Evaluation toxicologique d'expositions aux nanoplastiques seuls ou enrobés avec le Benzo(a)pyrène sur un modèle 3D de l'épithélium bronchique humain

Toxicological evaluation of exposure to nanoplastics alone or coated with Benzo(a)pyrene on a 3D model of the human bronchial epithelium

• Auteur / Autrice : Safaa Mawas
• Direction : Sonja Boland
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Toxicologie (ed 563)
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 14/10/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : ED 563 Médicament, Toxicologie, Chimie, Imageries
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anani komlavi Afanou, Xavier Coumoul, Guillaume Garcon, Stéphanie Devineau, Françoise Pons, Sylvain Billet, Sonja Boland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Pons, Sylvain Billet

Mots clés

Mots clés libres

Nanoplastiques

Benzo(a)pyrène

Cytochrome P450

Inflammation

Stress oxydatif

Épithélium bronchique

Voies de signalisation

Métabolisation

Internalisation

Expositions répétées

Nanoplastics

Benzo(a)pyrene

Cytochrome P450

Inflammation

Oxidative stress

Bronchial epithelium

Signaling pathways

Metabolization

Internalization

Repeated exposures

Résumé

La recrudescence des maladies respiratoires soulève des préoccupations quant à l'impact des facteurs environnementaux, notamment la contribution des plastiques, reconnus comme des polluants majeurs en raison de leur omniprésence et de leur capacité à adsorber des polluants toxiques tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). L'objectif de ce travail a été d'évaluer le devenir et la toxicité des nanoplastiques (NPs) de polystyrène (PS) et de polyéthylène téréphtalate (PET) ainsi que des NPs de PET enrobés avec un HAP modèle, le Benzo(a)pyrène (BaP). Ces études ont été menées sur la lignée Calu-3 cultivée à l'interface air-liquide (IAL), suite à des expositions uniques (pendant 6h, 18h ou 24h) ou répétées (20 expositions pendant 28 jours). Une exposition unique aux NPs de PS a montré que ces NPs sont capables d'être internalisés par la lignée Calu-3 et de s'accumuler dans les cellules, sans franchir la barrière épithéliale ni induire une cytotoxicité. Une légère induction de l'ARNm de la cytokine pro-inflammatoire IL-6, du facteur de croissance TGF-Beta et de la mucine 5B ont été observées, bien qu'elles ne soient pas dose-dépendantes. L'enrobage des NPs de PET avec le BaP a été développé. La stabilité de l'adsorption dans le milieu d'exposition a été validée par différentes approches analytiques qualitatives et quantitatives ce qui a permis de comparer les effets des polluants seuls ou en co-exposition aux mêmes concentrations. Les résultats ont révélé que les NPs de PET sont capables d'être internalisées par les cellules Calu-3. Les expositions au BaP seul et aux NPs de PET enrobés avec le BaP ont induit une augmentation de l'activité enzymatique des cytochromes P450 (CYP), connues d'être induites par la voie de détoxification des xénobiotiques impliquant le récepteur des hydrocarbures aromatiques (AhR). L'activation de la voie AhR a été confirmée par l'utilisation d'un inhibiteur pharmacologique spécifique de cette voie. Cela montre que le BaP est biodisponible dans les cellules quand il est adsorbé aux NPs de PET. De plus, des réponses pro-inflammatoire et antioxydante ont été mises en évidence par RT-qPCR, ELISA et dosage des espèces réactifs de l'oxygène au niveau des cultures Calu-3 exposées aux NPs de PET enrobés avec le BaP, qui n'ont pas été observées suite aux expositions aux polluants seuls. Cela suggère un effet synergique de toxicité au niveau de l'épithélium bronchique quand le BaP est adsorbé sur les NPs de PET, sans induire une cytotoxicité ni perturber la barrière épithéliale. Des réponses similaires ont été observées au niveau des cellules bronchiques issues de donneurs humains cultivées à l'IAL (MucilAir), bien qu'elles demeurent donneur dépendantes. Ces effets ont été atténués par un traitement avec un inhibiteur pharmacologique de la voie NF-kappaB et certains effets ont été réduits par un traitement avec un inhibiteur de le voie AhR ainsi qu'un antioxydant. Les expositions long-terme après des expositions uniques ou répétées (5 jours par semaine) pendant 28 jours des cultures Calu-3 aux NPs de PET enrobés avec le BaP ont montré des réponses antioxydantes persistantes après des expositions répétées uniquement. Les ARNm de certaines chimiokines (MCP-1) restent induits après 28 jours d'expositions répétées alors que l'induction d'autres cytokines n'est plus observée (IL-6, IL-8, TNF-alpha) ce qui indique que des mécanismes d'adaptation sont induits, mais qu'ils sont insuffisants pour prévenir complètement les effets à long terme. La production et la libération de certains métabolites du BaP ont été évaluées par spectrométrie de masse, afin de déterminer la voie de métabolisation du BaP présent sur les NPs de PET dans les cellules Calu-3. Cette étude souligne la nécessité de réaliser des études de co-exposition afin de mieux évaluer l'impact des plastiques sur la santé respiratoire en tenant compte de leur possible transformation dans l'environnement.

The increasing prevalence of respiratory diseases has raised concerns about environmental factors, with plastics emerging as key pollutants due to their widespread presence and ability to adsorb harmful compounds like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The aim of this work was to assess the fate and toxicity of polystyrene (PS) and polyethylene terephthalate (PET) nanoplastics (NPs), as well as PET NPs coated with a model PAH, Benzo(a)pyrene (BaP). The study was carried using the Calu-3 cell line cultured at the air-liquid interface (ALI), following single (for 6h, 18h or 24h) or repeated exposures (20 exposures for 28 days). A single exposure to PS NPs showed that PS NPs were able to be internalized by the Calu-3 cell line and accumulate in cells without crossing the epithelial barrier or inducing cytotoxicity. A slight induction of the mRNA of the pro-inflammatory cytokine IL-6, TGF-Beta growth factor and mucin 5B was observed, although not in a dose-dependent manner. The coating of PET NPs with BaP was developed. The stability of BaP adsorption in exposure medium was validated by various qualitative and quantitative analytical approaches, enabling comparison of the effects of the pollutants alone or combined at the same concentrations. The results revealed that PET NPs are internalized by Calu-3 cells. Exposure to BaP alone and to BaP-coated PET NPs increased the enzymatic activity of cytochromes P450 (CYP), known to be induced by the xenobiotic detoxification pathway involving the aromatic hydrocarbon receptor (AhR). Activation of the AhR pathway was confirmed using a specific pharmacological inhibitor of this pathway. This shows that BaP is bioavailable in cells when adsorbed onto PET NPs. Furthermore, pro-inflammatory and antioxidant responses and oxidative stress were demonstrated by RT-qPCR, ELISA and intracellular reactive oxygen species quantification in Calu-3 cultures exposed to BaP-coated PET NPs, that were not observed following exposure to the pollutants alone. This suggests a synergistic mechanism of airway toxicity when BaP is adsorbed onto PET NPs, without inducing cytotoxicity or disrupting the epithelial barrier. Similar responses were observed in primary human bronchial cells cultured at the ALI (MucilAir), although they remained donor-dependent. These effects were reduced by treatment with a pharmacological inhibitor of the NF-kappaB pathway, and some effects were reduced by treatment with an inhibitor of the AhR pathway and an antioxidant. Long-term exposures after single or repeated exposures (5 days a week) for 28 days of Calu-3 cultures to BaP-coated PET NPs showed persistent antioxidant responses after repeated exposures only. The mRNAs of some chemokines (MCP-1) remained induced after 28 days of repeated exposures, while the induction of other cytokines is no longer observed (IL-6, IL-8, TNF-alpha), indicating that adaptive mechanisms are induced, but are insufficient to completely prevent long-term effects. The production and release of BaP metabolites were assessed by mass spectrometry, to determine the metabolization pathway of BaP adsorbed on PET NPs in Calu-3 cells. This study highlights the need for co-exposure studies to better assess the impact of plastics on respiratory health, considering their possible transformation in the environment.