Génération contrôlée et détermination de l'impact toxicologique des aérosols organiques secondaires

Controlled generation and determination of the toxicological impact of secondary organic aerosols

• Auteur / Autrice : Florence Jacob
• Direction : Jean-Marc Lo-Guidice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 29/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMPact de l'Environnement Chimique sur la santé humaine (Lille)
• Jury : Président / Présidente : Francelyne Marano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Tomas, Cécile Coeur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Albinet, Christelle Monteil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Chromatographie en phase liquide à haute performance

Poumon

Cellules épithéliales

Inflammation

Stress oxydatif

Xylènes

Limonène

toxicité

Composés organiques volatils

effets indésirables

Pollution de l'air

Spectrométrie de masse

Chromatographie en phase liquide à hautes performances

Cellules épithéliales

Toxicologie pulmonaire

Inflammation

Stress oxydatif

Xylènes

Limonène

Aérosols organiques secondaires

Composés organiques volatils

Toxicologie

Pollution atmosphérique

Mots clés libres

Aérosols organiques secondaires

Stress oxydant

Potentiel oxydant

Inflammation

Chromatographie phase liquide spectrométrie de masse

Cellules épithéliales bronchiques humaines

Secondary organic aerosols

Oxidative stress

Oxidative potential

Inflammation

Liquid chromatography mass spectrometry

Human bronchial epithelial cells

Résumé

L'exposition chronique aux particules atmosphériques d’un diamètre inférieur à 2,5 μm (PM2,5) à des concentrations supérieures au niveau recommandé par l'organisation mondiale de la santé est à l’origine de la survenue et/ou l’aggravation de pathologies respiratoires, cardiovasculaires, neurologiques, voire de cancers. Des valeurs seuils réglementaires ont été définies concernant la concentration massique ambiante des PM2,5. Cependant, ces valeurs ne tiennent pas compte de l’impact des variations de la composition chimique des particules sur les effets biologiques induits. Une attention particulière a été portée dans la littérature sur plusieurs composés reconnus comme nocifs tels que les métaux et les hydrocarbures aromatiques polycycliques qui ont pour certains étés réglementés. Néanmoins, d’autres constituants sont encore, à ce jour, peu étudiés alors qu’ils pourraient jouer aussi un rôle important dans la toxicité particulaire. Il s’agit notamment des aérosols organiques secondaires (AOS) qui constituent une fraction chimique majeure des PM2,5 et peuvent représenter jusqu'à 90% de leur masse de matière organique. Ils sont formés par réaction/oxydation/condensation de composés organiques volatils (COV) dans l'atmosphère. Une hausse de la concentration des AOS en air ambiant est attendue dans le futur en raison de l'augmentation concomitante des émissions de précurseurs de COV et de la capacité oxydante de l'atmosphère liés au changement climatique. Dans ce contexte, ce projet de thèse a consisté, dans un premier temps, à générer des AOS modèles résultant de l'oxydation de deux COV largement présents dans l'atmosphère, l'un d'origine biogénique, le limonène, et l'autre d'origine anthropique, le m-xylène. L’ozonolyse du limonène et la photooxydation du m-xylène ont été respectivement réalisées dans un réacteur à écoulement et une chambre de simulation. 2 types d’oxydation ont été testés pour la synthèse des AOS biogéniques : l’une avec une concentration faible et l’autre avec une concentration forte d’ozone. Les phases particulaires ont été ensuite caractérisées en termes de granulométrie (particules quasi-ultrafines de quelques centaines de nm), de masse et de composition chimique (fonctions hydroxyles, carbonyles, acides carboxyliques, oligomères, pour le limonène ; nitrophénols, dimères pour le xylène). Dans un second temps, le potentiel oxydant intrinsèque (PO) des AOS biogéniques et anthropiques générés a été évalué, de même que leur impact toxicologique, en termes de stress oxydant et d’effets inflammatoires, sur un modèle de cellules épithéliales bronchiques humaines immortalisées (BEAS-2B). Les résultats obtenus ont montré que, parmi les AOS biogéniques, ceux produits avec une faible concentration d’ozone présentent un PO et une réponse antioxydante plus marqués. Par ailleurs, nos résultats indiquent également que, comparés à ces AOS biogéniques, les AOS issus de la photo-oxydation du m-xylène ont un PO plus élevé et présentent une cytotoxicité et une activation des défenses antioxydantes plus importantes. De plus, des lésions oxydatives sur les protéines et l’ADN ont également été détectées dans les cellules exposées à ces AOS. Globalement, les résultats issus de ce projet permettent d’améliorer la connaissance de la composition chimique de la phase particulaire de ces AOS modèles et apportent de nouvelles connaissances sur les mécanismes impliqués dans leur toxicité pulmonaire.

Chronic exposure to atmospheric particles with a diameter less than 2.5 μm (PM2.5) at concentrations exceeding the levels recommended by the World Health Organization is responsible for the onset and/or exacerbation of respiratory, cardiovascular, neurological, and even cancer-related diseases. Regulatory threshold values have been defined regarding the ambient mass concentration of PM2.5, but these values do not take into account the impact of variations in the chemical composition of particles on induced biological effects. Special attention has been given in the literature to certain recognized harmful compounds such as metals and polycyclic aromatic hydrocarbons, some of which have been regulated. Nevertheless, other compounds are still poorly studied to date, even though they could also play an important role in particulate toxicity. This includes secondary organic aerosols (SOA), which constitute a major chemical fraction of PM2.5 and can represent up to 90% of their organic matter mass. They are formed through the reaction/oxidation/condensation of volatile organic compounds (VOCs) in the atmosphere. A rise in ambient SOA concentration is expected in the future due to the simultaneous increase in VOC precursor emissions and the oxidizing capacity of the atmosphere related to climate change. In this context, the present project first consisted in generating model SOA resulting from the oxidation of two VOCs that are widely present in the atmosphere, one of biogenic origin, limonene, and the other of anthropogenic origin, m-xylene. Limonene ozonolysis and m-xylene photooxidation were respectively carried out in a flow reactor and a simulation chamber. Two types of oxidations were tested for biogenic SOA synthesis: one with low ozone concentration and the other with high ozone concentration. The particulate phases were then characterized in terms of size (few hundred nm), mass, and chemical composition (hydroxyl, carbonyl, carboxylic acid functions, oligomers for limonene; nitrophenols, dimers for xylene). In a second step, the intrinsic oxidative potential (OP) of the generated biogenic and anthropogenic SOA was evaluated, as well as their toxicological impact in terms of oxidative stress and inflammatory effects on a model of immortalized human bronchial epithelial cells (BEAS-2B). The results obtained showed that among the biogenic SOA, those produced with low ozone concentration exhibit a more pronounced OP and antioxidant response. Furthermore, our results also indicate that, compared to these biogenic SOA, SOA resulting from m-xylene photooxidation have a higher OP and display greater cytotoxicity and activation of antioxidant defenses. In addition, oxidative damage to proteins and DNA was also detected in cells exposed to these SOA. Overall, the results from this project contribute to improving our knowledge on the chemical composition of SOA particulate phase and provide new insights into the mechanisms involved in their pulmonary toxicity.