Étude de la vestibulotoxicité périphérique des solvants aromatiques par une approche in vitro

Study of the peripheral vestibulotoxicity of aromatic solvents by an in vitro approach

• Auteur / Autrice : Valentin Tallandier
• Direction : Pierre Campo, Gérôme Gauchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 03/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Développement, adaptation et handicap - Régulations cardio-respiratoires et de la motricité (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Paul Avan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Campo, Gérôme Gauchard, Christian Chabbert, Monique Chalansonnet, Carine Bossenmeyer-Pourié, Jordi Llorens Baucells
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paul Avan, Christian Chabbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tests de toxicité in vitro

Potassium dans l'organisme

Système vestibulaire

Composés aromatiques

Toxicologie

Solvants

Mots clés libres

Vestibule

Culture tridimensionnelle

Potassium

Solvants aromatiques

Vestibule

Tridimensional culture

Potassium

Aromatic solvents

Résumé

Les solvants aromatiques (SA) sont des produits chimiques très utilisés dans les secteurs industriels. Certains solvants peuvent engendrer des troubles de l’équilibre qui pourraient être à l’origine de chutes et d’accidents professionnels. Il est bien établi que les SA endommagent les cellules cochléaires mais leurs effets sur le récepteur vestibulaire, qui partage une homologie structurelle avec la cochlée, restent à ce jour inconnus. Cette thèse a donc pour objectif d’évaluer la vestibulotoxicité de différents solvants aromatiques présents dans l’industrie à l’aide d’un modèle in vitro. Pour cela, des utricules et des ampoules sont prélevés chez des rats nouveau-nés puis cultivés dans une matrice gélatineuse. Durant la culture, les explants se referment et forment une sphère remplie d’un liquide dont la composition riche en potassium rappelle celle de l’endolymphe. Ces cultures 3D conservent toutes les cellules impliquées dans le cycle du K+ dont le rôle est déterminant dans la physiologie vestibulaire. La concentration en K+ est mesurée à l’aide d’une microélectrode remplie d’une membrane échangeuse d’ions avant analyses histologiques. Des agents pharmacologiques tels que l’ouabaïne, la bumétanide, la gentamicine et le gadolinium, capables d’inhiber les transporteurs potassiques impliqués dans le cycle du K+, ont permis de valider leur fonctionnalité. Les cultures 3D d’utricule et d’ampoule ont été exposées de manière brève (2 h) ou prolongée (72 h) à différentes concentrations de styrène. Ces deux types d’exposition ont baissé la concentration en K+ et provoqué des dommages histologiques dans les épithéliums sensoriel et sécréteur. Les variations de la concentration en K+ semblent être un marqueur de toxicité plus sensible que les dommages histologiques. Ensuite, les potentiels vestibulotoxiques de l’éthylbenzène, du toluène ou des 3 isomères du xylène ont été comparés en exposant les cultures d’utricules à une concentration de 0,75 mM durant 2 h ou 72 h. Parmi les SA testés, seuls l’éthylbenzène et l’o-xylène ont entraîné une baisse de la concentration en K+ suite à l’exposition prolongée, mais seul l’o-xylène a provoqué des dommages histologiques. Les analyses immunohistologiques et les dosages d’ATP indiquent que les SA déclenchent un processus nécrotique plutôt qu’apoptotique. Par ailleurs, les résultats laissent supposer que la structure chimique serait un paramètre déterminant dans la toxicité des SA sur ce modèle. En conclusion, les résultats de cette thèse suggèrent que les cultures 3D d’utricules et d’ampoules permettraient de réduire le nombre d’animaux pour cribler les molécules potentiellement vestibulotoxiques, compte tenu des huit épithéliums disponibles dans chaque rat nouveau-né. Ce modèle facilite également l’étude des mécanismes toxiques sur le récepteur vestibulaire.

Aromatic solvents (AS) are chemicals widely used in many industrial sectors. Some solvents can cause balance disturbances, which could be the cause of falls and occupational accidents. It is now well established that AS can damage cochlear cells, but their effects on the vestibular receptor, which shares structural homology with the cochlea, remain unknown. The objective of this thesis is to evaluate the toxicity of various AS on the vestibular receptor using an in vitro model. For this, utricles and ampullas are harvested from newborn rats and cultured in a gelatinous matrix. In this environment, the explants close themselves, inflate and ultimately form a sphere filled with a high-potassium endolymph-like fluid. These 3D cultures conserve all the cells involved in the K+ cycle, the role of which is critical in vestibular physiology. The K+ concentration is measured using a microelectrode filled with an ion-exchange membrane before performing histological analyses. The functionality of different cell types was validated using pharmacological agents capable of inhibiting potassium transporters involved in the K+ cycle such as ouabain, bumetanide, gentamicin and gadolinium. The utricle and ampulla cultures were exposed to a range of styrene concentrations for either 2 h or 72 h. These two types of exposure led to a decrease in the K+ concentration and histological damage in the sensory and secretory epithelia. Changes in K+ concentration seem to be a more sensitive marker of toxicity than histological damage. Then the vestibulotoxic potentials of ethylbenzene, toluene or each of the three xylene isomers were assessed by exposing the utricle cultures to 0.75 mM for 2 h or 72 h. Among the tested solvents, only ethylbenzene and o-xylene caused a decrease in K+ concentration following prolonged exposure, but only o-xylene caused histological damage. Immunohistological analyzes and ATP assays both indicate that AS trigger a necrotic process, rather than an apoptotic sequence. These results show that the chemical structure would be a fundamental parameter in the toxicity of solvents on this model. In conclusion, we suggest that utricle and ampulla cultures could be used to screen many potentially vestibulotoxic molecules rapidly, while using few animals given the eight epithelia available in each newborn rat. This model also facilitates the study of toxic mechanisms on the vestibular receptor.