Etude in vitro de la toxicité pulmonaire des émissions de tabac chauffé et de cigarette électronique

In vitro study of the pulmonary toxicity of heated tobacco product and electronic cigarette emissions

• Auteur / Autrice : Gianni Zarcone
• Direction : Sebastien Antherieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMPact de l'Environnement Chimique sur la santé humaine (Lille)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Cottencin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sebastien Antherieu, Sophie Achard, Guillaume Garçon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Kemmel, Françoise Pons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stress oxydatif

Épigénomique

Transcription génétique

Toxicogénétique

physiopathologie

Poumon

Dispositifs électroniques d'administration de nicotine

Fumeurs

Produits du tabac

Fumer des cigarettes

effets indésirables

Fumer du tabac

Stress oxydatif

Épigénétique

Transcription génétique

Toxicologie génétique

Toxicologie pulmonaire

Cigarettes électroniques

Santé et hygiène

Fumeurs

Toxicologie

Fumée du tabac

Tabac -- Effets physiologiques

Mots clés libres

Poumon

Toxicologie

Génotoxicité

Epigénétique

Transcriptomique

Stress oxydant

Lung

Toxicology

Genotoxicity

Epigenetic

Transcriptomic

Oxidative stress

Résumé

L'exposition à la fumée de cigarette est responsable de près de 90 % des cancers du poumon. Les cigarettes électroniques et plus récemment les produits de tabac chauffé sont des alternatives au tabac qui ont rapidement gagné en popularité, avant même qu'il n'y ait suffisamment de preuves scientifiques sur leur innocuité pour les utilisateurs. Ces travaux ont eu pour objectif de comparer la toxicité des émissions de tabac chauffé à celle de la cigarette électronique et de la cigarette conventionnelle sur des cellules épithéliales bronchiques humaines (lignée BEAS-2B) par : (i) l'étude de leur cytotoxicité et la recherche d'éventuelles lésions génétiques et épigénétiques, (ii) l'identification, à l'aide d'analyses transcriptomiques, de voies de signalisation associées à la toxicité des différentes émissions.Des cellules BEAS-2B cultivées à l'interface air-liquide ont été exposées à des émissions de tabac chauffé (système IQOS, Philip Morris International), de cigarette électronique (modèle Modbox réglé à une puissance faible [Mb-18W] ou moyenne [Mb-30W]) et à la cigarette de référence 3R4F. Les émissions ont été générées par la machine à fumer Vitrocell®. La cytotoxicité, les cassures de brins d'ADN et les aberrations chromosomiques ont été respectivement mesurées par la quantification de l'ATP intracellulaire et par les tests des comètes et du micronoyau. La mesure de la méthylation globale de l'ADN et des modifications d'histone H3 ont été mesurées par ELISA. Enfin, une analyse transcriptomique pangénomique a été réalisée par microarray.Les résultats obtenus ont montré que les émissions de tabac chauffé provoquaient une cytotoxicité moindre par rapport à la fumée de cigarette, mais plus élevée que les aérosols de cigarette électronique. Seuls le tabac chauffé et la cigarette 3R4F ont induits des cassures d'ADN, des lésions oxydatives de l'ADN et des aberrations chromosomiques. La quantification de la méthylation globale de l'ADN ainsi que celle des modifications d'histone n'ont montré aucune différence significative par rapport au témoin négatif dans ce modèle cellulaire, quel que soit le dispositif testé. Des doses subtoxiques (> 85% de viabilité cellulaire) ont été choisies pour les analyses transcriptomiques : 60 et 120 bouffées pour Mb-18W, Mb-30W et IQOS ; 2 et 4 bouffées pour la cigarette 3R4F. Une analyse statistique de classification hiérarchique a montré une branche regroupant les produits du tabac (IQOS et cigarette 3R4F) et une seconde branche avec une signature spécifique pour la cigarette électronique (18 et 30W). Enfin, l'analyse fonctionnelle des transcrits dérégulés a été évaluée à l'aide du logiciel IPA et par enrichissement (GSEA). Les profils transcriptomiques des cellules exposées à l'IQOS et à la cigarette ont montré des dérégulations similaires : augmentation de la réponse au stress oxydatif médiée par Nrf2, activation d'ERK, induction de la prolifération cellulaire, augmentation de la glycolyse et de la biosynthèse du cholestérol. Pour la cigarette électronique (Mb-30W uniquement), une augmentation de la signalisation de l'interféron, de la biosynthèse du cholestérol et de la voie de la sénescence a été observée. Afin de confirmer ces effets transcriptomiques, des analyses complémentaires ont été réalisées. Ainsi l'activation du facteur de transcription Nrf2 et l'induction de ses cibles HMOX1 et NQO1 a été mis en évidence avec les produits du tabac, de même que l'augmentation de la phosphorylation d'ERK. L'activation de la sénescence avec la Mb-30W a été validée par un marquage de la β-galactosidase.En conclusion, ces résultats démontrent que, bien que la toxicité à court-terme du tabac chauffé et de l'e-cig semble moins importante que celle de la cigarette, l'impact de ces dispositifs au niveau cellulaire et moléculaire n'est pas négligeable. Pour compléter ce travail, des études in vivo sont nécessaires afin de déterminer la toxicité long terme et le potentiel cancérogène de ces nouveaux produits.

Exposure to cigarette smoke is responsible for nearly 90% of lung cancers. Electronic cigarettes and more recently heated tobacco products are alternatives to the conventional tobacco cigarette that have rapidly gained popularity, even before there was sufficient scientific evidence on their safety for users. The aim of this work was to compare the toxicity of heated tobacco emissions to that of electronic cigarettes and conventional cigarettes on human bronchial epithelial cells (BEAS-2B cell line) by: (i) studying their cytotoxicity and searching any genetic and epigenetic lesions, (ii) identifying signaling pathways associated with the toxicity of the different emissions, using genome-wide transcriptomic analyses.BEAS-2B cells cultured at the air-liquid interface were exposed to the emissions from heated tobacco products (IQOS system, Philip Morris International), electronic cigarettes (Modbox model set at low [Mb-18W] or medium [Mb-30W] power) and the reference cigarette 3R4F. Emissions were generated by the Vitrocell® smoking machine. Cytotoxicity, DNA strand breaks and chromosomal aberrations were measured by quantification of intracellular ATP, comet assay and micronucleus test, respectively. Global DNA methylation and histone H3 modifications were measured by ELISA. Finally, genome-wide transcriptomic analysis was performed by microarray.The results showed that heated tobacco emissions caused less cytotoxicity compared to cigarette smoke, but higher than electronic cigarette aerosols. Only heated tobacco and 3R4F cigarette significantly induced DNA strand breaks, oxidative DNA damage and chromosomal aberrations. Quantification of global DNA methylation as well as histone modifications showed no significant difference compared to negative control in this cell model, regardless of the device tested. Subtoxic doses (>85% cell viability) were chosen for transcriptomic analyses: 60 and 120 puffs for Mb-18W, Mb-30W and IQOS; 2 and 4 puffs for the 3R4F cigarette. A two-dimensional hierarchical clustering showed two main clusters: one branch grouped tobacco products (IQOS and cigarette) and the second branch showed a specific signature for e-cig (18 and 30 W). Finally, functional analysis of deregulated transcripts was assessed using IPA software and enrichment (GSEA). The transcriptomic profiles of cells exposed to IQOS and cigarettes showed similar deregulations: increased Nrf2-mediated oxidative stress response, ERK activation, induction of cell proliferation, increased glycolysis and cholesterol biosynthesis. For the electronic cigarette (Mb-30W only), an increase in interferon signaling, cholesterol biosynthesis and the senescence pathway were observed. To confirm these transcriptomic effects, additional analyses were performed. Activation of the transcription factor Nrf2 and induction of its targets HMOX1 and NQO1 were demonstrated with tobacco products, as was increased phosphorylation of ERK. Activation of senescence with Mb-30W was validated by β-galactosidase labeling.In conclusion, these results demonstrate that, although the short-term toxicity of heated tobacco and e-cig seems less important than that of cigarettes, the impact of these devices at the cellular and molecular levels is not negligible. To complete this work, in vivo studies are needed to determine the long-term toxicity and the carcinogenic potential of these new products.