Toxicity of URanium: Multi-level approach of biomineralization process in BOne – TURBO

Ce projet repose sur une étroite collaboration entre plusieurs disciplines et méthodologies qui permet d’aborder les multiples facettes d’une question scientifique : l’étude de la biominéralisation de l’uranium (ou de tout autre métal) nécessite des outils de chimie, de biochimie, et de biologie. La chimie vise à la compréhension au niveau moléculaire, que ce soit du point de vue du métal (par des analyses spectroscopiques classiques ou pointues sur de grand instruments type synchrotron), du minéral osseux (par la préparation et l’étude de matériaux mimant les propriétés du minéral osseux), ou encore des protéines impliquées dans le métabolisme osseux (par la préparation et l’étude d’analogues peptidiques mimant les sites affins pour l’uranium). La biochimie vise à identifier ces protéines, car toutes les protéines circulantes et/ou nécessaires à la minéralisation osseuse ne présentent pas nécessairement une forte affinité pour l’uranium. Ensuite, il est important de voir comment l’uranium peut affecter le rôle de ces protéines, sachant que pour certaines leur fonction biochimique est bien décrite, mais pour d’autres, notamment en ce qui concerne certaines interactions spécifiques, de nombreuses questions restent à élucider. Enfin, la biologie cellulaire permet d’appréhender les effets de l’uranium à un niveau plus physiologique, en étudiant directement l’effet du métal, à doses plus ou moins importantes, sur la viabilité des cellules osseuses, leur différenciation, mais surtout leur fonction. Cette dernière sera analysée par des tests visant à évaluer l’aptitude des cellules à fabriquer et minéraliser la matrice osseuse pour les ostéoblastes et ostéocytes, et à résorber cette matrice pour les ostéoclastes.

De nouvelles matrices artificielles (ou fabriquées par les cellules) contenant de l’uranium naturel ont été synthétisées et l’étude des échanges liquide/solide de ce métal avec son environnement sont en cours. Au niveau biochimique, de nouvelles interactions entre protéines sous l’effet de la fixation de l’uranium ont pu être identifiées et vont permettre de mieux comprendre d’une part comment ce métal est transporté du flux sanguin vers le site de stockage osseux, et d’autre part l’influence qu’il peut avoir sur les mécanismes de formation/destruction du tissu osseux. Parallèlement, de nouvelles molécules de synthèse dérivées des motifs protéiques liant l’uranium ont été générées, et leur capacité à fixer ce métal est en cours d’évaluation. Concernant le niveau cellulaire, après avoir mis au point les conditions de synthèse de matrice osseuse par les ostéoblastes en présence d’uranium, nous avons commencé la caractérisation de ces matrices et les effets de l’incorporation de ce métal sur l’activité de résorption des ostéoclastes. Les mécanismes moléculaires et cellulaires mis en jeu lors de ces expositions aux faibles doses d’uranium sont en cours d’étude. Enfin, nous avons pu montrer que l’uranium altère la capacité de minéralisation des ostéocytes, considérés comme les chefs d’orchestre du remodelage osseux, et qui représentent plus de 95% des cellules osseuses de l’organisme.

Les résultats obtenus dans ce projet sont des résultats fondamentaux. La compréhension fine des mécanismes biologiques permet généralement des avancées en termes de santé publique. Pour l’uranium, il s’agit d’être en mesure d’anticiper la toxicité chimique à long terme d’une exposition chronique à de faibles doses, soit pour une population de travailleurs, soit pour le grand public exposé à cet élément naturel via leur alimentation notamment par le biais de l’utilisation d’engrais phosphatés. Cependant, les perspectives de ce projet ne sont pas limitées à l’uranium : l’établissement d’une démarche scientifique multi-échelle peut aussi s’adapter à d’autres métaux comme le plomb, qui s’accumule également dans le squelette et dont les seuils toxicologiques de référence ont été récemment revus à la baisse

3 articles ont été publiés et plusieurs autres manuscrits sont en cours de rédaction.

Uranium chemical toxicity is a subject of concern for the general population as various anthropic activities have led to a substantial increase of the uranium background concentration in the environment. If the actual trend is to reduce nuclear energy in Western Europe, other countries like Russia, China or India have been substantially investing in the development of new nuclear power-plants. Thus the use of uranium will certainly remain a concern for the future generations, worldwide. Most experimental studies related to the health effects of uranium were dedicated to its radiotoxicity and its acute chemical toxicity (nephrotoxicity). Some animal studies and few epidemiological studies also considered chronical exposure, but the data are still too sparse to derive a toxicological threshold associated with long-term effects. Moreover, although the skeleton is well known to be the main site of uranium long-term accumulation, the chemical effects of uranium on bone health remain an open question. Bone is a complex organ composed of an organo-mineral matrix, undergoing constant remodeling thanks to a tightly regulated cellular system. Therefore the question of how uranium interacts with the physiological environment and accumulates in bone matrix can only be answered using a multi-level and multidisciplinary approach, which relies on both molecular and cellular understanding. Recently, we (the consortium of this project) demonstrated that uranium is transported in the blood as complexes with proteins involved in bone metabolism. In addition, we showed that this actinide element affects the main functions of bone cells in vitro, i.e. construction and resorption. The present project represents the first comprehensive mechanistic investigation of uranium interaction with the bone matrix. We propose to study the exchange mechanisms between uranium and bone in vitro and ex vivo, at three different levels: the molecular level, with synthetic biomimetic bone matrices and peptides modeling relevant biological binding sites in proteins; the biochemical level, with bone matrix proteins and circulating proteins; and the cellular level, involving osteoblast/osteocyte and osteoclast functions. This innovative global approach using a multi-level strategy will lead to a better understanding of the mechanisms involved in bio-mineralization of uranium and will help to design and assess new detoxification (also called decorporation) agents for this metal. Moreover, the interdisciplinary procedures developed in this study are of general interest and will bring added value regarding other toxic metals which also accumulate in bone. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________