le seul additif anti-mycotoxinique, Defusion, pouvait rétablir la croissance et la hauteur des villosités. Dans une seconde expérimentation, les effets négatifs du DON et la capacité antioxydante des produits non-enzymatiques tels que les vitamines (A, E et C), le sélenium organique (Se) / glutathione (GSH), la quercétine et la combinaison des antioxydants précédents ont été testés chez soixante douze porcelets sevrés et nourris avec des aliments contaminés au DON-ZEN (zéaralénone). Les effets néfastes de 3 mg kg-1 de DON n’ont pas été identifiés sur la prise
alimentaire et l’efficacité alimentaire. Le stress oxydatif causé par le DON n’a pas été bien identifié dans le système systémique et la muqueuse intestinale. La présence de ZEN dans les traitements expérimentaux pouvait influencer sur l’évaluation des performances de croissance chez ces porcelets. La combinaison des antioxydants non-enzymatiques peut réduire le stress oxydatif en diminuant la teneur en malondialdéhyde (MDA) dans le plasma, le foie et dans l’iléon ainsi que la division cellulaire (PCNA) dans le jéjunum. Les résultats de deux études ont caractérisé les impacts du DON sur les performances de croissance, la digestibilité, la morphologie intestinale et le statut antioxydant. L’efficacité des produits anti-mycotoxiniques et des antioxydants non-enzymatiques a été déterminée pour la lutte contre le DON. Des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer les effets du DON sur les autres organes (le foie et les reins) et, le temps d’exposition au DON plus de trois semaines serait requis pour les prochaines expérimentations.
v
SUMMARY
The aim of this study was to evaluate and compare the potential of anti-mycotoxin additives and non-enzymatic antioxidant substrates in preventing the effects of deoxynivalenol (DON) on growth performance, digestibility, intestinal morphology, antioxidant enzyme activities and oxidative status in piglets. In the first experiment, the adverse effects of DON and the antimycotoxin ability of four antimycotoxin products (Integral, Biofix Plus, MXM and Defusion) against DON were evaluated in sixty weaned piglets fed with the DON-contaminated diets. The concentration of 4 mg kg-1 of DON could reduce feed intake and feed efficiency, as
well as decrease digestibility of dry matter, fat and energy by reducing the villus height of piglets fed the DON-contaminated diets and creat an oxidative stress in jejunum. The antimycotoxin products modified partially oxidative status of the intestinal mucosa, and the only antimycotoxin, Defusion, could restore the growth performance and the villus height. In the second experiment, the adverse effects of DON and the antioxidant ability of non-enzymatic antioxidants such as vitamins (A, E and C), selenium (Se) / glutathione (GSH), quercetin and the combination of both of non-enzymatic antioxidants were tested in seventy-two weaned piglets fed with the DON-ZEN (zearalenone)-contaminated diets. The adverse effects of 3 mg kg-1 of DON was
not observed on feed intake and feed efficiency. The oxidative stress induced by DON was not well characterized in the systemic system and intestinal mucosa. The presence of ZEN in experimental diets could influence on the evaluation of growth performance of piglets. Combination of non-enzymatic antioxidants could reduce the oxidative stress by decreasing the concentration of malondialdehyde (MDA) in plasma, liver and ileum, as well as the cell division (PCNA) in the jejunum. The results of two studies have characterized the impacts of DON on growth performance, digestibility, intestinal morphology and antioxidant status. The efficacy of antimycotoxin products and non-enzymatic antioxidants were determined for DON-prevention. Further studies are needed to assess the effects of DON in other organs (liver and kidneys), and the time of exposure to DON more than three weeks may be required for the next experiments.
vii
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ... iii
SUMMARY ... v
TABLE DES MATIÈRES ... vii
LISTE DES TABLEAUX ... xi
LISTE DES FIGURES ... xiii
LISTE DES ABRÉVIATIONS ... xv
REMERCIEMENTS ... xxiii
AVANT-PROPOS ... xxv
Chapitre 1.INTRODUCTION ... 1
Chapitre 2. REVUE DES TRAVAUX ANTÉRIEURS ... 3
2.1. Problématique ... 3
2.2. Caractérisation des mycotoxines ... 4
2.2.1. Aflatoxines ... 6
2.2.2. Les mycotoxines de Fusarium ... 6
2.2.3. Ochratoxine ... 11
2.3. Toxicologie et santé animale: cas du DON ... 14
2.3.1. Généralité ... 14
2.3.2. Biochimie et hématologie ... 15
2.4. Toxicocinétique et résidus du DON ... 16
2.4.1. Toxicocinétique ... 16
2.4.2. Résidus... 23
2.5. Synergie entre différentes mycotoxines ... 25
2.6. Moyens de lutte contre DON ... 26
2.6.1. Diminution de la biodisponibilité des mycotoxines par adsorption ... 26
2.6.2. Adsorbants minéraux ... 27
2.6.3. Adsorbants biologiques ... 29
2.7. Détoxification de mycotoxines par transformation ... 34
2.8. Antioxydants et désoxynivalénol ... 37
viii
2.8.2. Effets des trichothécènes sur les antioxydants ... 40
2.8.3. Effets des agents antioxydants sur la toxicité des trichothécènes ... 40
2.8.5. Résumé ... 43
2.9. Muqueuse intestinale ... 44
2.9.1. Fonction barrière ... 44
2.9.2. Effets des mycotoxines sur la barrière intestinale ... 44
2.10. Hypothèses de travail et objectifs ... 45
2.10.1. Hypothèses de travail ... 45
2.10.2. Objectifs ... 46
Liste des ouvrages cités ... 47
Chapitre 3. The efficacy of anti-mycotoxin feed additives in preventing the adverse effects of wheat naturally-contaminated with Fusarium mycotoxins on performance, intestinal barrier function and nutrient digestibility and retention in weanling pigs ... 77
Abstract ... 79
Résumé ... 80
Hypothèse ... 81
3.1. Introduction ... 81
3.2. Materials and methods ... 82
3.2.1. Dietary treatments ... 82
3.2.2. Experimental procedures ... 85
3.2.3. Laboratory analysis ... 86
3.2.4. Histological analysis of small intestinal epithelium ... 87
3.2.5. Data calculation and statistical analyses ... 88
3.3. Results ... 89
3.3.1. Growth performance ... 89
3.3.2. Digestibility and retention of nutrients ... 91
3.3.3. Intestinal enzyme activity, intestinal morphology and lactulose:mannitol ratio... 94
3.3.4. Serum DON and DOM-1 concentration ... 96
3.4. Discussion ... 98
3.4.1. Effects of DON and anti-mycotoxin additives on growth performance of piglets... 98
3.4.2. Effects of DON and anti-mycotoxin additives on digestibility and retention of dietary components ... 100
ix
References ... 103
Chapitre 4. Antioxidant capacity in the intestinal mucosa of weanling piglets fed diets containing Fusarium mycotoxins and the efficacy of commercial complements sold as detoxifiers ... 109
Abstract ... 111
Résumé ... 112
Hypothèse ... 113
4.1. Introduction ... 113
4.2. Materials and methods ... 114
4.2.1. Dietary treatments ... 114 4.2.2. Experimental procedures ... 116 4.2.3. Laboratory analysis ... 116 4.2.4. Statistical analyses ... 116 4.3. Results ... 117 4.4. Discussion ... 119 References ... 123
Chapitre 5. Antioxidant activity and oxidative status of intestinal mucosa and plasma in weanling piglets fed a naturally Fusarium contaminated diet ... 127
Abstract ... 129
Résumé ... 130
Hypothèse ... 131
5.1. Introduction ... 131
5.2. Materials and methods ... 132
5.2.1. Dietary treatments ... 132
5.2.2. Experimental procedures ... 134
5.2.3. Laboratory analysis ... 135
5.2.4. Statistical analyses ... 141
5.3. Results ... 142
5.3.1. Effects of DON-ZEN and antioxidant supplements on growth performance ... 142
5.3.2. Effects of DON-ZEN and antioxidant products on antioxidant status in piglet plasma ... 144
5.3.3. Effects of DON-ZEN and antioxidant products on antioxidant status of the intestinal mucosa ... 146
5.3.4. Effects of DON-ZEN and antioxidant products on the quantification of gene expression in the intestinal mucosa using real-time PCR ... 148
x 5.3.5. Effects of DON-ZEN and antioxidant products on the activity of antioxidant enzymes and
concentrations of MDA in the liver ... 150
5.3.6. Effects of DON-ZEN and antioxidant products on the intestinal mucosa ... 152
5.3.7. Effects of DON-ZEN and antioxidant products on plasma DON and DOM-1 concentrations ... 154
5.4. Discussion ... 156
5.4.1. Effects of DON-ZEN and non-enzymatic antioxidant supplements on growth performance ... 156
5.4.2. Effects of DON-ZEN and non-enzymatic antioxidant supplements on oxidative stress in plasma and liver ... 157
5.4.3. Effects of DON-ZEN and non-enzymatic antioxidant supplementation on the intestinal mucosa . 160 5.4.4. DON residue and its metabolite DOM-1 in the plasma ... 163
References ... 165
Chapitre 6. DISCUSSION GÉNÉRALE ... 173
6.1. Rappel des objectifs ... 173
6.2. Critères expérimentaux ... 174
6.3. Discussion générale ... 175
CONCLUSION ... 179
xi
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1. Limite réglementaire des AFs et les limites recommandées de quatre principales mycotoxines
retrouvées dans les rations pour les porcs aux États-Unis, en Europe et au Canada ……… 5
Tableau 2.2. Tableau récapitulatif de la toxicité de différentes mycotoxines ………..13 Tableau 2.3. Résidus de DON dans les muscles, le foie et le rein suite à une administration unique chez le
porc ………. 24
Tableau 2.4. Adsorption de différentes mycotoxines par des levures ou produits dérivés de levure ………….31 Tableau 2.5. Adsorption de différentes mycotoxines par des bactéries lactiques ……….33 Tableau 2.6. Transformation du désoxynivalénol par différents micro-organismes ………..36 Tableau 2.7. Effets de DON sur le système antioxydant et les tissus cibles chez quelques espèces animales
………...38
Table 3.1. Composition of the experimental diets (as-fed basis) ………..84 Table 3.2. Average daily gain (ADG), average daily feed intake (ADFI) and feed efficiency (G:F) of weanling
piglets fed diets contaminated with deoxynivalenol (DON) and supplemented with different anti-mycotoxin additives ………..90
Table 3.3. Daily nitrogen, phosphorus and calcium balances, and digestibility of dry matter, energy and fat of
weanling piglets fed diets contaminated with deoxynivalenol (DON) and supplemented with different anti-mycotoxin additives ……….. 93
Table 3.4. Crypt depth and villus height in the jejunal and ileal mucosa, and urine recovery (% of administered
doses) of mannitol and lactulose, and urine lactulose:mannitol ratios of weanling piglets fed diets contaminated with deoxynivalenol (DON) and antimycotoxins ……….. 95
Table 3.5. Serum DON and DOM-1 concentrations in weanling piglets fed diets contaminated with
deoxynivalenol (DON) and supplemented with different anti-mycotoxin additives ……….97
xii
Table 4.2. Antioxidant enzyme activity and malondialdehyde concentrations in the intestinal mucosa of piglets
fed a control diet, a DON-rich diet, or a DON-rich diet supplemented with one of four detoxifying feed additives ……… 118
Table 5.1. Composition of the experimental diets ……….133 Table 5.2. List of genes and sequences of the primers used in real-time PCR ………139 Table 5.3. Average daily gain (ADG), average daily feed intake (ADFI) and feed efficiency (G:F) in weanling
piglets fed a naturally DON-contaminated diet supplemented or not with an antioxidant ……….. 143
Table 5.4. Concentrations of vitamins A, C and E, ferric reducing ability of plasma (FRAP), malondialdehyde
(MDA) in the plasma of weanling piglets fed a naturally DON-contaminated diet supplemented with antioxidant or antioxidant combination products ………145
Table 5.5. Antioxidant enzyme activity and malondialdehyde concentration in the intestinal mucosa of
weanling piglets fed a naturally DON-contaminated diet supplemented with an antioxidant product ……….. 147
Table 5.6. Quantification of gene expression by real-time PCR in the intestinal mucosa of weanling piglets fed
a naturally DON-contaminated diet supplemented with an antioxidant product ………...149
Table 5.7. Activity of antioxidant enzymes and malondialdehyde concentration in the liver of weanling piglets
fed a naturally DON–contaminated diet supplemented with the antioxidant products ……… 151
Table 5.8. Intestinal physiology measurements in the jejunal and ileal mucosa of weanling piglets fed a
naturally DON-contaminated diet supplemented with antioxidant products ………. 153
Table 5.9. Plasma DON and DOM-1 concentrations in weanling piglets fed naturally DON-contaminated diets
xiii
LISTE DES FIGURES
Figure 2.1. Diversité structurelle des mycotoxines majeures (Bennett et Klich, 2003) ……….. 8 Figure 2.2. Distribution plasmatique et tissulaire du désoxynivalénol après l’administration intraveineuse d’une
dose de 1 mg kg-1 de poids vif chez le porc (Prelusky et Trenholm, 1991) ………18
Figure 2.3. Évolution des concentrations de désoxynivalénol dans le plasma, la bile et les urines après
xv
LISTE DES ABRÉVIATIONS
3-ADON, 3-acétyldésoxynivalénol 15-ADON, 15-acétyldésoxynivalénol ACN, acetonitrile
ADFI, average daily feed intake ADG, average daily gain ADN, acide désoxyribonucléique AF, aflatoxine
AFB1, aflatoxine B1
AFSSA, Agence française de sécurité sanitaire des aliments AGM, adsorbant glucomannane
APN, aminopeptidase
ARNm, acide ribonucléique messager ATP, adénosine triphosphate
BW, body weight
CAST, Council for Agriculture et Science Technology CAT, catalase
cDNA, complementary deoxyribonucleic acid CEI, cellule épithéliale intestinale
xvi
CMQ, consommation moyenne quotidienne CONT, contaminated
COX-2, cyclooxygénase 2
DAS, diacétoxyscirpénol, anguidine DL, dose léthale
DOM-1, dé-époxy-désoxynivalénol
DON, deoxynivalenol, désoxynivalénol, vomitoxine EDTA, acide éthylène diamine tétra acétique EGCG, épigallocatéchine gallate
ELISA, enzyme-linked immunosorbent assay, essai d'immuno-absorption enzymatique
FAO, Food et Agricultural Organization of the United Nations, Organisation des Nations Unies pour
l'alimentation et l'agriculture
FB1, fumonisine B1
FRAP, ferric reducing ability of plasma F-X, fusarénone-X
G:F ratio, gain over feed ratio, indice de conversion GGT, gamma-glutamyl-transférase
GMQ, gain moyen quotidien GPx, glutathione peroxidase
GPX, glutathion peroxydase gene
xvii
GSH, glutathione, glutathion
GSH-Px (GPx), glutathione peroxidase, glutathion peroxydase GSSG, glutathione disulfide, disulfure de glutathion
GST, glutathione S-transferase, glutathione S-transférase H2O2, hydrogen peroxide, peroxyde d’hydrogène
HPLC, high-performance liquid chromatography, chromatographie liquide à haute performance HSCAS, hydrated sodium calcium aluminosilicate, aluminosilicates de sodium et calcium hydratés IAC, immuno affinity column
IFN, interféron IgA, immunoglobuline A IgG, immunoglobuline G IgM, immunoglobuline M IL, interleukine i.m., intramusculaire
IPEC-1, porcine intestinal epithelial cell line i.v., intraveineuse
LCR, liquide céphalo rachidien
MAP kinase, mitogen activated protein kinase MDA, malondialdéhyde
MICI, maladies inflammatoires chroniques intestinales MIP-2, macrophage inflammatory protein 2
xviii
mRNA, messenger ribonucleic acid, acide ribonucléique messager ND, not determined, non déterminé
NIV, nivalénol
NRC, National Research Council (Canada) OCLN, occludine
OTA, ochratoxine A PAT, patuline
PBS, phosphate buffered saline PCNA, proliferating cell nuclear antigen
PCR, polymerase chain reaction, réaction de polymérisation en chaîne ppb, parts per billion, partie par milliard
ppm, partie par million PV, poids vif
RNA, ribonucleic acid, acide ribonucléique
ROS, reactive oxygen species, dérivé réactif de l’oxygène Se, sélénium
SEM, standard error of the mean, erreur-type SNC, système nerveux central
SOD, superoxide dismutase, superoxyde dismutase TAC, total antioxidant capacity, capacité antioxydante totale TBA, thiobarbituric acid, acide thiobarbiturique
xix
TBT, tributyltin, tributylétain
TEER, TER, trans-epithelial electric resistance, résistance électrique transépithéliale TGI, tractus gastrointestinal
TJ, tight junction, jonction serrée
TNF, tumor necrosis factor, facteur de nécrose tumorale UV, ultraviolet
XO, xanthine oxidase ZEN, zéaralénone
xxi
À ma famille, à mes parents et à mes proches,
pour la patience et la générosité dont ils ont
fait preuve, tout au long de mes longues
années d’études. Avec tout mon amour et
toute ma reconnaissance.
xxiii
REMERCIEMENTS
Avant tout, je tiens à remercier tous ceux qui ont participé de près ou de loin à la réussite de ce projet et de cette thèse.
Je souhaite remercier particulièrement M. Frédéric GUAY, mon directeur de thèse, qui m’a permis de réaliser ce projet et m’a fait le grand honneur de superviser mon travail. En témoignage de reconnaissance pour l’enseignement que vous m’avez donné durant mes études du doctorat, veuillez trouver ici l’expression de ma profonde gratitude et de mon respect.
Je tiens également à remercier M. Martin LESSARD et Dr. Younès CHORFI, mes codirecteurs de thèse, qui m’ont guidé pour avoir répondu à mes nombreuses questions et pour leurs conseils. Veuillez bien trouver ici le témoignage de ma gratitude et hommages respectueux.
Des remerciements s’adressent également à M. Jean-François BERNIER et Mme. Rachel GERVAIS qui m’ont permis d’assister à leurs cours pour mettre à jour mes connaissances dans les domaines de la nutrition et de l’alimentation animale.
Je désire également remercier les personnes qui ont accepté de faire partie de mon jury de thèse. Veuillez trouver ici l’expression de toute ma gratitude. Je remercie aussi Swine Innovation Porc (Canadian Swine Research et Development Cluster, CSRDC), le Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation (MAPAQ), Agriculture et Agroalimentaire Canada et Centre de Recherche en Infectiologie Porcine et Avicole (CRIPA) pour leur aide financière.
Enfin, un merci s’adresse particulièrement à Mme. Alyne LAVOIE, à Dr. Roger RUPPANNER, M. Grant VANDENBERG, M. Dany CINQ-MARS et M. Guy BEAUCHAMP qui m’ont exhorté et donné des renseignements précieux. Je leur exprime ma profonde gratitude et mes sentiments respectueux.
xxv
AVANT-PROPOS
Cette thèse est issue du projet de doctorat en sciences animales que j’ai réalisé dans le but d’obtenir le grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.). J’ai suivi ce programme au département de sciences animales de l’Université Laval au Québec.
Au cours de ce projet, j’ai réalisé des expériences concernant les effets du désoxynivalénol, ainsi que des adsorbants anti-mycotoxiques et des antioxydants non-enzymatiques sur les performances de croissance, la digestibilité, la morphologie intestinale et le statut oxydatif chez le porc. L’expérience de laboratoire et les techniques acquises au cours du projet de doctorat en nutrition porcine me procurent une bonne base pour valoriser des co-produits, des ingrédients alternatifs et des grains contaminés en élevage porcin.
Vous trouverez donc dans cette thèse, les résultats de mes recherches que je qualifierais d’enrichissant à titre personnel. Dans le premier projet de ce programme de doctorat, les effets de désoxynivalénol et des additifs antimycotoxiques ont été évalués sur les performances de croissance, la digestibilité, la rétention des nutriments, la physiologie intestinale et le statut oxydatif de l’intestin grêle chez les porcelets sevrés. Les résultats ont été présentés dans un article scientifique et dans une brève communication scientifique. Dans le deuxième projet, les effets de désoxynivalénol et des antioxydants non-enzymatiques ont été étudiés sur les performances de croissance, la physiologie intestinale et le statut oxydatif de l’intestin grêle chez les porcelets sevrés. Les résultats de ce projet ont été présentés dans un article scientifique.
Le premier article scientifique, intitulé «The efficacy of anti-mycotoxin feed additives in preventing the adverse effects of wheat naturally-contaminated with Fusarium mycotoxins on performance, intestinal barrier function and nutrient digestibility and retention in weanling pigs » et présenté dans cette thèse, a été accepté pour publication par le Canadian Journal of Animal Science le 1er février 2015 (identité du manuscrit :
CJAS-2014-126.R2). Dans cet article, je suis la première auteure et M. Frédéric GUAY, M. Martin LESSARD et Dr. Younès CHORFI ont participé à l’interprétation des résultats et à la rédaction de cet article.
La brève communication scientifique, intitulée « Antioxidant capacity in the intestinal mucosa of weanling piglets fed diets containing Fusarium mycotoxins and the efficacy of commercial supplements sold as detoxifiers » et présentée dans cette thèse, a été accepté pour publication par le Canadian Journal of Animal Science le 10 août 2015 (identité du manuscrite : CJAS-2015-037.R2). Dans cette brève communication, je suis la première auteure et M. Frédéric GUAY, M. Martin LESSARD et Dr. Younès CHORFI ont participé à l’interprétation des résultats et à la rédaction de cet article.
xxvi Le troisième article scientifique, intitulé « Antioxidant activity and oxidative status of intestinal mucosa and plasma in weanling piglets fed diets containing Fusarium mycotoxins » et présenté dans cette thèse, est en révision interne. Dans cet article, je suis la première auteure, M. Frédéric GUAY, M. Martin LESSARD et Dr. Younès CHORFI ont participé à interpréter les résultats et à rédiger cet article. L’étudiant à la maîtrise, Mr. Michel LEMAY, s’occupait des analyses de laboratoire touchant l’expression des gènes, les antioxydants non-enzymatiques dans le plasma (vitamines A, C et E) et le FRAP. Le spécialiste en microscopie, M. Alexandre BASTIEN, a participé à programmer les macros pour interpréter des résultats morphologiques des intestins grêles.
1
Chapitre 1
INTRODUCTION
Les mycotoxines sont des substances toxiques sécrétées par des champignons microscopiques ou moisissures telles que celles des genres Aspergillus, Penicillium ou Fusarium. Elles sont des composés de faible poids moléculaire non volatils à température ambiante. Il existe environ entre 200 000 et 300 000 espèces de moisissures, et entre 300 et 400 mycotoxines (Bhatnagar et al., 2002; Mattsson, 2007). Parmi ces mycotoxines, certaines ont attiré une attention particulière, c'est-à-dire que leur quantité dans les aliments est réglementée en fonction de leur prévalence élevée dans les matières premières (céréales, fruits, boissons, café, produits d’origine animale) ou que leur toxicité est élevée chez les humains et les animaux (Maresca et Fantini, 2010). Les mycotoxines considérées comme les plus importantes du point de vue agro-alimentaire et sanitaire sont les aflatoxines (AF), principalement AFB1; les ochratoxines, surtout l’ochratoxine A (OTA); les trichothécènes tels que la toxine T-2 et le désoxynivalénol (DON); les fumonisines, comme FB1; la patuline (PAT) et la zéaralénone (ZEN) (Bryden, 2007; Osweiler, 2000; Pineiro, 2003). En effet, l’intoxication par ces toxines à des doses élevées entraîne une cytotoxicité générale liée habituellement à l’inhibition de la synthèse de macromolécules (Bouaziz et al., 2006; Calvert et al., 2005; Creppy, 2002). À des faibles doses, la cytotoxicité est en lien avec des altérations subtiles des fonctions des tissus et organes, telles que les couches épithéliales de l’intestin, du foie et des reins, mais aussi les systèmes nerveux, reproducteur et immunitaire (Bennett et Klich, 2003; Bondy et Pestka, 2000; Bouhet et Oswald, 2005; Campbell et al., 2004; Fuchs et Peraica, 2005; Fung et Clark, 2004; Peraica et al., 1999; Richard, 2007; Rocha et al., 2005; Smith et al., 1995; Zinedine et al., 2007).
Du point de vue de la nutrition animale, les mycotoxines revêtent une importance capitale car elles peuvent contaminer les lots d'aliments et ainsi provoquer des intoxications chez les animaux d’élevage qui les consomment. Parmi les mycotoxines produites par Fusarium, DON et ZEN sont importants parce qu’elles se développent dans les champs avant la récolte, ainsi qu’après la récolte lors du stockage. Ainsi leur présence ne peut pas être complètement évitée. Les grains de blé, de triticale et de maïs sont spécialement vulnérables à l’infection par Fusarium et sont fréquemment contaminés par DON et ZEN, souvent en proportion plus élevées que les autres céréales (Döll et Dänicke, 2011). Le DON produit des effets toxiques chez l’homme, ainsi que chez toutes les espèces animales (Pestka et Smolinski, 2005). L’exposition du porc au DON, chez les porcs, en particulier, mène à des effets néfastes sur la santé générale, les neurones, le tractus gastro-intestinal (TGI) et le système immunitaire (Awad et al., 2010).
2 Plusieurs recherches ont été réalisées pour développer des moyens afin de détoxiquer les aliments contaminés par des mycotoxines. Différentes méthodes physiques ou chimiques ont été proposées pour la détoxification des mycotoxines dans les aliments pour les animaux. Néanmoins, seules quelques-unes d’entre elles, comme la destruction de l’AF par un traitement à l’ammoniaque, ont été acceptées pour une utilisation pratique. Bien que des stratégies préventives visant à réduire la formation de mycotoxines soient souvent appliquées, il demeure difficile d’éviter complètement la contamination par les mycotoxines dans les champs et durant le stockage. Des stratégies de désintoxication ont donc été développées pour protéger le bétail contre les aliments contaminés par les mycotoxines (Awad et al., 2010). Plusieurs chercheurs ont réalisé des études avec des produits anti-mycotoxiniques, des suppléments d’antioxydants non-enzymatiques, des additifs probiotiques, par exemple, afin d’évaluer leurs capacité de la lutte contre les mycotoxines. Toutefois, les différents additifs anti-mycotoxiniques ont montré une capacité limitée à lutter contre les effets néfastes de DON (Döll et Dänicke, 2004; Karlovsky, 2011).
Face à la présence des mycotoxines dans les grains et la perte économique liée aux mycotoxicoses en élevage porcin, les producteurs ajoutent fréquemment des adsorbants inorganiques ou organiques dans les rations alimentaires. La présente étude a été réalisée en deux différentes expérimentations. La première expérience a été réalisée avec des additifs anti-mycotoxiniques pour déterminer les effets néfastes du DON et l’effet bénéfique de ces additifs sur les performances de croissance, la digestibilité, la rétention des nutriments, la physiologie intestinale et les enzymes antioxydantes de la muqueuse intestinale. Dans le deuxième essai, des antioxydants non-enzymatiques ont été utilisés pour valider leur capacité antioxydante dans la lutte contre le stress oxydatif causé par le DON. De plus, les performances de croissance, la physiologie intestinale, les enzymes antioxydants de la muqueuse intestinale et le statut oxydatif ont été mis en évidence pour évaluer les effets négatifs du DON et la capacité des antioxydants non-enzymatiques à les contrer. En marge de ces objectifs spécifiques, l’objectif général était d’acquérir une meilleure compréhension des effets négatifs de DON sur l’utilisation des nutriments chez le porcelet sevré et de valoriser l’utilisation des grains contaminés en élevage porcin afin de diversifier les ingrédients utilisés dans ce secteur tels que des sous-produits ou des grains de moins qualités dans la fabrication des aliments et, diminuer le coût élevé des grains. De plus, face à la sensibilité du porc au DON, une bonne compréhension sur les produits anti-mycotoxiniques et les antioxydants non-enzymatiques dans la lutte contre du DON pourrait nous aider à développer et assurer de l’efficacité des produits qui seraient efficaces pour réduires les méfaits du DON sur le porc.
3
Chapitre 2
REVUE DES TRAVAUX ANTÉRIEURS
2.1. Problématique
Les mycotoxines sont produites par certains champignons filamenteux comme les Aspergillus spp., Fusarium spp. et les Penicillium spp.(Bennett et Klich, 2003) qui se développent sur les plantes céréalières ou agissent comme saprophytes sur les récoltes entreposées (Glenn, 2007). Les mycotoxines présentent des propriétés toxiques chez les animaux lorsqu'elles sont ingérées. Les sujets qui les ingèrent peuvent subir une perte de croissance substantielle et développer divers signes cliniques comme la diarrhée et des hémorragies, pouvant aller jusqu’à la mort de l’animal (Bennett, 1987). Le terme mycotoxine est utilisé pour décrire des métabolites présentant une action toxique à faible dose sur les animaux, par opposition aux termes phytotoxines ou antibiotiques utilisés pour décrire des métabolites qui présentent une action toxique à faible dose sur les plantes et les bactéries, respectivement (Graniti, 1972).
Chez les humains, les premières manifestations de mycotoxicose, décrites dès l’Antiquité, se rapportaient à l’ergotisme (aussi appelé « mal des ardents » ou « feu de Saint Antoine »), causant de véritables massacres au Moyen Âge en Europe. La maladie se manifestait sous la forme de délires, prostrations, douleurs violentes et gangrènes des extrémités. La cause de cette maladie était liée à la consommation de farines contaminées par des alcaloïdes de l’ergot, mycotoxines produites par les moisissures du genre Claviceps. Le terme mycotoxine a été introduit en 1962 à la suite d’un épisode impliquant le décès de 100 000 dindonneaux en Angleterre causée par une maladie nommée « Turkey X disease » (Blout, 1961; Forgacs, 1962). Les tourteaux d’arachide servant à l'alimentation des dindonneaux étaient contaminés par des AFs, métabolites secondaires provenant d’Aspergillus flavus. Cet épisode a sensibilisé la communauté scientifique à considérer certains de ces métabolites comme des agents infectieux potentiels, voire mortels.
En 1989, le Conseil pour la Science et la Technologie Agricole estimait qu’environ 25 % des récoltes annuelles de céréales dans le monde étaient affectées par des mycotoxines, ce qui a pour effet de réduire la disponibilité de nourriture, tant végétale qu’animale, au niveau mondial (CAST, 1989). La prévalence d'intoxications causées par les mycotoxines de Fusarium spp. est supérieure chez les élevages situés dans les zones climatiques tempérées de l'Europe et de l'Amérique du Nord. La présence de ces toxines dans l'alimentation causent des pertes économiques importantes dans les élevages porcins, affectant directement la reproduction et la santé de tous les groupes d’animaux (Placinta et al., 1999; Sabater-Vilar et al., 2007).
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2.2. Caractérisation des mycotoxines
Les mycotoxines présentes dans les aliments ne peuvent pas être totalement détruites par la cuisson ou les technologies modernes de traitement des denrées alimentaires. Les produits et aliments d’origine animale tels que le lait, le sang, les abats et les produits dérivés peuvent contenir des traces de mycotoxines ou des métabolites des mycotoxines contenues dans les aliments ingérés par les animaux d’élevage. Dans un groupe structural de toxines, la toxicité peut varier considérablement d’une toxine à une autre et n’est pas toujours liée à la toxine elle-même, mais peut aussi provenir de ses métabolites. Grâce aux nouvelles méthodes d'analyse et à l’intérêt croissant dans ce domaine, plus de 350 différentes mycotoxines ont été différenciées à ce jour (Erber et Binder, 2004). Parmi elle, les AFs, les trichothécènes, la ZEN, les OTA, et les fumonisines ont fait plus fréquemment l'objet de recherche par les centres de recherche et l'industrie alimentaire. La même mycotoxine ou le même groupe de mycotoxine peuvent causer les différents dommages sur la même espèce animale. Les limites réglementaires de cinq principales mycotoxines dans les rations pour les porcs aux États-Unis, en Europe et au Canada sont présentées au Tableau 2.1 (Erber et Binder, 2004; Jacela et al., 2010).
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Tableau 2.1. Limite réglementaire des AFs et les limites recommandées de quatre principales mycotoxines retrouvées dans les rations pour les porcs aux États-Unis, en Europe et au Canada
Groupe Aflatoxine (µg kg-1) Fumonisines (mg kg-1) Désoxynivalénol (mg kg-1) Ochratoxine A (µg kg-1) Zéaralénone (µg kg-1) Aux États-Unis†
Porcelets 20 10 1 N/A N/A
Engraissement (> 100 lbs de poids vif) 200 10 1 N/A N/A
Reproducteurs 100 10 1 N/A N/A
En Europe‡
Porcelets 20 5 0.9 50 N/A
Engraissement (> 100 lbs de poids vif) 20 5 0.9 50 N/A
Reproducteurs - 5 0.9 50 100-250
Au Canada§
Porcelets 20 N/A 1 N/A
Engraissement (> 100 lbs de poids vif) 20 N/A 1 N/A
Reproducteurs 20 N/A 1 < 2000 < 1000-3000
† Source: (en) : Food and Drug Administration Center for Veterinary Medicine (Henry, 2006). Les concentrations des mycotoxines ont été calculées par kg
d’aliment.
‡ Source: Caractéristiques et réglementations en vigueur pour les principales mycotoxines retrouvées dans les céréales (Wache, 2009) § Source: Agence canadienne d’inspection des aliments (RG-8, 2012)
N/A: non applicable. Note: un minimum de 0,20 mg kg-1 de l’ochratoxine A peut causer la réduction du gain de poids et des lésions légères aux reins chez
le porc d’engraissement à l’abattoir, et un minimum de 1 mg kg-1 de la zéaralénone peut causer la vulvo vaginite et le prolapsus chez les cochettes
prépubères (Osweiler, 2006).
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2.2.1. Aflatoxines
Parmi les mycotoxines, le groupe des AFs est le plus connu, le mieux étudié et le plus réglementé. Les AFs ont été isolés pour la première fois chez des dindonneaux nourris avec des tourteaux contaminés (Blout, 1961; Goldblatt, 1961). Les AFs sont des dérivés de la difuranocoumarine (Figure 2.1). Ils sont produits par les
Aspergillus flavus et A. parasiticus qui prolifèrent sur les grains entreposés en conditions chaudes et humides.
Dans le domaine agricole, A. flavus est un contaminant fréquent. À moindre échelle, les A. bombycis, A.
ochraceoroseus, A. nomius et A. pseudotamari sont aussi des espèces productrices d'AFs (Goto et al., 1996;
Klich et al., 2000; Peterson, 2001). Ces mycotoxines sont surtout problématiques en climat tropical ou subtropical. Avec le climat frais et humide du Canada, cette mycotoxine est peu présente et, la présence des AFs dans nos aliments est souvent détectée dans les ingrédients importés de régions plus au sud.
2.2.2. Les mycotoxines de Fusarium
Le genre Fusarium a été nommé par Link en 1809 il y a près de 200 ans et englobe une diversité d’espèces importantes qui sont des pathogènes dévastateurs des plantes (Merhej, 2010). Les principales mycotoxines produites par les espèces Fusarium sont les trichothécènes, les fumonisines, et la ZEN soulevant des inquiétudes quant à leur pouvoir pathogène (Fink-Gremmels et Malekinejad, 2007; Krska et al., 2007; Morgavi et Riley, 2007; Pestka, 2007). L’infection des céréales par Fusarium a un impact sur la disponibilité des éléments nutritifs et l'activité enzymatique de la céréale affectant à son tour, la disponibilité des éléments nutritifs pour les animaux (Dänicke et al., 2007b; Matthaus et al., 2004).
Les trichothécènes ont été isolées des champignons Trichothecium roseum la première fois en 1949. Actuellement, plus de 40 trichothécènes naturelles sont attribuées à l'espèce Fusarium (Desjardins, 2006; Grove, 1988). Les trichothécènes de Fusarium identifiées comprennent la diacétoxyscirpénol venant de F.
scirpi, la nivalénol (NIV) produite par F. nivale, mais maintenant classée dans F. kyushuense, la toxine T-2
produite par F. tricinctum, maintenant classée dans F. sporotrichioides et le DON venant de F. roseum et maintenant classée dans F. graminearum (Glenn, 2007). Le DON, l'agent mycotoxique le plus répandu est produite par F. graminearum, F. pseudograminearum, et F. culmorum (Glenn, 2007), et est un composé stable qui ne se dégrade pas en conditions extrêmes comme des températures élevées pendant le traitement des aliments ou leur stockage (Scott, 1991). En Amérique du Nord, les souches de F. graminearum produisent le 15-acétyl-DON (15-ADON) et la ZEN oestrogénique, tandis que la plupart des souches japonaises et australiennes produisent soit la NIV, la fusarénon-X et la ZEN ou le DON, le 3-acétyl-DON (3-ADON) et la ZEN (Miller et al., 1991). Selon les informations d’Avantaggiato et al. (2004), la fréquence des mycotoxines de
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Fusarium dans les denrées alimentaires de l’Union Européenne était de 57 % des échantillons positifs pour le
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Figure 2.1. Diversité structurelle des mycotoxines majeures (Bennett et Klich, 2003)
Aflatoxine B1 Fumonisine B1
Ochratoxine A Toxine T-2
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2.2.2.1. Fumonisines
Les fumonisines ont été décrites et caractérisées la première fois en 1988 (Bezuidenhout, 1988; Gelderblom et al., 1988). Au moins 15 fumonisines différentes ont été décrites et elles ont été regroupées dans 4 catégories principales (A, B, C et P). Les fumonisines de type B (Figure 2.1), très toxiques, peuvent induire un œdème pulmonaire et un hydrothorax chez le porc (Harrison et al., 1990) ainsi que la leucoencéphalomalacie mortelle chez le cheval (Marasas et al., 1988). Une hypothèse suggère que la mycotoxine de type B est en lien avec certains cas de cancer de l’œsophage chez l’homme (Sydenham et al., 1991). Chez la plupart des animaux, les études indiquent une faible absorption de la FB1 et une distribution rapide dans tous les tissus et
majoritairement dans le foie et les reins. Il y a peu de preuves que les fumonisines soient métabolisées. Elles sont éliminées via la bile sans être métabolisées. Une partie peut être retenue dans le foie et les reins.
2.2.2.2. Trichothécènes
Les trichothécènes constituent une famille d’environ 160 dérivés issus principalement de nombreuses espèces de Fusarium, et sont divisés en quatre groupes A, B, C et D (Chu, 1998). Dans le groupe A, la toxine T-2 est soluble dans les solvants organiques polaires comme l’acétone ou l’acétonitrile. Le DON est soluble dans l’éthanol, le méthanol, l’acétate d’éthyle et l’eau. Les trichothécènes du groupe D sont des lactones époxydées. Ce sont des molécules neutres, liposolubles et peu hydrosolubles (Marasas et al., 1984).
Toxine T-2
Les effets observés lors d’études de toxicité aiguë de la toxine T-2 chez l’animal concernant principalement des symptômes non spécifiques comme la perte de poids, l’inappétence, des vomissements, des diarrhées, des dermatites, des hémorragies et des nécroses de l’épithélium gastrique et intestinal et de la moelle osseuse, de la rate, des testicules et des ovaires. Chez les rongeurs, la dose létale (DL50) de la toxine T-2 est comprise entre 5 et 10 mg kg-1 de poids vifs (Trenholm et al., 1989). Les études de toxicité chronique de la
toxine T-2 ont mis en évidence des lésions de l’épithélium de l’œsophage (rats), une diminution du gain du poids, des modifications des paramètres hématologiques et immunitaires (porcs), une diminution du nombre des leucocytes (singes) (Jagadeesan et al., 1982).
Des études sur les poulets ont démontré qu’une intoxication avec la toxine T-2 peut provoquer une réduction dans le gain de poids, des lésions au bec, un plumage pauvre, un affaiblissement des fonctions moteurs et une augmentation de la prédisposition à Salmonella spp. (Pestka et Bondy, 1994; Rotter et al., 1996). Par ailleurs, la toxine T-2 cause également les effets néfastes sur les performances reproductives chez le porc. L’ingestion des aliments contaminés de 1 à 2 mg kg-1 de la toxine T-2 pendant la troisième période de la
10 truies (Glavits et al. 1983). Vanyi et al., 1991 ont aussi montré que la toxine T-2 provoque la diarrhée, l’amaigrissement et le coma ainsi que la mort peu après la naissance des procelets qui sont nés de truies nourries recevant une dose de 24 mg de la toxine T-2 par jour pendant leur troisième période de la gestation. Les métabolites de la toxine T-2 sont trouvés dans le lait de ces truies et les estomacs de ces porcelets. Le coma peut être causé par l’hypoglycémie qui est due à la baisse de glycogène dans le foie (Vanyi et al., 1991). La toxine T-2 est facilement métabolisée en HT-2. Ces deux mycotoxines sont souvent évaluées ensemble. On retrouve la toxine T-2 et HT-2 dans le maïs, l’orge, l’avoine, le seigle, le soya et le blé (Miller et al., 2001).
Désoxynivalénol (vomitoxine – DON)
Le désoxynivalénol, aussi appelé vomitoxine, est produit par les souches de F. graminearum (Miller et al., 1983) ou F. culmorum (Greenhalgh et al., 1986) qui sont des agents pathogènes courants pour les céréales souvent dans les régions tempérées nordiques (Bottalico et Perrone, 2002; Logrieco et al., 2002). Le DON a été isolé la première fois par des chercheurs japonais (Morooka et al., 1972; Ueno, 1985, 1988) sur de l’orge infecté par Fusarium spp. Les effets émétiques du DON ont d’abord été décrits chez les hommes japonais qui consommaient de l’orge moisie contaminée par des champignons de Fusarium en 1972. Vesonder et al. (1972) ont également isolé cette toxine sur du maïs infecté venant du nord-ouest de l’Ohio (Vesonder et al., 1973).
Les effets observés du DON dans les études de toxicité aiguë et subaiguë sont semblables à ceux décrits pour les trichothécènes du groupe A (les toxines T-2, HT-2 et diacétoxyscirpenol) qui réduisent les performances de croissance (5-10 mg kg-1 de la toxine T-2) (Harvey et al., 1990, 1994), causent les effets
néfastes sur la reproduction porcine tels que l’augmentation de la mortalité chez les porcelets (Vanyi et al., 1991) ainsi que sur les autres organes tels que les reins, le foie et la rate (JECFA, 2001), mais moins marqués. La DL50 du DON par voie orale chez la souris varie de 46 à 78 mg kg-1 de poids vif. De nombreux
cas d’intoxication chez le porc par des céréales contaminés par cette toxine ont été rapportés, notamment aux Etats-Unis. Chez le porc, espèce considérée comme la plus sensible, la consommation d’aliments contaminés (3 à 5 mg kg-1 du DON) peut provoquer la diminution de la croissance pondérale, des vomissements, des
diarrhées, des symptômes neurologiques, des lésions dermatologiques et une réduction de la réponse vaccinale (Avantaggiato et al., 2004; D'Mello et al., 1999; Rotter et al., 1996). Le DON est cytotoxique pour une variété de cellules dont les fibroblastes et les lymphocytes, avec des concentrations variées allant de 0,1 à 2 ng mL-1 de DON (Abbas et al., 1984; Ueno, 1983; Visconti et al., 1991).
Les ruminants semblent assez bien protégés contre le DON grâce aux micro-organismes du rumen qui sont capables de diminuer de façon notable la toxicité de DON à travers des réactions complexes (Rotter et al., 1996).
11 Chez les volailles, les signes d’intoxication aiguë au DON (5 mg kg-1) sont dominés par des troubles nerveux
(hyperpnée, léthargie, perte d’équilibre) et digestifs (diarrhée, refus d’aliment) et les signes de l’intoxication chronique par une altération de la croissance, de la production d’œufs parfois accompagnées de lésions cutanées (Dänicke et al., 2001; EFSA, 2004; Forsyth et al., 1977; Vesonder et al., 1976).
2.2.2.3. Zéaralénone
La zéaralénone (ZEN) est une mycotoxine produite par de nombreuses espèces de Fusarium tels que F.
graminearum, F. culmorum, F. equiseti, F. crookwellense (Hagler et al., 2001). La ZEN a été identifiée comme
une lactone de l’acide résorcyclique (Figure 2.1). La molécule est faiblement soluble dans l’eau et l’hexane. Sa solubilité augmente avec la polarité des solvants. On retrouve la ZEN dans le maïs, le blé, l’avoine, l’orge, les drèches de distillerie et dans les aliments pour animaux. Lorsque les grains contaminés par la ZEN sont consommés par le bétail, ils peuvent causer une variété de problèmes reproducteurs sur l’animal (Kuiper-Goodman et al., 1987); elle est donc classifiée comme une mycotoxine œstrogénique en lien avec les effets observés chez l’animal (El-Nezami et al., 2002; Kurtz et Mirocha, 1978).
La ZEN est absorbée rapidement après administration orale et peut être métabolisée dans les différents tissus et particulièrement dans le foie en et -zéaralénol et en et -zéaralanol, lesquels peuvent subir une glucuronoconjugaison. Il existe une forte disparité du devenir de la ZEN entre les espèces. Chez le porc, 80% à 85% de la dose de ZEN (10 mg kg-1 poids vif) administrée une seule fois par la voie orale peut être excrétée
sous forme du composé parental glucuronoconjugé, d’-zéaralénol et β-zéaralénol (Biehl et al., 1993). L’association entre la consommation de maïs moisi et l’hyperœstrogénisme chez le porc est connue depuis les années 20. Les jeunes femelles sont particulièrement sensibles à la ZEN. Une dose de 200 µg de ZEN per kg du poids vif administrée par la voie orale pendant 8 jours peut pertuber le développement et la maturation d’une partie des follicules ovariens chez les cochettes (Zwierzchowski et al., 2005). Chez les truies, cette toxine (180 µg kg-1 administré pendant le 3e trimestre de la gestation) entraîne des vulvo-vaginites, un faible
poids à la naissance des porcelets, une réabsorption du fœtus, un avortement spontané, une taille des portées réduite, une féminisation ou une immaturité chez les mâles (El-Nezami et al., 2002; Jadamus et Schneider, 2002; Kurtz et Mirocha, 1978). Des concentrations faibles (1 mg kg-1) de cette mycotoxine dans l’alimentation
peuvent provoquer les symptômes de l’hyperoestrogénisme (Gajecki, 2002).
2.2.3. Ochratoxine
Les ochratoxines constituent une famille de toxines contenant une isocoumarine parfois chlorée couplée par une liaison amide à une molécule de L-phénylalanine (Figure 2.1). L’ochratoxine possède des propriétés cancérigènes, néphrotoxiques, tératogènes, immunotoxiques et neurotoxiques (Beardall et Miller, 1994;
12 Ciegler et al., 1972). La plus importante d’entre elles est l’ochratoxine A (OTA). Cette toxine a été découverte comme un métabolite d’Aspergillus ochraceus en 1965 (van der Merwe et al., 1965). Peu de temps après, l’OTA a été isolée d’un échantillon commercial de maïs aux Etats-Unis (Shotwell et al., 1969). Elle est reconnue comme une néphrotoxine puissante. L’OTA est souvent trouvée dans les produits à base de céréales, le café, le vin, la bière, le cacao, les épices et le jus de raisin, mais aussi dans des produits d’origine animale, en l’occurrence des rognons de porc (Marquardt et Frohlich, 1992; Pitt, 2000; Van Egmond et Speijers, 1994). Cette toxine peut persister longtemps chez les humains (Creppy, 1999).
L’OTA a été détectée dans le sang et le lait y compris le lait humain (Marquardt et Frohlich, 1992). On peut la retrouver chez le porc destiné à la consommation humaine (Fink-Gremmels, 1999). En outre, l’OTA est pathogène et mortelle chez les volailles (Burns et Dwivedi, 1986; Hamilton et al., 1982).
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Tableau 2.2. Tableau récapitulatif de la toxicité de différentes mycotoxines
Mycotoxines Génotoxique Tératogène Cancérogène
Immuno-suppresseur Oestro-génique AFB1 * * * * OTA * * * ZEN * * DON * T-2, HT-2 * FB1 * * * (AFSSA, 2009)
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2.3. Toxicologie et santé animale: cas du DON
2.3.1. Généralité
En comparaison avec les autres mycotoxines, les trichothécènes sont parmi les plus actives biologiquement. Contrairement aux AFs, les trichothécènes n’ont pas besoin d’activation dans l’organisme pour provoquer des effets toxiques. Elles sont toxiques directement en raison de la présence dans leur structure d’un groupement réactif électrophile 12-13-époxyde. La cytotoxicité des trichothécènes est liée surtout à une inhibition puissante de la synthèse des protéines. Elles interagissent avec les ribosomes et interfèrent dans les étapes de l’initiation, de l’élongation et de la terminaison de la synthèse des protéines en se liant à la peptidyl-transférase ribosomale. Les trichothécènes inhibent la synthèse d’ARN et d’ADN, le système mitochondrial de transport des électrons, aussi bien qu’induire la mort cellulaire. (Pestka, 2010, 2008; Wache, 2009). La perte de la perméabilité de glycoprotéine a été notée chez les pigs alimentés avec les traitements contaminés par le DON (1 à 3 mg kg-1) pendant 10 jours (Van de Heyden et al., 2009)
Parmi les espèces animales, l’espèce porcine montre une grande sensibilité au DON, tandis que les poulets, les dindes et les ruminants, semblent avoir une plus grande tolérance (Prelusky et al., 1994b). Chez les poulets, des aliments contaminés jusqu’à 8 mg kg-1 de DON n’ont pas été associés à des baisses
significatives de performances (Hamilton et al., 1986; Hamilton et al., 1985a; Hamilton et al., 1985b). Toutefois, les poulets de chair en croissance rapide sont plus sensibles que les poules pondeuses au syndrome du refus de se nourrir (Huff et al., 1986). Les ruminants sont relativement insensibles au DON. Ceci est probablement en lien avec la capacité des microorganismes du rumen à métaboliser et détoxiquer le composé lorsqu’il est consommé à des concentrations allant jusqu’à 10 mg kg-1 dans les aliments (King et al.,
1984). Des vaches laitières nourries avec des intrants contaminés à raison de 6,4 mg kg-1 de DON pendant 6
semaines (Trenholm et al., 1985) ou à 6,6 mg kg-1 pendant 5 jours (Cote et al., 1986) n’ont démontré aucun
signe clinique ou subclinique, ni de baisse de performance.
Chavez (1984) a observé que les truies nourries avec une ration contaminée par 3,3 mg kg-1 de DON pendant
la gestation et la lactation ne présentent pas de différences dans l’apport alimentaire pendant la lactation, mais la perte de poids corporel est significativement plus élevée que chez les témoins. Il n’y avait pas non plus de différence dans le nombre des porcelets vivants au sevrage (Chavez, 1984). Pour sa part, Friend (1986) a observé qu'un aliment contenant 3,67 mg kg-1 et 4,21 mg kg-1 de DON donné à des verrats et à des cochettes,
respectivement, induit des réductions de la consommation alimentaire et du gain de poids (Friend et al., 1986). De plus, l'altération de différents paramètres sanguins chez des porcs nourris de DON (Lun et al., 1985; Young et al., 1983). Cependant, ces effets sont indissociables de l’état nutritionnel général des animaux. Par
15 exemple, une perte du poids est une conséquence d’une prise alimentaire réduite (Lun et al., 1985; Young et al., 1983).
Aucun effet négatif n’a été détecté sur la prise alimentaire et la performance de croissance chez les animaux nourris avec un régime alimentaire contaminé avec une faible concentration de DON (< 0,5 mg kg-1 de DON),
tandis que les animaux nourris avec une ration contenant plus de 4 mg kg-1 de DON manifestent de l’anorexie,
une perte de croissance et des vomissements (Barnes et al., 2010; Don, 2010). Cependant, la situation avec les rations naturellement contaminées semble plus compliquée. En effet, F. graminearum peut produire plusieurs autres métabolites en plus du DON et de la ZEN (Miller, 1995). Il est fort probable que les mycotoxicoses sont les résultats d'une synergie entre différentes toxines. Des mycotoxines inconnues, liées ou conjuguées, ou des agents toxiques d’autres origines pourraient aussi contribuer à la réponse des animaux (Foster et al., 1986; Prelusky et al., 1994b). Puisque l’étiologie des mycotoxicoses est due à des causes multiples, il est difficile de mettre en relation la concentration de DON présente dans une ration contaminée avec les performances attendues des élevages porcins (Foster et al., 1986; Trenholm et al., 1994).
2.3.2. Biochimie et hématologie
Les répercussions de la consommation de DON chez le porc sur les éléments figurés du sang, le taux d’hématocrite, la teneur en hémoglobine ou les niveaux circulants de différents métabolites, hormones ou enzymes sont limitées et parfois contradictoires entre les études. Il n’y avait aucun effet de la distribution pendant 3 à 6 semaines d’aliments contenant 0,28 à 4,5 mg kg-1 de DON chez les porcelets sur leur formule
sanguine (Accensi et al., 2006; Harvey et al., 1996; Harvey et al., 1989; Rotter et al., 1994; Rotter et al., 1995). Cependant, Prelusky et al. (1994) ont observé des modifications épisodiques du nombre d’hématies, de plaquettes et de l’hématocrite (Prelusky et al., 1994a) en comparaison avec des animaux « pair fed ». Une augmentation du nombre de leucocytes (Rotter et al., 1994) est observée au taux de 3 mg kg-1 de DON chez
les porcelets.
D’un autre côté, après avoir reçu 0,5 mg kg-1 de DON par poids vif par voie i.v., la glycémie du porc a subi une
brève augmentation, suivie d’une diminution particulièrement marquée six heures après l’injection. Du sang a été également détecté dans les urines du porc entre une demi-heure et quatre heures après l’injection (Coppock et al., 1985). Toutefois, dans quelques études, l’urémie et la créatinémie ne sont pas affectées avec des concentrations de DON de l’aliment allant de 0,28 à 1,9 mg kg-1 (Accensi et al., 2006; Chavez et
Rheaume, 1986; Dänicke et al., 2004d; Harvey et al., 1996; Harvey et al., 1989; Lun et al., 1985; Prelusky et al., 1994a; Trenholm et al., 1994). Par contre, une réduction des protéines et de l’albumine sérique de porcs consommant un mélange contenant 3,5 mg kg-1 de DON entre 21 et 101 kg de poids vif (Bergsjo et al., 1993),
16 et pour des doses similaires, une réduction du taux des protéines et d’-globuline (Prelusky et al., 1994a; Rotter et al., 1994) et de -globuline (Rotter et al., 1995) sont signalées. Ces modifications pourraient être liées à la diminution de la synthèse des protéines provoquée par le DON (Eriksen et Pettersson, 2004; Rotter et al., 1995). Néanmoins, une baisse des concentrations plasmatiques de calcium et de phosphore et une augmentation des chlorures ont été notées, mais dans d’autres essais, les concentrations en ions du plasma ne sont pas affectées significativement par la présence de DON dans l’aliment (Accensi et al., 2006; Diaz-Llano et Smith, 2006; Prelusky et al., 1994a). L’activité des diverses enzymes hépatiques tels que l’aspartate aminotransférase (ASAT), la glutamate déshydrogénase (GDH) et la γ-glutamyltransférase (γ-GT) n’est pas affectée non plus par des concentrations de DON allant jusqu’à 4 mg kg-1 d’aliment (Accensi et al., 2006;
Dänicke et al., 2004d; Diaz-Llano et Smith, 2006; Harvey et al., 1996; Lun et al., 1985; Prelusky et al., 1994a). Une concentration de 3 mg kg-1 de DON augmente le niveau circulant de l’hormone thyroïdienne T4, alors que
celui de la T3 serait inchangé (Rotter et al., 1994).
2.4. Toxicocinétique et résidus du DON
2.4.1. Toxicocinétique
Des effets toxiques variables de DON chez le porc ont été rapportés dans la littérature malgré que les animaux ont été nourris avec des concentrations alimentaires similaires (Dänicke et al., 2001). Par conséquent, il serait intéressant de savoir si cette variation dépend de la biodisponibilité de DON à partir des sources différentes. Quelques études ont été réalisées pour évaluer les paramètres de toxicocinétique du DON chez le porc (Coppock et al., 1985; Prelusky et al., 1990; Prelusky et al., 1988), mais ces expériences ont été faites avec du DON pur à des doses élevées (300-1000 µg kg-1 de poids vif) administrées par voie i.v.
ou intra-gastrique (voie orale).
Après une injection i.v., DON atteint les organes les plus irrigués tels que les poumons, le myocarde, les reins et le cerveau. Prelusky et al. (1990) ont constaté que le DON traverse rapidement la barrière hémato-encéphalique parce que les paramètres cinétiques de DON dans le liquide céphalo-rachidien reflètent généralement le profil du plasma (Prelusky et al., 1990). Le pic de concentration de DON (Cmax = 582 175 ng
mL-1) dans le liquide céphalo-rachidien a été observé de 30 à 60 minutes après l’administration i.v. de DON à
1 mg kg-1 de poids vif chez des porcs pesant de 20 à 26 kg. Ce pic a été noté plus tard dans le liquide
céphalo-rachidien (tmax = 270 64,8 min), à une teneur cinq fois plus faible (Cmax = 113 28 ng mL-1) lorsque
la même dose a été donnée par voie intra-gastrique cette fois (Atroshi et al., 2000; Prelusky et al., 1990). Le DON inhibe la motilité de l’intestin grêle chez les rongeurs; une activité médiée par les récepteurs 5HT3
17 avait au moins une partie du mécanisme d'action de DON qui implique les récepteurs périphériques 5HT3
trouvés dans le tractus gastro-intestinal, Les rôles de récepteurs 5HT3 ont été identifiés dans les plusieurs zones du cerveau, surtout dans le tronc cérébral dont le réflexe de vomissement est souvent impliqué dans ces zones telles que la zone « postrema » et le noyau du faisceau solitaire (Miquel et al., 2002; Tecott et al., 1993). Les récepteurs 5HT3 régissent également la motilité de l’intestin, la sécrétion et le péristaltisme dans le système nerveux entérique, et ils sont impliqués dams le transfert d’information dans le tractus gastro-intestinal (Galligan, 2002).
2.4.1.1. Absorption
Le DON présente une biodisponibilité rapide chez les rongeurs. En effet, il y avait 37 % des doses orales de [14C] DON retrouvées dans les urines de rat 24 heures après l’administration (Meky et al., 2003). Chez le porc,
l’étude de l’absorption, de la distribution, du métabolisme et de l’excrétion de DON a été réalisée dans plusieurs expériences. Un pic de concentration plasmatique était atteint dès 15 à 30 minutes après avoir consommé une ration contaminée avec 4 mg kg-1 de DON (Prelusky et al., 1988).. La biodisponibilité était de
54,9 8,4 % malgré les vomissements qui ont pu diminuer l’absorption (Bauer et al., 1985; Prelusky et al., 1988).
2.4.1.2. Distribution plasmatique et tissulaire
Dans une des études de Prelusky et al. (1988), ils ont mesuré par ultrafiltration que le pourcentage de DON fixé aux protéines plasmatiques chez le porc était de 9,15 3,9 %. Cette proportion est indépendante de la concentration de DON dans l’aliment et du temps d’incubation des différents types de cellules tels que la muqueuse intestinale (Prelusky et al., 1988). Après avoir administré une dose de 0,30 mg kg-1 de [14C] DON
par voie i.v., le volume apparent de distribution du DON plasmatique chez le porc était de 1,35 L kg-1
(Coppock et al., 1985; Prelusky et al., 1988). Prelusky et Trenholm (1991) ont également observé une distribution rapide dans tout l’organisme du porc suite à l’injection i.v. de 1 mg kg-1 de poids vif de DON (Figure
2.2). Le pic de concentration tissulaire est compris entre 20 minutes et une heure pour la plupart des tissus. Le rein, le foie, l’urine et la bile sont des réservoirs importants pour le DON. Aucun cycle entéro-hépatique n’a été observé sur le profil de distribution. D’autres tissus tels que le tissu adipeux, le poumon, les surrénales, la rate et les testicules contiennent des concentrations élevées de DON. La décroissance des concentrations tissulaires et plasmatiques était rapide. La majorité des organes ne retenait que des traces de toxine 24 heures après l’administration de DON (Prelusky et Trenholm, 1991).
18
Figure 2.2. Distribution plasmatique et tissulaire du désoxynivalénol après l’administration intraveineuse d’une dose de 1 mg kg-1 de poids vif chez le porc (Prelusky et Trenholm, 1991)
19
2.4.1.3. Voies métaboliques du DON
Plusieurs recherches ont été réalisées chez les porcs pour mettre en évidence les voies métaboliques du DON (Wu et al., 2010). Quatre-vingt-huit pour cent du DON ingérés ont été absorbés via l’estomac tandis qu’il y a seulement 1,5 % à 10 % du DON absorbés dans l’intestin grêle (duodénum et jéjunum) et le gros intestin (Dänicke et al., 2004b). Dänicke et al. (2004b) ont supposé que le DON a été libéré des aliments contaminés lorsqu’il est mélangé au moins en partie avec l’eau dans l’auge. Ce processus a probablement continué dans l’estomac et fait disparaître nettement plus rapide du DON de cette partie de l’appareil digestif. En outre, l’absorption du DON au travers de l’estomac pourrait avoir contribué à la disparition rapide du DON. Eriksen et al. (2003) ont également reporté que les résidus du DON ont été détectés dans le sang du porc dès 20 minutes après l’exposition orale de 3-acétyl-DON. De même, les concentrations maximales du DON radiomarqué ont été trouvées dans le sang du porc dès 15 à 20 minutes après l’administration intragastrique et restées à ce niveau pour les 9 h suivantes avant de commencer à diminuer. Pour les trichothécènes, la dé-époxydation est l’étape la plus importante pour détoxiquer le DON parce que la toxicité est liée à l’époxyde. Toutefois, cette réaction semble restreinte à des bactéries anaérobies (Karlovsky, 2011). Chez le rat, cette dé-époxydation est faite par la microflore gastro-intestinale. En fait, le DON est dé-époxydé en DOM-1 par la flore intestinale et non par les microsomes hépatiques, et le DOM-1 est 50 fois moins toxique que la toxine d’origine (Eriksen et al., 2003; Worrell et al., 1989). Des études in vitro ont également montré que les bactéries présentes dans le TGI du porc sont capables de détoxifier le DON par la tranformation en DOM-1 et diminuer le DON après avoir incubé le digesta et les fèces des porcs contaminés au DON (Eriksen et al., 2002; Kollarczik et al., 1994). Toutefois, la microflore intestinale du porc ne peut métaboliser que peu de DON rendant cette espèce animale probablement plus sensible à cette mycotoxine (Prelusky et al., 1988). Une étude du bilan de DON a été faite et montré que chez les porcs alimentés avec le traitement contaminé par le DON (3,7 mg kg-1), un total de 52,3% du DON ingéré a été éliminé tel quel dans l’urine, tandis que 2,6% du
DON ingéré a été excrété dans l’urine sous la forme de métabolite DOM-1. De plus, ces deux résidus ont représenté environ 98% de la récupération totale du DON de l’urine et des fèces. Ceux-ci indiquent le rôle important de la voie d’élimination urinaire (Dänicke et al., 2004a). De même, un ratio similaire de 5 % de DOM-1 a été détecté dans l’urine des porcs nourris avec un régime alimentaire contaminé au DON (DOM-14,4 mg kg-1)
(Razzazi et al., 2002) (cité par Dänicke et al. (2004b)). Ces résultats ont montré qu’il y a seulement un peu de DOM-1 transformé et absorbé dans le TGI et finalement excrété par l’urine.
Même si la consommation de DON à court terme peut induire la phase I (l’hydrolyse, la réduction et l’oxidation) et II (les réactions de glucuronidation, de sulfatation, de méthylation et d’acétylation et la conjugaison du glutathion) des enzymes de biotransformation du foie (Gouze et al., 2005), des lignées cellulaires humaines surexprimant le cytochrome p450 ne montrent aucune différence dans la cytotoxicité de
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