Les organismes modèles en écotoxicologie : intérêts et limites

PAR Jeanne Lichtfouse, Colleen Guinle, Magali Schiano Di Lombo, Adrien Blanchard, Pierre Techer et Amélie Cant
(N’hésitez pas à commenter l’article en bas de page 🙂 )

L’écotoxicologie, discipline qui étudie les impacts des substances toxiques sur les organismes et les écosystèmes, repose souvent sur l’utilisation d’organismes modèles. Ces espèces, qu’elles soient animales ou végétales, terrestres ou aquatiques, sont sélectionnées pour leurs aptitudes à fournir des données scientifiques pertinentes et extrapolables à un large éventail d’espèces. Dans cet article, nous plongeons dans l’univers des organismes modèles en recherche et plus particulièrement en écotoxicologie en explorant leurs avantages, leurs limites et leurs rôles cruciaux dans la compréhension des risques environnementaux.

1. Qu’est-ce qu’un organisme modèle ?

1.1 Définition et exemples

Un organisme modèle est une espèce sélectionnée pour un ensemble de caractéristiques rendant son étude particulièrement intéressante d’un point de vue scientifique. Ces caractéristiques peuvent inclure des aspects écologiques, physiologiques ou liés au mode de vie. Par exemple : 

• le poisson zèbre (Danio rerio) (Fig. 1A), largement utilisé en raison de sa proximité génétique avec l’homme (70 % de gènes communs), facilitant ainsi la compréhension des mécanismes de toxicité ; 
• l’arabette des dames (Arabidopsis thaliana) (Fig. 1B), plante modèle appréciée pour son génome court et sa facilité de culture en laboratoire ;
• la daphnie (Daphnia magna) (Fig. 1C), un crustacé d’eau douce sensible aux contaminants chimiques et représentatif des écosystèmes aquatiques. 

Le tableau ci-après, sans être exhaustif, liste un certain nombre d’espèces modèles couramment utilisées en écotoxicologie (EPA, 2023).

	Vertébrés	Invertébrés	Végétaux
Organismes d’eau douce	-Le poisson zèbre (Danio rerio) -Le tête de boule (Pimephales promelas) -Le medaka japonais (Oryzias latipesm)	-La daphnie (Daphnia magna et Daphnia pulex) -La hyalelle (Hyalella azteca) -Le rotifère Brachionus calyciflorus	-La micro-algue Raphidocelis subcapitata -Le petite lentille d’eau (Lemna minor)
Organismes marins	-La seiche (Sepia officinalis) -Le bar (Dicentrarchus labrax)	-L’artémie (Artemia salina) -Le copépode (Arcatia tonsa et Tisbe Battagliai) -Les coraux (Acropora spp.) -L’huître creuse (Crassostra gigas) -Les moules (Mytilus spp.)	-Les algues brunes (ex. Macrocystis pyrifera) -Les algues vertes (ex. Dunaliella tertiolecta)
Organismes terrestres	-La souris commune (Mus musculus) -La souris sylvestre (Peromyscus maniculatus)  -Le rat brun (Rattus norvegicus)	-Le nématode (Caenorhabditis elegans) -Le ver du fumier (Eisenia fetida) -Le lombric (Lumbricus terrestris) -L’abeille domestique (Apis mellifera) -La drosophile (Drosophila melanogaster)	-L’arabette des dames (Arabidopsis thaliana)  -Le riz (Oryza sativa)  -Le maïs (Zea mays)

En revanche, certaines espèces, comme les chiens, les chats ou les singes, bien que présentant des caractéristiques scientifiquement intéressantes, peuvent poser des défis éthiques et pratiques plus importants pour leur utilisation en recherche.

Le choix d’un organisme modèle repose sur des critères comme la simplicité de son étude biologique/génétique, la rapidité de son cycle de vie, la facilité de son maintien en laboratoire et sa pertinence écologique ou toxicologique. Un exemple type illustrant la plupart de ces critères est la souris de laboratoire (Mus musculus), espèce la plus utilisée à des fins expérimentales en France à l’heure actuelle. Son élevage simple, la durée courte de son cycle de reproduction et sa proximité génétique avec l’homme en ont fait un modèle de référence en toxicologie humaine.

1.2. A ne pas confondre avec…

Là où les organismes modèles ont joué un rôle essentiel en pharmacologie et toxicologie, l’étude physiologique et écologique d’autres espèces est venue enrichir le domaine de l’écotoxicologie. A ce titre, il est important de distinguer les organismes modèles des espèces sentinelles et bio-indicatrices.

Un organisme sentinelle est une espèce dont le comportement, la survie, ou d’autres réactions servent de « sonnette d’alarme » face à une perturbation du milieu (PIREN-Seine, 2011). Elle est définie comme “toute espèce permettant d’alerter sur un dysfonctionnement ou un déséquilibre du milieu, ou de prévenir des dangers de certaines substances pour la santé humaine” (Amiard et Amiard-Triquet, 2017). Les gammares (Gammarus fossarum ou pulex), petites crevettes d’eau douce, sont un exemple d’espèces sentinelles.

En second lieu, une espèce bio-indicatrice est une espèce qui, par sa présence ou son absence, son abondance ou sa rareté, permet d’apprécier le degré de pollution d’un milieu (PIREN-Seine, 2011). Par exemple, les différentes espèces de lichen sont des bons indicateurs de la qualité de l’air, tandis que les larves arthropodes (dont les larves d’insectes) reflètent la santé des cours d’eau. 

2. Une législation pour encadrer l’utilisation des organismes modèles

L’utilisation des organismes modèles en écotoxicologie est strictement encadrée en Europe et en France, avec un double objectif : garantir le bien-être des animaux tout en permettant des avancées scientifiques. La directive européenne 2010/63/UE, transposée en droit français par le décret n°2013-118 datant de 2013, constitue la pierre angulaire de cette réglementation. Ce cadre législatif établit les règles et les procédures à suivre en imposant notamment l’évaluation éthique des projets de recherche impliquant des animaux, l’utilisation de méthodes alternatives lorsque cela est possible et la mise en place de conditions de vie et de soins appropriées pour les animaux. 

Cette directive couvre tous les vertébrés non humains ainsi que certains invertébrés capables de ressentir la douleur, comme les céphalopodes. Des restrictions particulières s’appliquent aux primates non humains. L’utilisation des grands singes (chimpanzés, gorilles, orangs-outans) est totalement interdite.  En France, selon une enquête de 2022 du Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche, environ 2 millions d’animaux (vertébrés et céphalopodes) sont utilisés chaque année à des fins scientifiques. Avec un peu plus de 66 % des utilisations, le modèle souris reste prépondérant dans la recherche. Il est suivi par les lapins qui représentent 9 % des utilisations, les poissons – toutes espèces confondues – (8,7 %) et les rats (7,8 %) (Fig. 2). Les animaux sont utilisés principalement pour la recherche fondamentale (39 %), les études toxicologiques et réglementaires (24 %) et la recherche translationnelle (23 %) (Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche, 2022). Cependant, certaines zones grises subsistent : par exemple, les larves de poissons zèbres âgées de moins de cinq jours ne sont pas légalement considérées comme des animaux. Elles peuvent ainsi être utilisées sans notification officielle, ce qui soulève des débats sur leur statut éthique.

3. Tests normalisés et aspects éthiques en écotoxicologie

3.1. Tests normalisés : une méthodologie encadrée et reproductible

Les organismes modèles sont au cœur des tests normalisés, ou bioessais, conçus pour évaluer l’écotoxicité d’une substance. Les bioessais ont fait l’objet d’un autre article de ce blog que vous pouvez retrouver en cliquant ici. Ces tests, élaborés selon les directives de l’Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE), assurent une standardisation internationale et une comparabilité des résultats. Les principales catégories de tests utilisés en France incluent : 

• Tests de toxicité aiguë : ils évaluent les effets toxiques immédiats d’une substance sur les organismes vivants, tels que les poissons, les crustacés et les algues.
• Tests de toxicité chronique : ils évaluent les effets à long terme d’une exposition à une substance chimique sur les organismes vivants, en exposant les organismes à des concentrations sublétales (= qui ne tuent pas) sur une période prolongée.
• Tests de biodégradabilité : ils évaluent la capacité d’une substance chimique à se dégrader dans l’environnement, généralement dans l’eau ou le sol.
• Tests d’accumulation et de bioconcentration : ils évaluent la capacité d’une substance à s’accumuler dans les tissus des organismes vivants, souvent réalisés avec des organismes aquatiques comme les poissons.

Ces tests sont largement employés dans le cadre de la législation européenne, notamment pour le règlement européen sur l’enregistrement, l’évaluation, l’autorisation et la restriction des substances chimiques (REACH). Ils sont également utilisés par des organismes français qui réalisent des évaluations du risque environnemental, tels que l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (ANSES) et l’Institut national de l’environnement industriel et des risques (INERIS). La mise en oeuvre de ces tests permet notamment de fixer des valeurs seuils de concentration à ne pas dépasser dans l’environnement telles que les NQE (normes de qualité environnementales) et les PNEC (Concentrations prédites sans effet pour l’environnement).

Lire aussi | Méthode d’évaluation du risque environnemental d’une substance chimique

3.2. L’éthique au cœur des expérimentations

L’éthique de la recherche joue un rôle fondamental dans l’utilisation des organismes modèles en écotoxicologie. Les principes de maximisation des avantages pour la société, de respect des droits et de la dignité des individus, ainsi que de transparence et de responsabilité, doivent guider toute expérimentation. 

Cela inclut également le respect de la règle des 3R – Remplacement, Réduction et Raffinement -, règle concernant uniquement les organismes vertébrés, visant à limiter l’utilisation d’animaux et à minimiser toute forme de souffrance. La notion de “remplacement” correspond au fait de remplacer les animaux par des techniques alternatives, telles que des techniques in vitro (utilisant des cultures cellulaires) ou in silico (utilisant des modèles mathématiques), quand c’est possible. La “réduction” correspond au fait de diminuer au maximum le nombre d’animaux utilisés, alors que la notion de “raffinement” correspond au fait de choisir les méthodes d’élevage et d’expérimentation qui sont les plus adaptées aux expériences, tout en étant les moins douloureuses possible pour les individus. Cependant, ces principes ne couvrent que les vertébrés. Les tests sur les invertébrés, à l’exception des céphalopodes, restent en dehors de ce cadre, bien que ces espèces jouent un rôle clé en écotoxicologie. Cela soulève des interrogations éthiques, notamment en termes de souffrance animale. 

4. Vers une complémentarité des organismes étudiés

Une grande diversité d’organismes modèles est utilisée en écotoxicologie, et leur utilisation varie en fonction des problématiques étudiées. Cependant, le choix des organismes modèles peut parfois être remis en question. Ceux sélectionnés pour les études en laboratoire peuvent ne pas être représentatifs des conditions environnementales réelles et leurs réponses biologiques aux contaminants peuvent différer de celles observées dans la nature. Les résultats obtenus avec un organisme modèle spécifique peuvent donc ne pas être généralisables ou directement extrapolables à d’autres espèces ou à d’autres écosystèmes, limitant une fois de plus la pertinence écologique. C’est pourquoi de plus en plus d’études en écotoxicologie se tournent désormais vers l’utilisation d’organismes non modèles, visant à obtenir une vision plus complète des impacts environnementaux.

Plutôt que de rechercher l’espèce idéale, il est important de reconnaître la complémentarité des organismes entre eux. En combinant des études sur divers organismes modèles de laboratoire (espèces connues et contrôlées) avec des recherches utilisant des organismes non identifiés comme modèles (espèces sauvages moins connues mais plus représentatives de l’environnement), il est possible d’obtenir une batterie d’essais plus représentative, permettant une meilleure évaluation des risques environnementaux.

5. Dépasser les limites de l’utilisation des organismes modèles en écotoxicologie

Bien qu’indispensables en écotoxicologie, les organismes modèles présentent des limites importantes, notamment en termes de représentativité écologique, pouvant compromettre la validité et la pertinence des résultats obtenus. Les études en laboratoire, souvent menées dans des environnements artificiels et contrôlés (ex : aquariums, terrariums), peinent à refléter la complexité des écosystèmes naturels où une multitude de facteurs (interactions interspécifiques, variations climatiques, facteurs environnementaux) interagissent de manière dynamique. De plus, les expérimentations en laboratoire sont souvent réalisées sur des périodes relativement courtes et à des échelles spatiales restreintes. Cela peut limiter la capacité des chercheurs à évaluer les effets des contaminants à long terme ou à grande échelle. Par ailleurs, les interactions complexes entre les différentes espèces et les facteurs environnementaux ne sont souvent pas prises en compte dans les études en laboratoire, ce qui peut conduire à une sous-estimation des effets réels des contaminants sur les écosystèmes.

Face à ces défis, des approches alternatives émergent pour améliorer la pertinence écologique des études écotoxicologiques. 

5.1 Mésocosmes et microcosmes 

Ces dispositifs permettent de reconstituer des fragments d’écosystèmes dans un cadre semi-contrôlé, intégrant des interactions complexes entre espèces. Ils offrent ainsi une meilleure représentativité écologique mais restent néanmoins coûteux et exigeants en termes d’installation, de maintenance et de manipulation. 

5.2 Biosurveillance in situ

Ces études in situ (sur le terrain) visant à évaluer les effets des stress environnementaux, tels que la pollution des milieux, peuvent être de deux types. D’une part, les organismes autochtones peuvent être directement prélevés dans leur milieu naturel, offrant une vision globale des impacts environnementaux : on parle de biosurveillance passive. D’autre part, la méthode du “caging” (ou encagement), qui consiste à transplanter des organismes issus d’une même population (d’élevage ou d’un milieu de référence) sur des sites d’étude visés, permet de standardiser les populations (contrôle du sexe, taille, poids…) tout en tenant compte des conditions locales : on parle dans ce cas de biosurveillance active.

Par exemple, le projet BIOSURVEILLANCE, porté par le GIP Seine-Aval, a évalué l’écotoxicité de la Seine le long d’un continuum terre-mer en encageant des espèces de différents groupes zoologiques (poissons, mollusques et crustacés) représentatifs des différentes masses d’eau (continentale, estuarienne et côtière) (Figure 4).

5.3 Méthodes in vitro et in silico 

L’utilisation des organismes modèles en écotoxicologie a permis l’émergence de méthodes et techniques alternatives novatrices qui contribuent à restreindre l’expérimentation animale et à respecter la règle des 3R. Parmi les avancées techniques majeures figure le développement de tests in vitro utilisant des micro-organismes ou des cultures cellulaires pour évaluer les effets des contaminants sur les organismes. Cette approche innovante permet de réduire, voire même de remplacer complètement l’utilisation d’animaux vivants dans certaines expériences, tout en fournissant des données pertinentes sur la toxicité des substances.

Autre avancée majeure : les modèles in silico, qui utilisent des simulations informatiques pour prédire les interactions entre les contaminants et les organismes. En reproduisant des scénarios environnementaux complexes, ces modèles prédictifs diminuent le recours à l’expérimentation animale tout en fournissant des informations prédictives sur les effets des contaminants. Ces progrès techniques représentent un pas important vers une recherche écotoxicologique plus éthique et efficace. 

5.4 Approches omiques et multi-échelles 

Cette évolution des approches s’accompagne d’une complexification croissante du domaine, intégrant des méthodes multi-échelles. Par exemple, les recherches en nanoécotoxicologie portent sur les effets des nanoparticules sur les écosystèmes aquatiques et terrestres, tandis que la mésoécotoxicologie étudie les effets des polluants à chaque niveau d’organisation biologique, de la cellule à l’écosystème. 

En parallèle, les technologies omiques – comprenant la génomique, la transcriptomique, la protéomique et la métabolomique – offrent une meilleure compréhension des mécanismes de toxicité au niveau moléculaire et permettent d’identifier des biomarqueurs pertinents et spécifiques. Associées à des études à plusieurs niveaux biologiques (cellules, individus, populations, écosystèmes), elles offrent une vision intégrative des impacts environnementaux. 

5.5 Nouvelles approches méthodologiques

Les Nouvelles Approches Méthodologiques (NAMs), fortement soutenues par l’OCDE, englobent l’ensemble des techniques alternatives aux méthodes traditionnelles, notamment les méthodes in chemico (= étude des réactions chimiques sans système biologique), in vitro, in vivo, approches intégrées de test et d’évaluation (IATA), ainsi que les applications d’Intelligence Artificielle (IA) et d’apprentissage automatique.

Les nouveautés représentées par les modèles prédictifs et la simulation informatique pourraient transformer la manière dont nous évaluons les risques environnementaux. Les modèles de distribution spatiale des contaminants, les modèles de dynamique des populations et les modèles de réseaux trophiques (chaîne alimentaire) pourraient être utilisés pour prédire les effets des polluants sur les populations, les communautés et les écosystèmes dans des scénarios futurs. Cela permettrait aux décideurs de prendre des mesures préventives et d’adopter des politiques de gestion plus efficaces pour protéger l’environnement et la santé humaine.

Article posté le 10 novembre 2024 par (de gauche à droite) :

• Jeanne Lichtfouse, PharmD (ISPB Lyon) & PhD (Université de Nîmes, Laboratoire CHROME EA 7352)
• Colleen Guinle, doctorante de l’Institut des Substances et Organismes de la Mer (ISOMer), Nantes Université, UR 2160
• Magali Schiano Di Lombo, PhD (Université de Marseille, laboratoire d’Ecotoxicologie des Radionucléides, IRSN Cadarache)
• Adrien Blanchard, doctorant (INRAE, AgroParisTech, Unité Mixte de Recherche ÉcoSys)
• Pierre Techer, doctorant au Laboratoire d’Ecotoxicologie des Radionucléides (IRSN Cadarache), Université de Marseille, ED 251
• Amélie Cant, post-doctorante en écotoxicologie à l’IFREMER, unité COAST LERN, Port-en-Bessin

Cet article a été rédigé dans le cadre de la société savante française S.E.F.A. (Société d’Écotoxicologie Fondamentale et Appliquée), dont l’objectif, depuis 1983, est de faire progresser les éléments fondamentaux et appliqués de l’écotoxicologie par la recherche, la surveillance, la gestion, la réglementation et l’enseignement. Elle vise à rassembler les experts du domaine et ceux qui s’intéressent à l’écotoxicologie en encourageant la coopération et la communication.