Sulfur mustard (SM) is a highly potent alkylating vesicant agent and remains a relevant threat to both civilians and military personnel. The eyes are the most sensitive organ after airborne SM exposure, causing ocular injuries with no antidote or specific therapeutics available. In order to identify relevant biomarkers and to obtain a deeper understanding of the underlying biochemical events, we performed an untargeted metabolomics analysis using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry of plasma samples from New Zealand white rabbits ocularly exposed to vapors of SM. Metabolic profiles (332 unique metabolites) from SM-exposed (n = 16) and unexposed rabbits (n = 8) were compared at different time intervals from 1 to 28 days. The observed time-dependent changes in metabolic profiles highlighted the profound dysregulation of the sulfur amino acids, the phenylalanine, the tyrosine and tryptophan pathway, and the polyamine and purine biosynthesis, which could reflect antioxidant and anti-inflammatory activities. Taurine and 3,4-dihydroxy-phenylalanine (Dopa) seem to be specifically related to SM exposure and correspond well with the different phases of ocular damage, while the dysregulation of adenosine, polyamines, and acylcarnitines might be related to ocular neovascularization. Additionally, neither cysteine, N-acetylcysteine, or guanine SM adducts were detected in the plasma of exposed rabbits at any time point. Overall, our study provides an unprecedented view of the plasma metabolic changes post-SM ocular exposure, which may open up the development of potential new treatment strategies.

L'ypérite, ou gaz moutarde, est un agent chimique de guerre vésicant utilisé pour la première fois en 1917. L'ypérite affecte de nombreux organes dont les yeux, les poumons et la peau sur laquelle elle induit des phlyctènes caractéristiques de son intoxication. De plus, plusieurs publications décrivent des effets psychiques chez des victimes ayant été exposées à l'ypérite. Son utilisation est prohibée par la Convention sur l'Interdiction des Armes Chimiques (CIAC). Elle est uniquement possible à des fins de recherche, dans des laboratoires habilités, dont l'Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA). De ce fait, de nombreux laboratoires sont contraints de substituer l'ypérite par des analogues tels que le 2-chloroéthyl-éthylsulfide (CEES), très proche structurellement. Cette thèse comporte deux thématiques en lien avec l'ypérite : une thématique cutanée et une thématique comportementale. Dans le cadre de la thématique cutanée, nous avons tout d'abord mis au point un protocole d'exposition aux vapeurs de CEES sur des souris SKH-1 afin d'induire des lésions semblables à celles provoquées par l'ypérite. Nous avons ensuite comparé plusieurs paramètres physiologiques et cutanés (taille des lésions, perte insensible en eau, hydratation, couleur) et effectué des analyses d'histologie et de biologie moléculaire à partir de biopsies de peau. Les résultats ont montré que le CEES et l'ypérite induisent tous deux des nécroses profondes. Cependant, le stade nécrotique a été atteint plus rapidement avec l'ypérite qu'avec le CEES (J1 vs J3 post-exposition). De plus, l'intensité des lésions induites par l'ypérite était plus forte notamment en termes d'inflammation. Malgré cela, les lésions induites avec les deux agents ont abouti à un état lésionnel similaire en fin de procédure (J14 post-exposition). Par ailleurs, la Cx-43, protéine ubiquitaire impliquée dans la cicatrisation cutanée, était dérégulée avec les deux agents. Cette dérégulation de la Cx-43 pourrait ainsi participer à la chronicité des lésions. Le CEES semble donc être un analogue pertinent de l'ypérite pour évaluer de nouveaux traitements. Afin d'accélérer la cicatrisation des lésions induites par le CEES, nous avons choisi de réguler négativement la Cx-43 à l'aide d'un ARN antisens anti Cx-43 et du peptide ACT1. Ces deux molécules candidates ont été appliquées quotidiennement par voie topique, jusqu'à J3. Cependant, les résultats ont montré que les molécules étudiées n'ont pas permis d'accélérer la cicatrisation cutanée. Un changement de mode d'administration pourrait permettre d'améliorer la biodisponibilité de ces molécules. Dans le cadre de la thématique comportementale, nous avons exposé par voie cutanée des souris C57/Bl6J au CEES pur ou dilué ainsi qu'à de l'acide chlorhydrique (témoin brûlure). Les performances cognitives et le statut émotionnel des souris ont ensuite été évalués grâce à des tests comportementaux standardisés réalisés jusqu'à J5. Les résultats ont montré que contrairement aux autres groupes, les souris exposées au CEES pur présentaient un état anxieux dans les tests du labyrinthe en croix surélevé et de l'open-field. De plus, un déficit en mémoire de travail a été observé dans le test du labyrinthe en T. Parallèlement, une étude analytique a mis en évidence la présence d'adduits du CEES dans le cerveau de souris SKH-1 exposées par voie cutanée. La présence d'adduits cérébraux pourrait être liée aux effets comportementaux observés. Une étude de corrélation entre le taux d'adduits cérébraux et les performances des souris serait nécessaire pour explorer cette hypothèse. Nos travaux de thèse ont donc permis de mettre au point un modèle d'exposition aux vapeurs de CEES et d'évaluer la pertinence et l'intérêt du CEES en tant qu'analogue de l'ypérite. En conclusion, nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives de recherches sur les effets physiopathalogiques de l'ypérite et de ses contremesures médicales.

Sulfur mustard (SM) is a chemical blistering warfare agent for which there exists no specific treatment or antidote. Almost 90 % of exposed victims show ocular lesions. Indeed, eyes are the most sensitive organs to airborne exposure. To improve medical care for victims by offering them a prognosis of lesion severity, we evaluated different parameters to predict the severity of SM-induced ocular lesions in a rabbit model. We followed the procedure for SM vapor exposure only on the right cornea of female New Zealand white rabbits using vial caps. Macroscopic eye observations and standardized measurements were performed on the anterior and posterior segments until D35 post-exposure. We set up a severity score based on non-invasive anterior segment observations and measurements, which led to the identification of two subgroups of SM-exposed rabbits: rabbits with severe and moderate ocular lesions. This severity score could be helpful in predicting the progression of SM-induced ocular injuries since subgroups split as early as D7. Our score can thus be used to investigate predictive SM ocular biomarkers and to test new therapeutics.

Background/Objectives: Sulfur mustard (SM) is an old warfare agent that remains a threat to both military personnel and civilians. SM contamination occurs through three main routes: dermal contact, inhalation, and ocular exposure. The clinical consequences of ocular exposure range from conjunctivitis and ulcerations to blindness. While these pathophysiological consequences are well-established, the mechanisms of action of SM in the eyes are not fully understood. Methods: The present study, which was conducted in rabbits, aimed at quantifying a series of biomarkers resulting from the electrophilic addition of SM to glutathione and nucleic acids in multiple biological matrices. This allowed us to investigate the distribution of SM within the ocular sphere and its diffusion to distant organs. Results: SM biomarkers were detected in large amounts in tears and aqueous humor but at substantially lower levels in the vitreous humor. No evidence of diffusion was observed from the exposed eye to plasma and distant organs, including the brain, liver, and lungs. Conclusions: These results are in agreement with a role for the cornea as a major sink for SM, thereby preventing damage to other ocular compartments and systemic diffusion.