Etude qualitative et quantitative de la biodistribution de nanoparticules d’oxydes métalliques après exposition par voie inhalatoire chez le rat

Qualitative and quantitative study of the biodistribution of metal oxide nanoparticles after inhalation exposure in rats

• Auteur / Autrice : Ibtihel Ben Dhiab
• Direction : Ghislaine Lacroix, Bénédicte Trouiller
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Toxicologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2017; Soutenance le 25/05/2021
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TOXI - TOXICOLOGIE EXPERIMENTALE - INERIS

Mots clés

Mots clés libres

Nanoparticules

Inhalation

Barrière alvéolo-capillaire

Biodistribution

Sp-icp-ms

Modélisation

Nanoparticles

Inhalation

Alveolar-capillary barrier

Biodistribution

Sp-icp-ms

Modelization

Résumé

L'augmentation de la production de nanoparticules (NPs) industrielles soulève de nombreuses inquiétudes quant à leurs effets potentiels sur la santé, étayées par un risque d'exposition important des travailleurs mais aussi de la population générale. Il est reconnu que le système respiratoire constitue une voie d’entrée privilégiée des NPs dans l’organisme, du fait de leur petite taille. Malgré les efforts menés depuis plus de 15 ans en nanotoxicologie, de nombreuses inconnues subsistent encore quant au comportement des NPs dans les poumons, et notamment leur capacité à franchir la barrière alvéolo-capillaire, reconnue comme une cible des NPs inhalées. Si un consensus existe à l’heure actuelle en faveur d’un passage faible et une translocation vers les ganglions trachéo-bronchiques et le foie, ceci n’a été observé que pour des fortes doses d’exposition (Kermanizadeh et al. 2015, Gaté et al., 2017). Or il est probable que les mécanismes de translocation soient différents à des doses plus faibles (Braakhuis et al. 2014; Shi et al. 2013). La toxicité sur la barrière pulmonaire reste encore à préciser. Par ailleurs, les méthodes actuelles de détection (spectrométrie optique ou de masse couplée à un plasma inductif-ICP-MS ou ICP-OES) nécessitent une minéralisation préalable de l’échantillon et de l’élément chimique à doser. Il n’est donc pas possible de connaitre la spéciation ni la forme chimique (dissoute ou particulaire) de l’élément à doser. Or caractériser et quantifier (en termes de concentration et distribution en taille) la présence de NPs dans les tissus biologiques est indispensable pour évaluer leur comportement dans l’organisme et en déduire un potentiel risque pour la santé. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est de contribuer à améliorer les connaissances dans le domaine de la biodistribution de NPs d’oxydes métalliques faiblement solubles dans l’organisme après exposition par voie respiratoire. Nous combinerons une approche in vivo chez le rat de laboratoire exposé par inhalation à un aérosol de NPs d’oxydes métalliques et in vitro sur modèle de barrière alvéolo-capillaire cultivée à l’interface air-liquide. Le devenir des NPs dans l’organisme sera étudié en utilisant une méthode de dosage nouvelle et prometteuse, la spectrométrie de masse couplée à un plasma inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS ou Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry). Cette méthode permet de quantifier et de caractériser les nanoparticules en discriminant les formes particulaires ou dissoutes et en donnant des informations sur la distribution en taille des NPs et leurs agglomérats (<200 nm). Il reste néanmoins à définir la méthode optimale de préparation des échantillons biologiques pour obtenir des résultats fiables car peu de travaux ont à ce jour été menés sur ce sujet (Loeschner et al., 2014). Ceci constituera une part importante du travail de thèse. La toxicité sur la barrière pulmonaire sera évaluée in vivo et in vitro en utilisant des marqueurs de cytotoxicité, de perméabilité, d’inflammation et de stress oxydant. Le passage (internalisation, translocation intra et/ou paracellulaire…) sera caractérisé au niveau des cellules pulmonaires in vivo/in vitro à l’aide de méthodes de microscopie (électronique à transmission MET ou confocale). L’accent sera également mis sur l’utilisation d’outils mathématiques appropriés permettant une exploitation optimale des données générées expérimentalement (plans d’expérience et modélisation des données pour caractériser des phénomènes de passage).

Increased production of industrial nanoparticles (NPs) raises many concerns about their potential health effects, supported by a significant risk of exposure to workers but also to the general population. It is recognized that the respiratory system is a preferred route of entry for NPs in the body due to their small size. Despite efforts over 15 years in nanotoxicology, there are still many unknowns about the behavior of NPs in the lungs, including their ability to cross the alveolo-capillary barrier, which is recognized as a target for inhaled NPs. Although there is currently a consensus in favor of a weak passage and translocation to the tracheo-bronchial ganglia and liver, this has been observed only for high doses of exposure (Kermanizadeh et al., 2015, Gaté et al., 2017). However, it is likely that the translocation mechanisms are different at lower doses (Braakhuis et al., 2014, Shi et al., 2013). The toxicity on the pulmonary barrier remains to be specified. In addition, current detection methods (optical or mass spectrometry coupled to an inductive plasma-ICP-MS or ICP-OES) require prior mineralization of the sample and of the chemical element to be assayed. It is therefore not possible to know the speciation or the chemical (dissolved or particulate) form of the element to be assayed. However, characterizing and quantifying (in terms of concentration and size distribution) the presence of NPs in biological tissues is essential to assess their behavior in the body and to deduce a potential health risk. In this context, the objective of this work is to contribute to improve the knowledge in the field of the biodistribution of NPs of metallic oxides which are weakly soluble in the body after respiratory exposure. We will combine an in vivo approach in the laboratory rat exposed by inhalation to an aerosol of metal oxide NPs and in vitro on alveolo-capillary barrier model cultivated at the air-liquid interface. The fate of NPs in the body will be studied using a novel and promising assay method, single particle induced plasma coupled SP-ICP-MS or Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. This method makes it possible to quantify and characterize the nanoparticles by discriminating the particulate or dissolved forms and giving information on the size distribution of the NPs and their agglomerates (<200 nm). Nevertheless, the optimal method for preparing biological samples remains to be defined in order to obtain reliable results because there has been little work to date on this subject (Loeschner et al., 2014). This will constitute an important part of the thesis work. Pulmonary barrier toxicity will be evaluated in vivo and in vitro using markers of cytotoxicity, permeability, inflammation and oxidative stress. The passage (internalization, intracellular and / or paracellular translocation ...) will be characterized in pulmonary cells in vivo / in vitro using microscopy methods (electronic transmission with TEM or confocal transmission). Emphasis will also be placed on the use of appropriate mathematical tools allowing optimal exploitation of the data generated experimentally (experimental plans and data modeling to characterize transit phenomena).