Capacité de modèles in vitro de complexité différente à prédire les réponses toxiques pulmonaires observées in vivo après exposition aiguë à des nanoparticules de TiO2 et de CeO2

Predicting the in vivo pulmonary toxicity induced by acute exposure to TiO2 and CeO2 nanoparticules by using in vitro methods

• Auteur / Autrice : Thomas Loret
• Direction : Christophe Egles, Ghislaine Lacroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomatériaux et Bio-ingénierie : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 20/03/2017
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Expérimentation non animale

Tests de toxicité in vivo

Tests de toxicité in vitro

Toxicologie expérimentale

Toxicologie pulmonaire

Nanoparticules

Mots clés libres

Toxicité respiratoire

Interfaces air-liquide (ALI)

NPs

Nanoparticles

Pulmonary toxicity

In vitro

In vivo

Alternative to animal experimentation

Air-liquid interface

NPs

Résumé

Les nanoparticules (NPs) représentent un danger potentiel pour la santé des travailleurs et du grand public, notamment en cas d’exposition par voie respiratoire. Si une NP est évaluée in vivo comme toxique chez l’animal, cela peut inciter à prendre des mesures pour réduire l’exposition de l’Homme à celle-ci, avant qu’il y ait des conséquences sanitaires graves. Les études in vivo sont donc d’une importance capitale afin de diminuer les potentiels risques sanitaires des NPs pour l’Homme. Néanmoins, dans un contexte de réduction du nombre d’animaux utilisés et compte tenu du nombre important de NPs existantes et de leur grande diversité physico-chimique, la toxicologie a besoin de modèles alternatifs, comme le in vitro, permettant de prédire de manière fiable les potentiels effets pulmonaires chez l’Homme. Des progrès importants ont été faits pour développer des modèles in vitro pulmonaires plus physiologiques et des méthodes d’exposition permettant de simuler l’inhalation de NPs in vitro. Cependant, des incertitudes existent quant à la capacité de ces nouveaux modèles in vitro à prédire les réponses observées in vivo dans les poumons après exposition à des NPs. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été d’évaluer la capacité de plusieurs méthodes in vitro, de complexité différente, à prédire les effets toxiques observés in vivo chez le rat après exposition aiguë (24h) pulmonaire à des NPs métalliques faiblement solubles de TiO2 et de CeO2. Dans un premier temps, des expérimentations in vitro ont été effectuées afin d’évaluer si exposer des cellules alvéolaires à l’interface air-liquide (ALI) à des aérosols de NPs de TiO2 et de CeO2, générait des résultats différents par rapport à des expositions classiques à des suspensions en submergé. Dans un second temps, des expérimentations in vivo par aspiration intratrachéale ont été réalisées afin de comparer les réponses toxiques pulmonaires in vitro avec celles obtenues in vivo. Pour comparer les réponses pulmonaires in vivo et in vitro, des référentiels de dose similaires, notamment la masse par unité de surface ou par macrophage, ont été utilisés. Après 24h d’exposition, des réponses biologiques significatives (inflammation principalement) ont été observées in vitro à des doses inférieures à l’ALI par rapport au submergé. Nous avons par ailleurs souligné la nécessité de prendre en compte les doses réellement déposées sur les cellules ainsi que le débit de dose pour effectuer les comparaisons entre les deux méthodes d’exposition in vitro utilisées. Nous avons ensuite comparé les résultats in vitro avec ceux obtenus in vivo. Nous avons constaté que la méthode ALI générait des résultats plus prédictifs du in vivo, en termes de niveau d’activation des réponses toxiques à 24h. Finalement, nous avons établi un classement des quatre NPs utilisées dans notre étude et celles-ci ont été classées similairement in vivo et in vitro et quelle que soit la méthode utilisée in vitro. Nous avons par ailleurs montré l’importance de considérer la surface active des NPs pour établir ce classement. En conclusion, notre approche nous a permis de mieux évaluer le fossé existant entre le in vivo et le in vitro. Nos résultats soulignent l’intérêt d’utiliser des méthodes in vitro plus réalistes et plus proches de la physiologie humaine dans le but de modéliser les potentiels effets indésirables des NPs pour l’Homme. Cela ouvre des perspectives quant à l’utilisation et au développement de méthodologies in vitro de plus en plus représentatives des conditions d’exposition in vivo.

Nanoparticles (NPs) represent a potential danger for workers and public, especially after inhalation. When a NP is shown toxic for the lungs in vivo in animals, this can incite regulators to implement measures to reduce human exposure risks. The in vivo studies are thus of utmost importance in reducing the potential health risks for humans. However, in a context of a diminution in the number of animals used in experimentations and considering the high number of NPs used and their physicochemical diversity, there is an urgent need for alternative methods, like the in vitro, which could be used to predict the potential health effects of NPs in human. Many progresses have been made recently to develop more physiological cell models and exposure methods simulating the inhalation of NPs in vitro. Nevertheless, uncertainties remain regarding the capacity of these new in vitro methods to predict the biological responses observed in vivo into the lungs after exposure to NPs. In this context, the aim of our study was to assess the ability of several in vitro methods, differing in complexity, to predict the adverse responses observed in vivo in rat lungs after acute exposure (24h) to several metallic and poorly soluble TiO2 and CeO2 NPs. For this, in vitro experimentations were first performed to assess if exposing alveolar cells in monoculture or in co-culture at the ALI interface to aerosols of NPs, generated different results compared to classic exposure in submerged conditions to suspensions. In a second step, rats were exposed by intratracheal aspiration of NP suspensions to compare the biological responses in vitro to those obtained in vivo. To compare the pulmonary responses in vivo and in vitro, similar dose metrics were selected, including the mass per surface unit or per macrophage. After 24h of exposure, significant biological responses (mostly inflammation) were observed at lower doses at the ALI compared to in submerged conditions. Moreover, we highlighted the necessity to take into account the deposited dose on the cells and the timing of the dose delivery in order to compare the two exposure methods used in vitro. When we compared the responses in vitro to those observed in vivo, we noticed that the ALI methods generated more predictive results than the submerged one, in term of biological activation levels after 24h of exposure. Finally, a ranking of the four NPs used in our study was provided and the NPs were ranked similarly both in vivo and in vitro and whatever the exposure method used in vitro. We also showed the importance of the surface area when ranking the poorly soluble NPs. In conclusion, the gap existing between the in vivo and the in vitro has been evaluated in our study. Our results highlighted the relevance of using more realistic in vitro exposure methods to model the potential adverse effects of NPs for human. This brings perspectives about using and developing in vitro methods mimicking more closely the in vivo exposure conditions.