Caractérisation des mécanismes gouvernant le transfert des actinides des poumons vers le sang suite à une contamination pulmonaire

Characterisation of the mechanisms driving actinides transfer from lungs to blood after a contamination by inhalation

• Auteur / Autrice : Guillaume Drouet
• Direction : Anne Van der Meeren, Jaime F. Angulo-Mora
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Toxicologie
• Date : Soutenance le 22/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de radiobiologie expérimentale et innovation technologiques (Fontenay-aux-Roses, Hauts-de-Seine ; 19..-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Santé et médicament (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Tsapis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Moisy, Sabine Francois, Estelle Davesne, Sonja Boland, Jérémie Pourchez, Jean Aupiais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Moisy, Sabine Francois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exposition par inhalation

Américium

Plutonium

Actinides

Mots clés libres

Actinides

Inhalation

Décorporation

Émetteurs alpha

Radiotoxicologie

Actinides

Alpha-Emitters

Inhalation

Radiotoxicology

Decorporation

Résumé

Une contamination interne par inhalation d’actinides transuraniens émetteurs α comme le plutonium (Pu) ou l’américium (Am) peut survenir dans le cadre de leur dissémination subséquente à la survenue d’accidents industriels ou d’actes malveillants (« bombes sales »). Lors de tels scénarios, l’irradiation chronique et localisée des tissus par les radioéléments incorporés peut induire à long terme un risque de développement d’effets déterministes (fibroses) et stochastiques (cancers). Le devenir biologique des actinides dépend de leurs propriétés physico-chimiques initiales, et en particulier de leur solubilité : les composés insolubles sont phagocytés par les macrophages et retenus à long terme au niveau des poumons, tandis que leur fraction transférable est absorbée dans la circulation sanguine pour être transférée aux organes cibles (foie, os). Or si la biocinétique d’absorption des différentes formes physico-chimiques du Pu et de l’Am a déjà été décrite in vivo, leurs mécanismes de translocation à travers de la barrière alvéolo-capillaire n’ont à notre connaissance jamais été étudiés. De plus, l’efficacité du seul traitement chélateur actuellement préconisé pour accélérer la décorporation des actinides, le calcium diéthylènetriaminepentaacétique (Ca-DTPA), reste limitée au niveau pulmonaire. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse avaient ainsi pour objectif d’identifier les mécanismes de transfert des différentes formes du Pu et de l’Am à travers la barrière respiratoire, en mimant in vitro leur translocation à l’aide de la lignée cellulaire d’origine bronchique Calu-3. Par analogie avec les mécanismes établis pour d’autres composés, nous avons supposé que la translocation des actinides à travers la barrière alvéolo-capillaire pouvait s’effectuer soit par transfert polarisé après internalisation par les cellules épithéliales (voie « transcellulaire »), soit par diffusion au niveau des jonctions serrées intercellulaires (voie « paracellulaire »). L’influence de la nature et de la forme physico-chimique initiale des radioéléments, ainsi que de leur complexation par les ligands biologiques (sérum) et les agents chélatants (DTPA ou HOPO) a ainsi été évaluée sur l’internalisation des actinides par les cellules puis sur leur transfert à travers la barrière épithéliale. Nos résultats montrent que la liaison des actinides aux cellules pouvait varier en fonction de la nature des radioéléments (Pu > Am), ainsi que, dans le cas du Pu, de sa forme physico-chimique initiale (citrate < nitrate < colloïdes). La complexation du Pu et de l’Am par les ligands biologiques du sérum et par l’agent DTPA inhibe l’association aux cellules, ainsi que l’internalisation par celles-ci. Nos résultats montrent également que l’Am et les formes complexées du Pu entrent de manière passive dans les cellules, alors que l’internalisation des formes « libres » du Pu impliquerait un mécanisme actif. Par contraste, aucune différence n’a été observée au niveau du transfert à travers la barrière épithéliale des formes « libres » des radioéléments et de celles liées aux bioligands du sérum. Le transfert des actinides était comparativement plus important en présence des agents chélatants (DTPA ou HOPO, 50 µM), et réduit par l’ajout de Dexaméthasone (3.57 µM), une hormone glucocorticoïde diminuant la perméabilité des jonctions serrées épithéliales. Ceci suggère une diffusion au niveau paracellulaire des complexes Pu/Am-DTPA et -HOPO. En conclusion, nos résultats montrent que la complexation des actinides semble avoir une influence importante sur leurs interactions avec les cellules épithéliales pulmonaires, et pourrait ainsi jouer un rôle dans leur devenir biologique dans l’organisme.

Internal contamination by inhalation of α-emitting transuranic actinides like plutonium (Pu) or Americium (Am) may occur in the wake of their accidental release from a nuclear facility, or from the explosion of a radiological dispersal device (“dirty bomb”). For these scenarios, chronic and heterogeneous irradiation of the organism by incorporated radioelements may enhance the longterm risks for deterministic effects (fibrosis) and stochastic health effects (cancers). The biological fate of actinides depends on their initial physico-chemical properties, and particularly on their solubility: insoluble compounds are engulfed into macrophages and retained in the long term in the lungs, whereas their transportable fraction is absorbed into blood and transferred to target organs (liver, bones). Although the absorption kinetics of Pu and Am under various chemical forms have already been described in vivo, the mechanisms involved in their translocation across the respiratory barrier have, to our knowledge, never been investigated. Furthermore, a limited efficacy has been reported in the lungs for the only chelating agent approved for decorporation, diethylenetriaminepentaacetate (DTPA). The aim of our work was to better understand the mechanisms involved in the transfer of different chemical forms of Pu and Am across the respiratory barrier, by mimicking in vitro their translocation with the human bronchic epithelial cell line Calu-3. By analogy with the mechanisms described for other compounds in the literature, we hypothesized that translocation of actinides across the alveolar-capillary barrier could occur either by transcytosis (after internalization by epithelial cells : “transcellular pathway”), or by diffusion across intercellular tight junctions (“paracellular pathway”). Both the influence of the nature and initial chemical form of radioelements, as well as the influence of their complexation with biological ligands (serum) and chelating agents (DTPA, HOPO) were investigated on binding & uptake by cells, and transfer across the epithelial barrier. Our results show that binding to cells depended on the nature of actinides (Pu > Am), and in the case of Pu, on its initial chemical form (citrate < nitrate < colloids). Complexation of Pu and Am with serum bioligands and DTPA inhibited their binding and uptake by cells. Our results also show that Am and complexed forms of Pu are internalized by passive diffusion into cells, whereas uptake of “free” forms of Pu involves an active mechanism. By contrast, no differences were observed between the transfer of “free” forms of actinides, and of “bound” complexes with bioligands. Transfer of actinides was enhanced by chelating agents DTPA and HOPO (50 μM), and reduced by Dexamethasone, a glucocorticoid hormone (3.57 μM) decreasing tight junction permeability. This suggests the involvement of a paracellular diffusion of Pu/Am-DTPA and –HOPO complexes. Overall, our results show that complexation of actinides seems to have an important influence on their interactions with pulmonary epithelial cells, and therefore possibly on their behavior within the body.