Identification de marqueurs d’exposition et d’effets de nanoparticules métalliques sur modèle in vitro

Exposure and effect biomarkers identification after exposure of in vitro cell model to metallic nanoparticles

• Auteur / Autrice : Zahra Doumandji
• Direction : Olivier Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 03/05/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Anna Bencsik
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémie Pourchez, Carole Ronzani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Bencsik, Jérémie Pourchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertation universitaire

Nanoparticules métalliques

Marqueurs biologiques

Stress oxydatif

Inflammation

Toxicologie

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules métalliques

Profil d’expression de gènes et de protéines

Oxyde de zinc

Zinc fer oxyde

Nickel zinc fer oxyde

Inflammation

Stress oxydant

Metallic nanoparticles

Genes and proteins expression profile

Zinc oxide

Zinc iron oxide

Nickel zinc iron oxide

Inflammation

Oxidative stress

Résumé

En conséquence de l'extension de l’utilisation des nanoparticules dans différents secteurs industriels, le nombre de travailleurs potentiellement exposés ne cesse de croître, sans parfaitement connaître les propriétés toxicologiques de ces matériaux. Étant donné que les nanoparticules peuvent se trouver en suspension dans l’atmosphère professionnelle, l'inhalation représente une voie d'exposition professionnelle majeure. De ce fait, l’évaluation des risques liés à l’exposition aux nanomatériaux requiert d’entreprendre des études de toxicologie sur des modèles cellulaires des voies aériennes. Dans ce manuscrit, les réponses cellulaires et moléculaires des macrophages alvéolaires de rat (NR8383) exposés à des nanoparticules d’oxydes métalliques : ZnO, ZnFe2O4, NiZnFe2O4, Fe2O3, TiO2-NM105 et TiO2-NRCWE001, ont été étudiées, en combinant des analyses toxicologiques classiques (caractérisation des nanoparticules par microscopie électronique à transmission et par diffusion dynamique de la lumière, évaluation de la cytotoxicité par tests WST-1 et libération de LDH); et de criblage moléculaire à haut débit (analyses de transcriptomique et de protéomique). Des cellules NR8383 ont été exposées aux nanoparticules ZnO, ZnFe2O4, NiZnFe2O4, Fe2O3, TiO2-NM105 et TiO2-NRCWE001 pendant 24 h ce qui a permis de déterminer une dose sub-toxique pour chaque nanoparticule à laquelle les macrophages ont été exposés pour l’analyse moléculaire. Quatre heures suite à l’exposition des cellules aux nanoparticules, de nombreux gènes et protéines étaient différentiellement exprimés. Le stress oxydant était la réponse biologique adverse suite à l’exposition des cellules aux nanoparticules composées de zinc. En revanche, l’inflammation était la principale voie activée dans les cellules exposées à la forme anatase et rutile des nanoparticules de TiO2. En conclusion, cette étude expose les « empreintes biologiques » des deux groupes de nanoparticules d’intérêt. Enfin, notre étude combinée à des travaux antérieurs de la littérature pourraient aussi être profitables pour valider les biomarqueurs d’exposition et d’effets aux nanomatériaux suggérés afin de prédire les effets biologiques adverses.

As a consequence of the extension of the use of nanoparticles in different industrial sectors, the number of potentially exposed workers continues to grow, without fully knowing the toxicological properties of these materials. Since nanoparticles can be aerosolized in the occupational atmosphere, inhalation is the major occupational exposure route. For this reason, risk assessment of exposure to nanomaterials requires toxicology studies to be conducted on cellular models of the airways. In this manuscript, the cellular and molecular responses of rat alveolar macrophages (NR8383) exposed to metallic oxide nanoparticles: ZnO, ZnFe2O4, NiZnFe2O4, Fe2O3, TiO2-NM105 and TiO2-NRCWE001, were studied, combining conventional toxicological analyzes (characterization of nanoparticles by transmission electron microscopy and dynamic light scattering, evaluation of cytotoxicity by WST-1 assays and LDH release); and high throughput molecular screening (transcriptomic and proteomic analyzes). NR8383 cells were exposed to the ZnO, ZnFe2O4, NiZnFe2O4, Fe2O3, TiO2-NM105 and TiO2-NRCWE001 nanoparticles for 24 h which allowed for the determination of a sub-toxic dose for each nanoparticle to which the macrophages were exposed for molecular analysis. Four hours after exposure NR8383 to nanoparticles, many genes and proteins were differentially expressed. Oxidative stress was the adverse biological response following exposure of cells to nanoparticles composed of zinc. In contrast, inflammation was the main activated pathway in cells exposed to the anatase and rutile form of TiO2 nanoparticles. In conclusion, this study exposes the "biological fingerprints" of the two groups of nanoparticles of interest. Finally, our study, combined with previous literature studies, could also be beneficial in validating biomarkers of exposure and effects of nanomaterials suggested in order to predict adverse biological effects.