Etude de la toxicité in vitro de particules issues de la combustion de fumigénes sur des cellules épithéliales pulmonaires humaines en culture primaire

In vitro toxicity study of particles from pyrotechnic smoke combustion on human pulmonary primary epithelial cells cultures

• Auteur / Autrice : Violaine Martin de lagarde
• Direction : Christelle Monteil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la sante
• Date : Soutenance le 14/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Aliments bioprocédés toxicologie environnements (Caen ; 2012-....) - Aliments Bioprocédés Toxicologie Environnements
• Jury : Président / Présidente : Armelle Baeza-Squiban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Monteil, Armelle Baeza-Squiban, Cécile Corbière, Samir Dekali, Ghislaine Lacroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Courcot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cultures primaires

Tests de toxicité in vitro

Stress oxydatif

Particules (matière)

Fumée -- Utilisation militaire

Mots clés libres

Fumigènes

Particules

Potentiel oxydant

Toxicité in vitro

Cultures primaires cultivées à l’interface air-liquide

Stress oxydant

Pyrotechnic smoke

Particles

Oxidative potential

In vitro toxicity

Primary cells cultures cultured at air-liquide interface

Oxidative stress

Résumé

Les fumigènes s’inscrivent dans le cadre des activités pyrotechniques et sont très utilisés dans le domaine militaire, pour la signalisation et le camouflage. La combustion de fumigènes génère des particules aux propriétés physicochimiques complexes susceptibles de causer des effets toxiques dont les mécanismes ont été très peu étudiés. Ainsi, l’objectif général de ce travail a été d’évaluer la toxicité respiratoire de particules issues de la combustion de fumigènes par des approches in vitro impliquant l’utilisation de modèles de cellules primaires épithéliales trachéo-bronchiques (NHBE) et bronchiolaires (SAEC) cultivés à l’interface air liquide (IAL), représentatifs de l’épithélium respiratoire. Nous avons étudié la fraction particulaire d’un fumigène de signalisation de couleur rouge (RSS), d’un fumigène anti-intrusion (AIS) et d’un fumigène de camouflage à base d’hexachloroéthane (HC-OS), principalement utilisés dans un cadre militaire. Les résultats de la caractérisation physicochimiques des particules montrent qu’elles peuvent être classées comme particules fines à ultrafines (< 400 nm) et qu’elles présentent des compostions chimiques variables en terme de métaux et de composés organiques. Toutes les particules possèdent un potentiel oxydant, mis en évidence par les déplétions de l’acide ascorbique et du dithiothréitol, avec des spécificités de réponses dépendantes du type de particules. Aucun effet cytotoxique (MTT, mesure d’ATP, cycle cellulaire) n’a été mesuré après expositions aiguës (24h) ou répétées (4 x 16h), aux différentes particules et pour les deux modèles cellulaires. Des modifications des marqueurs antioxydants (SOD-1, SOD-2, Catalase, HO-1, NQO-1) et inflammatoires (IL-6, IL-8, TNF-α) sont observés dans les deux modèles cellulaires. L’étude de la toxicité aiguë sur le modèle NHBE est caractérisée par l’induction d’un stress oxydant (production d’ERO, augmentation des défenses antioxydantes), d’une internalisation des particules et d’un remodelage de l’épithélium par les particules RSS alors que peu d’effets sont observés par les particules HC-OS. Étonnement, les expositions répétées aux particules RSS sur le modèle NHBE n’a pas induit de stress oxydant alors qu’un remodelage de l’épithélium a été visible. En conclusion, l’ensemble de ces résultats met en évidence la nécessité de poursuivre les recherches sur les effets toxiques de la fraction particulaire des fumigènes, afin d’améliorer la réglementation et de permettre d’établir des limites d’expositions notamment dans le cadre professionnel militaire.

Pyrotechnic smokes are widely used in the military field, for signaling and obscuring. Their combustion generates particles with complex physicochemical properties that might cause pulmonary adverse effects but the mechanisms of toxicity have been very little studied. This work aimed to explore the in vitro toxicity of particles from a red signaling smoke (RSS), an anti-intrusion smoke (AIS) and an hexachloroethane-based obscuring smoke (HC-OS). In order, to be closer of a physiological airway epithelium, we used models of primary normal human bronchial epithelial cell (NHBE) and small airway epithelial cells (SAEC) cultured at the air-liquid interface (ALI). The results from the physicochemical characterization showed that particles can be classified as fine to ultrafine particles (< 400 nm) and presented variable chemical compositions in terms of metals and organic compounds. All the particles have an oxidative potential, highlighted by the depletions of ascorbic acid and dithiothreitol, with specificities of response depending on the particle type. No cytotoxic effect (MTT, ATP measurement, cell cycle analysis) was measured after acute (24h) or repeated (4 x 16h) exposures to the different particles and for the two cell models. Changes in antioxidant (SOD-1, SOD-2, Catalase, HO-1, NQO-1) and inflammatory (IL-6, IL-8, TNF-α) markers were observed in both cell models. The study of acute toxicity on the NHBE model was characterized by the induction of oxidative stress (production of ROS, increases in antioxidant defences), internalization of particles and remodeling of the epithelium by RSS particles while few effects were observed by HC-OS particles. Surprisingly, repeated exposures to RSS particles on the NHBE model did not induce oxidative stress, although epithelial airway remodeling was visible. In conclusion, all of these results highlight the need to further investigate on smoke particle toxicity in order to establish exposure guidelines in the scope of military professional exposures.