CE34 - Contaminants, écosystèmes et santé

Lysosomal dysfunction in the lung toxicity of nanoparticles – NanoLys

La dysfonction lysosomale dans la toxicité respiratoire des nanoparticules

De plus en plus de nanoparticules sont conçues pour des applications industrielles ou biomédicales. Mais, ces nanoparticules peuvent avoir des effets indésirables sur la santé, notamment sur le système respiratoire. Le projet NanoLys vise à mieux comprendre les déterminants et les mécanismes responsables de cette toxicité.

Améliorer les connaissances sur les risques toxicologiques des nanoparticules manufacturées (NPs)

Les NPs sont de plus en plus utilisées pour des applications industrielles et biomédicales. En 2020, près de 4 000 produits de consommation courante contenant des NPs ont été identifiés sur le marché (dentifrices, confiseries, crèmes solaires, textiles). Cependant, elles peuvent avoir des effets indésirables sur la santé, notamment sur le système respiratoire. Néanmoins, la toxicité des NPs n’est pas systématique. Ceci peut s’expliquer par le fait que les NPs développées à ce jour sont très variées ; elles présentent en effet des caractéristiques physicochimiques différentes. Un des points critiques dans l’évaluation de la toxicité des NPs est de pouvoir établir un lien entre leurs caractéristiques et la toxicité qu’elles engendrent. Par ailleurs, mieux comprendre les mécanismes conduisant à la toxicité des NPs pourrait permettre de développer des NPs plus sûres. Mais, ces mécanismes restent encore peu explorés, notamment dans le poumon. De plus, dans l’environnement biologique, les NPs peuvent être rapidement recouvertes de protéines, formant ce que l’on appelle la couronne de protéines, ce qui peut également impacter leurs effets toxicologiques. Dans ce contexte, l’objectif du projet NanoLys est de mieux comprendre le rôle des caractéristiques des NPs dans leur toxicité respiratoire, en s’intéressant à la formation de la couronne de protéines et au lysosome comme mécanismes impliqués dans la toxicité des NPs. Les retombées attendues de ce projet sont à la fois scientifiques et sociétales. Ainsi, ce projet permettra d’approfondir les connaissances scientifiques sur les effets toxicologiques des nanomatériaux. Ceci est essentiel pour que les autorités de la santé puissent adopter des politiques appropriées concernant les nanotechnologies, mais également pour que les NPs développées soient le plus sûres possibles.

Ce projet est mené sur une librairie de NPs carbonées de caractéristiques physicochimiques variées (taille, charge, chimie de surface), synthétisées au laboratoire pour des applications biomédicales. Une méthode d’étude de la couronne de protéines, basée sur une approche en protéomique, est en développement et vise à déterminer la capacité des NPs à adsorber des protéines à leur surface en fonction de leurs caractéristiques physicochimiques. Les modèles d’étude de la toxicité de ces NPs sont des modèles cellulaires pulmonaires et des modèles murins sains et pathologiques (asthme allergique). Quelle que soit l’approche (in vitro et in vivo), la dysfonction lysosomale est analysée en lien avec les réponses toxiques induites par les NPs et leurs caractéristiques physicochimiques. Au final, les approches développées visent à caractériser le dysfonctionnement lysosomal induit par les NPs dans le poumon, et à analyser le rôle des caractéristiques physicochimiques des NPs et de la formation de la couronne de protéines, dans cet effet.

Pour commencer le projet, plus d’une vingtaine de NPs ont été synthétisées et leurs caractéristiques physicochimiques ont été déterminées. Parmi ces NPs, 18 particules présentant les caractéristiques souhaitées ont été retenues pour constituer la librairie du projet. Nous avons ensuite pu mettre au point le protocole d’étude de la couronne de protéines et nous nous sommes intéressés à l’influence de différents facteurs sur cette couronne. Nous avons ainsi montré que la composition du milieu biologique, le temps d’incubation mais également les caractéristiques de charge des NPs avaient un impact sur la formation de la couronne de protéines. Enfin, afin d’évaluer les effets toxiques des NPs, nous avons développé un modèle de co-culture associant les deux principaux types cellulaires retrouvés dans les alvéoles pulmonaires, à savoir les cellules épithéliales et les macrophages.
Ce modèle a été caractérisé et se rapproche des conditions physiologiques présentes chez l’Homme. Le développement de ce modèle fera l’objet d’une publication dans une revue scientifique spécialisée en Toxicologie. A ce stade du projet, les données obtenues dans ce modèle à partir d’une partie des NPs de la librairie tendent à montrer que la charge de surface est déterminante dans la toxicité des NPs.

Nous poursuivons actuellement l’étude de la couronne de protéines en nous intéressant de plus près aux protéines constitutives de cette couronne qui ont pu être identifiées par approche protéomique. Nous continuons également l’étude de la cytotoxicité des NPs en fonction de leurs caractéristiques physicochimiques. Enfin, nous allons prochainement débuter l’étude du rôle du lysosome dans les effets toxiques observés.

en cours

Since the turn of this century, engineered nanoparticles (NPs) are widely explored for a variety of industrial and biomedical applications. However, due to their specific properties, NPs may cause adverse cellular and tissue effects, resulting in disease development and/or exacerbation, particularly in the respiratory tract. Lysosomes are protease-containing acidic organelles involved in the degradation of extracellular materials entering the cell by endocytosis or of compromised intracellular proteins and organelles delivered to them by the autophagic pathway. Since endocytosis is the main way for NPs to enter cells and lysosomes are the terminal components of the endo/lysosomal system, most NPs end up and accumulate in lysosomes after their cell uptake. Thus, lysosomes are involved in a pathway for NP clearance, but may also contribute to the toxicity of the latter. In particular, accumulation of NPs in lysosomes can trigger lysosomal dysfunction potentially leading to autophagy flux blockade, which results in mitochondrial dysfunction and cell death. Besides, lysosomal sequestration of NPs can trigger loss of integrity of the organelle resulting in cellular damages due to protease and proton release into the cytosol and subsequent induction of oxidative stress and NLRP3 inflammasome activation. Once in contact with biological fluids, most NPs are quickly covered by a layer of proteins and other biomolecules forming the so-called corona. NP characteristics (composition, charge, surface chemistry) determine the identity and quantity of this corona. Conversely, the identity and lifetime of this corona can affect the way cells interact with, recognize and process the NPs. Thus, a link between NPs, lysosomes, corona and toxicity begins to take shape in the literature. Indeed, NP corona is retained during cell uptake of NPs, enters the cells on the particle, and is trafficked to lysosomes. Once in lysosomes, this corona is degraded which may regenerate the intrinsic properties (charge, surface chemistry) of the NPs, and thus its toxic activity. Interestingly, different NP bare surfaces (cationic or anionic) seem to affect the NP corona degradation in lysosomes. Thus, the analysis of corona, of its consequences on NP residence within lysosomes and of lysosomal damage is an important issue for a better comprehension of NP toxicity, particularly in the context of allergic asthma. Indeed, in the lung, lysosomal injury could play a role in the pathogenesis of the disease, as lysosomal cysteine proteases, such as cathepsins, are involved in the breakdown of antigens into antigenic peptides. These enzymes also participate in extracellular matrix remodeling, which dysregulation contributes to tissue fibrosis. Besides, a role for autophagy dysfunction and NLRP3 inflammasome has been recently proposed in asthma.

In this context, the objective of this project is to study the interaction of NPs with lysosomes and the toxicological consequences of this interaction in the lung, particularly in the context of asthma and to analyze the role of NP surface chemistry in this effect, in relation with protein corona formation. This project will be conducted on carbon NPs that are currently investigated in the laboratory for drug delivery applications. We will select and characterize a library of NPs with targeted surface chemistry and study the ability of these NPs to adsorb proteins at their surface. Trafficking of the NPs to the lysosomes together with lysosomal integrity and function will be investigated in a co-culture model associating epithelial cells and macrophages, as well as in normal mice and in a mouse model of allergic asthma. In these both in vitro and in vivo lung models, interaction of NPs with lysosomes and its toxicological consequences will be investigated in line with protein corona formation.

Project coordination

Carole Ronzani (Laboratoire de Conception et Application de Molécules Bioactives (UMR 7199))

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

CAMB Laboratoire de Conception et Application de Molécules Bioactives (UMR 7199)

Help of the ANR 209,790 euros
Beginning and duration of the scientific project: December 2018 - 42 Months

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