In vitro toxicity and in vivo toxicity of engineered nanoparticles : role of chemical composition, surface area and size

• Auteur / Autrice : Salik Hussain
• Direction : Francelyne Marano, Sonja Boland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Toxicologie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules épithéliales

Stress oxydatif

effets des médicaments et substances chimiques

Bronches

Nanotubes de carbone

induit chimiquement

Inflammation

Apoptose

toxicité

Titane

Résumé

Les nanomatériaux sont de plus en plus utilisés dans de nombreux secteurs industriels et dans des produits de consommation courante, mais leurs effets sanitaires et environnementaux ne sont toujours pas bien compris. Ce travail de thèse a été réalisé dans le but d'étudier les relations entre les caractéristiques physico-chimiques des nanoparticules (NP) de noir de carbone (NC), de dioxyde de titane (TiOi) et d'or (Au) et leurs effets toxiques, en particulier au niveau de l'appareil respiratoire, voie entrée principale des nanoparticules manufacturées. Des études in vitro ont été réalisées sur des cellules épithéliales bronchiques humaines (cultures primaires et la lignée bronchique humaine 16HBE14o-) alors que, dans les études in vivo, des modèles de souris BALB/c chez lesquelles on a induit l'asthme et la sensibilisation dermique par le diisocyanate, ont été utilisées. Les études in vitro et in vivo ont montré que les NPs sont facilement internalisées par les cellules épithéliales bronchiques ainsi que par les macrophages alvéolaires. Cette internalisation est dépendante de la dose et de la taille dans le cas des cellules épithéliales et un pourcentage plus élevé de macrophages avec des NPs internalisées a été noté dans le cas d'animaux sensibilisés au diisocyanate. Une translocation des NP d'or a été observée après une exposition oropharyngée. Les NPs produisent des espèces activées de l'oxygène (EAO) en condition acellulaire selon la nature chimique, la surface spécifique et la taille des NPs (avec les NC plus réactif que le TiO₂), de plus le type d'EAO intracellulaire produit dépend aussi de la nature chimique des NPs. Les voies d'apoptose induites dépendent de la nature chimique des NPs puisque le NC induit l'apoptose par une voie mitochondriale dépendante des EAO alors que le TiO₂ induit l'apoptose par la voie lysosomale et une peroxydation lipidique. La réponse transcriptomique globale évaluée par microarray, montre que des fonctions biologiques diverses sont induites par le NC et le TiO₂ impliquant de nombreux gènes. Les effets proinflammatoires, dans les cellules épithéliales bronchiques en culture, dépendent de la surface de la particule et se traduisent par l'expression des mARN de plusieurs cytokines ainsi qu'à la sécrétion de GM-CSF, IL-6 et TNFoc. Dans des conditions in vivo, les NPs modulent sensiblement les réponses inflammatoires et l'hyperréactivité bronchique induites par le diisocyanate. Le LLNA a révélé un effet adjuvant du TiO₂ et de l'or à de faibles concentrations. En conclusion, nos résultats montrent l'importance de la surface des particules primaires, de la nature chimique et de la taille dans les effets proinflammatoires, oxydatifs et pro-apoptotiques induits par les NPs. De plus, elles montrent un effet adjuvant dans les souris BALB/c.

Nanomaterials are gaining increasing utilizations in every sector of life but their health and environmental effects are still lacking complete understanding. The present study was designed to investigate the role of carbon black (CB), titanium dioxide (TiO₂) and gold (Au) nanoparticle (NP) physicochemical characteristics in the toxic effects on the respiratory System. In vitro studies were done on bronchial epithelial cells (primary as well as 16HBE14o- cell Une) while in vivo studies on diisocyanate induced asthma and dermal sensitization were performed using BALB/c mice. Both in vitro and in vivo results indicated that NPs are readily internalized by bronchial epithelial cells as well as by alveolar macrophages. This internalization was dose and NP size dependent in case of epithelial cells and a higher percentage of macrophages with engulfed NPs was noted in case of chemical sensitized animals. Translocation of Au NPs was observed after oropharyngeal exposure and targeting of distinct organs was noted in case of inflammation. Reactive oxygen species (ROS) production by NPs under cell free conditions depend upon the chemical nature, surface area anc size of the NPs (with CB being more reactive than TiO₂) while the type of intracellular ROS produced also depends upon the chemical nature of NPs. NPs induced apoptotic pathways depend upon the chemical nature of NPs as CB NPs induced apoptosis through a ROS dependent mitochondrial pathway while TiO₂ induced apoptosis through lysosomal pathway and lipid peroxidation. The global transcriptome response evaluated by microarray showed that different biological fonctions are induced by CB and TiO2 NPs involving different genes. NPs showed strong primary particle surface area dependent proinflammatory effects in bronchial epithelial cells under in vitro conditions leading to mRNA expression and secretion of GM-CSF, IL-6 and TNFa whereas under in vivo conditions NPs significantly modulated the asthmatic and inflammatory responses induced by diisocyanates. The LLNA revealed adjuvant effect of Au and TiO₂ NPs at low concentrations. In conclusion our results demonstrate the significance of primary particle surface area, chemical nature and size in proinflammatory, oxidative and apoptotic effects of NPs.