Approche in vitro pour l'évaluation et la prédiction de la toxicité aiguë des fumées issues de fumigènes

In vitro approach for the evaluation and prediction of acute toxicity of fume from smoke devices

• Auteur / Autrice : Aya Ashrin
• Direction : Patricia Rotureau, Guillaume Fayet, Ghislaine Lacroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Toxicologie
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TEAM - Toxicologie ExpérimentAle et Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Périnatalité et Risques Toxiques - UMR INERIS_I 1 UPJV / PERITOX - Institut national de l'environnement industriel et des risques (France)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Monteil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Courcot, Jérémie Pourchez, Samir Dekali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Monteil, Dominique Courcot

Mots clés

Mots clés libres

Méthode alternative

A549-Thp-1

Fumigènes

Inhalation

Ali

Tests in vitro

Alternative method

A549-Thp-1

Pyrotechnic devices

Inhalation

Ali

In vitro tests

Résumé

La toxicité des fumées issues de compositions pyrotechniques (fumigènes), utilisés notamment par les forces armées, est une préoccupation majeure tant pour les fabricants que pour les utilisateurs. En conséquence, une évaluation des dangers liés à l'inhalation de ces fumées (en particulier au niveau pulmonaire) doit être réalisée. Cette évaluation est jusqu'à présent réalisée via des tests expérimentaux nécessitant des essais sur animaux, qui posent des questions éthiques et qui peuvent entraîner des coûts et délais considérables. Par ailleurs, le développement de nouvelles formulations pyrotechniques exige un investissement significatif en recherche et développement avant d'atteindre des niveaux de performance et de sécurité adéquats pour la qualification et la commercialisation.Dans ce contexte, l'adoption de méthodes alternatives in vitro pour anticiper la toxicité des fumées des nouvelles formulations devient cruciale. Cela afin de diminuer le temps et les coûts des essais, tout en évaluant la toxicité potentielle dès les premières phases de R&D, orientant ainsi le développement vers des formulations moins nocives.L'objectif de cette thèse a donc été d'évaluer l'utilisation de modèles in vitro comme alternative à l'expérimentation animale pour caractériser la toxicité aiguë pulmonaire des fumées issues de fumigènes.La première partie du travail de thèse a consisté à choisir un modèle cellulaire pulmonaire à utiliser et à mettre au point. Les paramètres expérimentaux (le support de culture ou encore le débit d'exposition) pour exposer les cellules de la co-culture A549-THP1 choisie aux fumées générées par la combustion de compositions fumigènes ont été optimisés. Dans un second temps, une fois les paramètres expérimentaux définis, une campagne d'essai portant sur 12 formulations de fumigènes et 2 blancs a été menée sur le modèle cellulaire choisi : une co-culture de cellules alvéolaire A549 - THP-1 à l'interface air-liquide (ALI) a été exposée aux fumées issues de fumigènes présentant a priori des niveaux de toxicité différents dans un système de type Vitrocell® (système dynamique) simultanément à l'exposition de rats aux mêmes fumées. Le modèle in vitro s'est révélé en adéquation avec les attendus de ces premiers essais. Dans le cadre de la thèse, le potentiel in vitro cytotoxique, inflammatoire et oxydatif des fumées a été mesuré 24h après exposition. Les réponses in vitro observées ont été comparées aux données in vivo, obtenues en marge de la thèse, par la réalisation de corrélations vivo-vitro. Des corrélations ont été montrées pour les familles HC pour la viabilité et la famille X pour l'inflammation.En conclusion, nos résultats ont facilité l'établissement d'une méthodologie appropriée pour l'évaluation de la toxicité aiguë par inhalation. Ils soulignent l'importance de continuer à développer des modèles in vitro ou des batteries de tests pour cette évaluation en gardant comme objectif de s'aligner au plus près des modèles in vivo tout en conservant une approche standardisée.

The toxicity of fumes from pyrotechnic devices particularly used by armed forces, is a significant concern for both manufacturers and users. Consequently, a danger assessment especially at the pulmonary level related to the inhalation of these fumes must be conducted. So far, this evaluation has been carried out via experimental tests requiring animal trials, which raise ethical concerns and can lead to substantial costs and delays. Moreover, the development of new pyrotechnic formulations demands significant investment in research and development before achieving adequate levels of performance and safety for qualification and commercialization.In this context, the adoption of alternative in vitro methods to anticipate the toxicity of fumes from new formulations becomes crucial to reduce the time and costs of trials while assessing potential toxicity from the early stages of R&D, thus guiding development towards less harmful formulations.The aim of this thesis was to evaluate the use of in vitro models as an alternative to animal experimentation to characterize the acute pulmonary toxicity of fume from pyrotechnic devices.The first part of the thesis work involved the pulmonary cell model selection, which is the A549-THP-1 co-culture, and developing the experimental parameters to expose the cells to fume generated by the combustion of pyrotechnic compositions. Culture support and exposure flow rate were optimized. Subsequently, once the experimental parameters were defined, a test campaign on 12 pyrotechnic formulations and 2 blanks was conducted on the chosen cell model: an A549-THP-1 alveolar cell co-culture at the air-liquid interface (ALI) was exposed to fume with presumably different levels of toxicity in a Vitrocell® type system (dynamic system) simultaneously with the exposure of rats to the same fume. The in vitro model proved predictive of these initial trials. As part of the thesis, the in vitro cytotoxic, inflammatory, and oxidative potential of the fumes was measured 24 hours after exposure. The in vitro responses observed were compared with in vivo data, obtained alongside the thesis, by making vivo-vitro correlations and showed concordances for the HC family viability and the X family inflammation.In conclusion, our results facilitated the establishment of an appropriate methodology for the assessment of acute inhalation toxicity. They underscore the importance of keeping on developing in vitro models or test batteries for this evaluation, with the goal of aligning as closely as possible with in vivo models while maintaining a standardized approach.