Effets des nanotubes de carbone sur l'appareil respiratoire. Rôle de leurs caractéristiques physico-chimiques – RESPINTTOX

Les nanotubes de carbone (NTC) sont des matériaux structurés à l’échelle nanométrique, de plus en plus développés industriellement compte tenu de leurs propriétés physiques (dureté, conduction, résistance notamment). Le NTC est constitué d’une partie quasi-cylindrique formée par un plan de graphène enroulé sur lui-même et fermé à ses deux extrémités par deux demi-fullerènes. Il existe deux catégories de nanotubes de carbone : les SWCNT (single-wall carbon nanotubes) et les MWCNT (multi-wall carbon nanotubes) composés respectivement d’un seul ou de plusieurs feuillets de graphène emboîtés les uns dans les autres comme des poupées russes. Face aux utilisations industrielles croissantes des NTC, il existe un risque toxicologique potentiel de ces molécules, en rapport avec leurs propriétés physico-chimiques, spécialement lors d’une exposition par voie respiratoire. Ce risque, qui concerne les usagers et les travailleurs des industries des nanotechnologies, est encore peu caractérisé. L’objectif principal du projet de recherche est d’évaluer, in vitro - sur des cellules pulmonaires résidantes (cellules épithéliales alvéolaires) et des cellules inflammatoires (macrophages) - et in vivo - sur animal entier, avec exposition de rats - la relation entre les effets toxicologiques respiratoires des nanotubes SWCNT et MWCNT et leurs caractéristiques physico-chimiques (dimensions, présence et état d’activation des métaux, agglomération) lors d’une administration en suspension liquide ou en aérosol. Les rôles du stress oxydant et de l’inflammation, en tant que mécanismes moléculaires des effets toxicologiques des NTC seront spécialement examinés. Nous utiliserons trois types de SWCNT et de MWCNT, représentant les techniques actuelles de fabrication. Notre approche est multidisciplinaire, transversale, réunissant des physiciens spécialisés dans l’étude des nanotubes de carbone (Laboratoire de Physique des Solides du CNRS) et dans la génération et caractérisation d’aérosols de particules de taille nanométrique (Certam), et des biologistes et médecins spécialisés dans des domaines complémentaires (physiopathologie, imagerie et toxico-cinétique : Unités Inserm 700 et 644, Laboratoire de RMN Lyon, CNRS, INERIS). Le projet comporte 5 axes complémentaires. L’Axe 1 est destiné à caractériser les propriétés physico-chimiques des NTC avant mise en contact avec les cellules et animaux. Nous analyserons le diamètre, la longueur et la présence de métaux catalytiques (par diffraction des rayons X et microscopie électronique), la capacité à produire des oxydants (par ESR et mesure de la déstructuration de la forme superenroulée du plasmide FX174 RF1), et le degré d’oxydation des métaux (par fluorescence X en rayonnement synchrotron). L’Axe 2 a comme objectif la génération d’un aérosol de NTC, en utilisant des techniques de dispersion et d’encapsulation afin de générer un aérosol à partir respectivement d’une poudre et d’une solution de NTC. La métrologie de l’aérosol (concentration et distribution en taille des NTC dans l’aérosol) sera ensuite mesurée par impacteur électrique à basse pression, « scanning mobility particle sizer » et TEOM. L’Axe 3 a pour but d’examiner les effets in vitro des NTC lors de l’exposition des cellules à une suspension ou à un aérosol de ces matériaux. La cytotoxicité, le stress oxydant et les réponses inflammatoires et fibrosantes seront évalués par des techniques de biochimie et biologie cellulaire et moléculaire. Le rôle du stress oxydant en tant que mécanisme modulant les réponses inflammatoires et fibrosante sera examiné par des outils pharmacologiques et de modulation génique. Ces mesures seront associées à l’examen des modifications des NTC dans les cellules (par fluorescence X, microdifraction et microscopie électronique). L’Axe 4 mesurera des paramètres similaires à l’Axe 3, lors de l’exposition in vivo des rats à des NTC administrés par instillation intratrachéale ou par exposition à un aérosol. Ces mesures seront comp