CE34 - Contaminants, écosystèmes et santé

Rôle de la dysfonction lysosomale dans la toxicité respiratoire des nanoparticules – 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

De plus en plus de nanoparticules (NPs) sont conçues pour des applications industrielles ou biomédicales. Mais, en raison de leurs propriétés particulières, les NPs peuvent avoir des effets indésirables sur la santé, notamment sur le système respiratoire. Les lysosomes sont des organites impliqués dans la dégradation de matériels extracellulaires entrant dans la cellule par endocytose ou de protéines et d’organites intracellulaires endommagés et pris en charge par le système autophagique. L’endocytose étant la principale voie d’entrée des NPs dans la cellule, et les lysosomes représentant le dernier compartiment du système endo-lysosomal, la plupart des NPs s’accumulent dans les lysosomes suite à leur entrée dans la cellule. Ainsi, les lysosomes sont impliqués dans la clairance des NPs, mais peuvent aussi contribuer à leur toxicité. L’accumulation de NPs dans les lysosomes peut notamment entraîner une perturbation de ces derniers conduisant à un blocage du flux autophagique, à une dysfonction mitochondriale et à la mort cellulaire. La séquestration des NPs dans le lysosome peut également conduire à une perte d’intégrité de cet organite se traduisant par la libération dans le cytosol de protéases et de protons responsables d’un stress oxydatif et d’une activation de l’inflammasome NLRP3. Dans les fluides biologiques, la plupart des NPs sont rapidement recouvertes de protéines ou d’autres biomolécules formant ce que l’on appelle le corona. Les caractéristiques des NPs (composition, charge, chimie de surface) déterminent l’identité et la quantité des biomolécules formant ce corona. A l’inverse, la composition et la stabilité de ce corona peuvent affecter la façon dont les cellules interagissent avec les NPs. Ainsi un lien entre corona, lysosome et toxicité des NPs commence à se dessiner dans la littérature. En effet, le corona persistant à la surface des NPs lors de leur internalisation cellulaire, celui-ci rejoint le lysosome avec elles. Dans le lysosome, le corona peut ensuite être dégradé ce qui régénère les propriétés intrinsèques des NPs, et donc leur toxicité. La charge de surface des NPs (cationique ou anionique) semble affecter cette dégradation du corona. Ainsi, l’analyse du corona et de ses conséquences sur le temps de résidence des NPs dans les lysosomes et les dommages qu’elles induisent sur cet organite est une question importante afin de mieux comprendre les mécanismes de toxicité des NPs, en particulier au niveau respiratoire. En effet, dans le poumon, les dommages aux lysosomes pourraient jouer un rôle dans la pathogenèse de l'asthme allergique, car les protéases lysosomiales, telles que les cathepsines, sont impliquées dans la dégradation des antigènes en peptides antigéniques et participent au remodelage de la matrice extracellulaire impliqué dans la fibrose tissulaire. En outre, un rôle de l'autophagie et de l'inflammasome NLRP3 a été proposé dans l'asthme. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet est d'étudier l'interaction des NPs avec les lysosomes et les conséquences toxicologiques de cette interaction dans le poumon, notamment dans un contexte d’asthme, et d'analyser le rôle de la chimie de surface des NPs dans cette interaction, en relation avec la formation du corona. Ce projet sera mené sur des NPs de carbone actuellement développées au laboratoire pour des applications de délivrance de principes actifs. Nous sélectionnerons et caractériserons une bibliothèque de NPs de chimie de surface spécifique, et nous étudierons la capacité de ces NPs à adsorber des protéines à leur surface par analyse protéomique. Ensuite, la localisation des NPs dans les lysosomes, ainsi que l'intégrité et la fonction lysosomiales seront étudiés dans un modèle de co-culture associant des cellules épithéliales et des macrophages, ainsi que chez des souris normales et dans un modèle murin d'asthme. Dans ces modèles, la dysfonction lysosomale et ses conséquences toxicologiques seront analysées en lien avec la formation du corona.

Coordination du projet

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

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

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

Aide de l'ANR 209 790 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 42 Mois

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