Mineral particles as food additives: involvement in inflammatory bowel disease and oral tolerance – PAIPITO

Des modèles animaux (rongeurs) et in vitro (cellules en culture) sont utilisés pour répondre à ces questions. Il s’agit soit de modèles non modifiés, représentant la population générale, soit de modèles génétiquement modifiés, qui reflètent des personnes ayant une prédisposition à développer une maladie inflammatoire chronique de l’intestin telle que la maladie de Crohn ou la rectocolite hémorragique.
Ces modèles sont exposés aux additifs E171 et E551 pendant 20 à 100 jours, à des doses reflétant celles auxquelles des populations sont quotidiennement exposées via leur alimentation. Ces additifs proviennent soit de sites marchands, soit d’un partenariat avec un industriel qui nous les fournit. Après exposition, la fonctionnalité du système digestif est évaluée et comparée à celle des animaux non exposés. En particulier sont recherchés une inflammation de l’intestin, ainsi que des modifications de la perméabilité intestinale, de la sécrétion de mucus, de la diversité du microbiote etc.
Si des effets sont observés, les mécanismes moléculaires et cellulaires conduisant à ces effets sont décryptés par des approches in vitro, sur des cellules en culture qui sont des modèles i) des cellules immunitaires que l’on retrouve localement dans l’intestin et ii) des cellules qui constituent la paroi intestinale (entérocytes et cellules à mucus). Des approches ciblées (recherche de voies métabolique expliquant les effets observés) et des approches sans a priori, telles que la protéomique, sont utilisées.

Alors que les résultats préliminaires au projet ont montré une déstabilisation de l’immunité intestinale et un effet cancérigène potentiel de l’additif E171 (Bettini et al., Scientific Reports, 2017), des effets très modérés sont observés in vitro, sur des modèles de barrière intestinale (Dorier et al., Nanotoxicology, 2017). A présent, les travaux se concentrent sur les effets inflammatoires de l’additif E551, in vivo et in vitro.

Grâce à ce projet, nous espérons générer de nouvelles données de toxicité pour les additifs alimentaires E171 et E551, qui viendront en appui à celles qui ont déjà été publiées, et qui aideront au processus de réévaluation des additifs alimentaires. Ces données seront également utiles aux producteurs et aux acteurs des industries agro-alimentaires pour les orienter vers les additifs les plus sûrs.

Une série de 3 articles évalue les effets toxiques de l’additif E171 sur des cellules intestinales en culture : son effet sur la survie cellulaire, son effet oxydatif et les dommages à l’ADN qu’il induit, ainsi que son effet sur la fonction de barrière de l’intestin. Deux de ces articles relatent des expériences dans lesquelles les cellules ont été exposées pendant 21 jours à cet additif (exposition chronique, mimant une ingestion quotidienne de l’additif, pendant un mois), dans le troisième il s’agit d’une exposition de courte durée (24 h).
un 4ème article décrit les effets de nanoparticules de silice sur des macrophages, qui sont des cellules immunitaires.

Mineral particles are currently approved as food additives and are used in many daily food products. In the food industry, the most produced and used mineral particles are titanium dioxide (TiO2, namely E171 in the European Union) and synthetic amorphous silica (SiO2, E551 in the European Union). Both obtained authorization in the late 1960’s, but are currently re-evaluated by the European Commission. Widespread use of these additives raises concerns on their potential effects on human health.

PAIPITO aims at investigating whether there is a link between chronic ingestion of these additives and increased incidence of chronic inflammatory bowel diseases (IBD) and/or oral intolerance (OI) in the exposed populations. It also aims at characterizing the influence of the nanoscale fraction of mineral particles present in these food additives on their overall potential of toxicity. For this purpose, wild type mice and in vitro cell models, as well as murine models for oral tolerance induction or of IBD susceptibility will be chronically exposed to E171 or E551 as well as to TiO2- or SiO2-NPs. These food additives will be purchased from commercial websites or provided by our industrial partner, Solvay Silica. Their physico-chemistry will be deeply characterized. The immune impact of chronic exposure to these additives will be identified, both locally in the gut-associated lymphoid tissue (GALT) and at the systemic level. Its potential impact on the establishment of oral tolerance will be addressed by evaluating, on chronically exposed animals, the response to the food antigen ovalbumin. Then ex vivo and in vitro, the mechanisms underlying this immune response will be characterized, using both phenotypic and proteomic approaches. Regarding IBD induction or aggravation, wild-type mice will be chronically exposed from embryogenesis to lactating period (i.e. through their dams), then continuing until adulthood (i.e. direct oral administration), because chronic inflammation in adulthood can result from an alteration of gut homeostasis before birth and during the first years of life. The initiation of IBD will be addressed by evaluating, in vivo, gut mucus secretion, the production of antimicrobial peptides, modification of the microbiota (i.e. dysbiosis) and of intestinal permeability which is an index for epithelial integrity assessment. The severity of IBD-like symptoms will be scored. The same experimental scheme will be applied to mice carrying a susceptibility gene to IBD, plus a psychological factor such as neonatal stress via early maternal deprivation. The mechanisms explaining such impact will be identified in vitro, by exploring the pro-inflammatory response and more generally the alteration of gut barrier function, in enterocytes and mucus-secreting cells chronically exposed to these food additives.

Finally, PAIPITO will provide toxicological data that should help stakeholders in the re-evaluation process of food additives. It will also provide reliable data to industrial partners to guide their choice for the formulation of these food additives in order to maximize the safety and social acceptability of their products.