Effets des particules alimentaires de dioxyde de Titane sur les interactions microbiote-hôte : rôle du récepteur aryl hydrocarbure et impact sur le développement de désordres métaboliques et du cancer colorectal. – TitADiet

Le projet TitADiet a combiné plusieurs approches pour étudier les effets du E171 à des doses pertinentes pour l’homme. L’impact direct du E171 sur le microbiote intestinal humain a été évalué in vitro à l’aide d’un système de mini-bioréacteurs (MBRA). Les effets sur la diversité microbienne et la production de métabolites microbiens ont été mesurées. Pour explorer le lien entre dysbiose intestinale, exposition au E171 et le développement de désordres métaboliques, les concentrations fécales de Titane et la production de métabolites pro- ou anti-inflammatoire par le microbiote ont été analysées dans les selles d’enfants obèses ou normopondérés.

Une seconde série d’expériences a été menée chez la souris. Des souris femelles (F0) ont été nourries de la gestation à la lactation avec un régime contrôle ou un régime contenant du E171. Au sevrage, une partie des descendants (F1) a été nourrie avec le même régime que leur mère et l’autre partie a reçu un régime riche en gras supplémenté ou non avec du E171 jusqu’au 150ème jour postnatal (J150). Chez ces descendants, l’inflammation intestinale, la composition et la fonction du microbiote ont été évaluées, ainsi que le statut métabolique et le développement de lésions prénéoplasiques coliques. Pour étudier le rôle du microbiote dans les effets du E171, des approches de transferts de microbiote intestinal ont été réalisées. L’ensemble de ces paramètres a aussi été déterminé chez des souris mâles nourris avec un régime normal ou riche en graisse et exposés essentiellement à l’âge adulte au E171 pendant 115 jours.

Enfin, les effets directs du E171 sur l’épithélium intestinal ont été évalués sur une monocouche dérivée d’entéroïdes (EDM) obtenue à partir d’organoïdes intestinaux de souris. Les EDM ont été exposés au E171 pendant 24h et l’expression de gènes impliqués dans la différentiation cellulaire, la génotoxicité, la production de peptides antimicrobiens, la perméabilité épithéliale, le stress oxydatif, les récepteurs Toll-Like, et la réponse inflammatoire (NFκB, chimiokines) a été étudiée par qPCR. L’apoptose et la génotoxicité ont été évaluées par immunofluorescence.

Les résultats obtenus sur le modèle EDM montrent que l’intégrité de la barrière épithéliale intestinale en termes de prolifération/différenciation cellulaire, génotoxicité, défenses innées et perméabilité, a été significativement affectée après exposition au E171. Ces données sont en accord avec les données in vivo disponibles dans la littérature et apportent la preuve de concept que les EDMs constituent un outil pertinent pour évaluer la toxicité des (nano)particules inorganiques sur l’épithélium intestinal.

En parallèle, l’utilisation d’un modèle in vitro de culture de microbiote intestinal humain a démontré qu’une interaction directe entre le E171 et les bactéries commensales est suffisante pour induire une dysbiose. Chez les enfants obèses, une charge fécale en Ti plus élevée a été corrélée à une augmentation des niveaux fécaux de flagelline, biomarqueur de dysfonctionnement métabolique. Si ces données humaines suggèrent un lien entre l’exposition au E171, dysbiose et troubles métaboliques, la causalité restait à établir chez l’animal.

Chez les souris mâles F1 sous régime normal, l’exposition au E171 a induit une micro-inflammation intestinale et une altération de la composition du microbiote avec notamment une diminution de production de ligands AhR. Ces altérations s’accompagnent d’une intolérance au glucose et d’une hyperinsulinémie à jeun, et ont été exacerbées sous un régime riche en gras. Les expériences de transfert de microbiote ont montré que les troubles métaboliques induits par le E171 chez les mâles F1 sous régime normal étaient dépendants du microbiote. En revanche, chez les femelles F1 sous régime normal, le E171 a réduit la production de cytokines pro- et anti-inflammatoires dans le côlon, alors que sous régime riche en gras, les altérations intestinales et métaboliques n’étaient pas aggravées par le traitement à l’additif. À noter qu’en raison d’un problème de fixation des tissus, il n’a pas été possible d’évaluer l’effet du E171 sur le développement de lésions prénéoplasiques. Par ailleurs, une exposition au E171 limitée à l’âge adulte chez les mâles n’a entraîné que de légères modifications du microbiote, sans altération des fonctions immunitaires et métaboliques. Ces données soulignent que l’exposition au E171 dès la vie in utero est déterminante pour l’initiation et la promotion des troubles métaboliques observés chez les mâles uniquement.

En conclusion, nos résultats chez l’Homme ont mis en évidence un lien entre exposition au E171, dysbiose et dysfonctionnement métabolique, les données chez la souris ayant conclu au rôle causal du microbiote intestinal dans le développement de troubles métaboliques. L’ensemble suggère que l’exposition chronique au E171 pourrait constituer un facteur environnemental favorisant la survenue de maladies métaboliques dans les pays industrialisés.

Ce projet ouvre de nombreuses perspectives tant sur le plan scientifique que réglementaire et sociétal. D’un point de vue scientifique, la validation des modèles EDM comme outils pertinents pour évaluer la toxicité des (nano)particules inorganiques sur la barrière intestinale constitue une avancée méthodologique majeure, permettant de réduire le recours à l’expérimentation animale. L’identification d’un lien entre dysbiose, troubles métaboliques et exposition chronique au E171, en particulier lors d’une exposition précoce ou combinée à un régime riche en graisses, met en lumière l’importance de prendre en compte l’environnement nutritionnel et le statut du microbiote dans l’évaluation des risques par les Agences (Anses, Efsa). Nos données encouragent la conduite d’études épidémiologiques visant à explorer ce lien chez l’Homme. Face à l’utilisation croissante des additifs dans les aliments transformés, et à la lumière de nos résultats ainsi que d’autres études montrant des troubles métaboliques dépendants du microbiote après exposition à des émulsifiants ou à des édulcorants, il apparaît essentiel d’évaluer l’impact des mélanges d’additifs dans la prévalence des maladies métaboliques. Les résultats de ce projet ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur les mécanismes d’action du E171, notamment l’exploration des interactions entre TiO2, flore intestinale et système immunitaire, ainsi que sur les différences de susceptibilité selon le sexe ou la période d’exposition (prénatale versus adulte). Ces travaux suggèrent également que la prise en compte des effets du microbiote devrait devenir un critère dans les protocoles d’évaluation des risques sanitaires liés aux additifs alimentaires, ce qui pourrait conduire à de nouvelles recommandations des Agences nationales et internationales de sécurité sanitaire des aliments.

Sur le plan réglementaire, les données obtenues renforcent la légitimité de l’interdiction du E171 dans l’UE et constituent un argument fort en faveur d’une réévaluation de son utilisation dans les pays où il reste autorisé, y compris dans d’autres secteurs comme les médicaments ou les cosmétiques. Par ailleurs, la corrélation observée entre la charge fécale en titane et l'altération du microbiote chez les enfants obèses souligne la nécessité de recommandations nutritionnelles spécifiques pour les populations les plus vulnérables, notamment les enfants et adolescents, afin de limiter leur exposition à cet additif.

Sur le plan industriel, ces résultats encouragent le développement d’alternatives plus sûres et innovantes, stimulant la recherche et l’innovation dans le secteur agroalimentaire.

Enfin, la sensibilisation du grand public aux risques potentiels liés aux additifs alimentaires contenant des nanoparticules pourrait favoriser une évolution des comportements d’achat et une demande accrue de transparence et de sécurité alimentaire.

Une conférence présentant nos résultats préliminaires a été sélectionnée pour le Congrés annuel de la Société Française de Nutrition (SFN) lors des Journées Francophones de Nutrition (JFN, Lille) le 12 Novembre 2021.

Les particules minérales manufacturées sont abondantes dans les produits de la vie quotidienne (cosmétiques, textiles, matériaux de construction), dont l’alimentation. Parmi ces particules, le dioxyde de titane (TiO2) est un additif alimentaire utilisé comme colorant/opacifiant et agent de brillance dans les confiseries, les aliments transformés, les sauces et le glaçage. Il est aussi utilisé pour ces propriétés antimicrobiennes dans les emballages alimentaires. En Europe, l'utilisation du TiO2 alimentaire (référencé E171) est autorisée sans établissement d'une dose journalière acceptable. L'autorité européenne de sécurité sanitaire des aliments (EFSA) a estimé les niveaux d'exposition journalière au E171 entre 0,9 et 10,4 mg/kg de poids corporel (p.c)/jour chez l’enfant et entre 0,3 et 6,8 mg/kg p.c/j chez l’adulte. Face à ces niveaux élevés de consommation, les conséquences pour l’homme d'une exposition chronique aux particules de TiO2 soulèvent des questions de santé publique. Les craintes vis-à-vis de cet additif composée de particules micro- et nanométriques reposent sur des effets génotoxiques, de stress oxydant et inflammatoires des nanoparticules de TiO2 observés sur cellules intestinales. Cependant, la toxicité orale du TiO2 est encore peu étudiée et les autorités sanitaires ont conclu à la nécessité de tests pour évaluer les risques pour la santé des additifs alimentaires contenant des nanoparticules, particulièrement avec le E171. Après ingestion, le TiO2 est capable d’interagir avec le microbiote intestinal avant de traverser la barrière épithéliale intestinale et d’interagir avec les cellules immunitaires, induisant divers effets délétères pour l’hôte. Le microbiote est souvent négligé en toxicologie alimentaire alors qu’il joue un rôle clé dans plusieurs fonctions physiologiques telles que les fonctions digestives, métaboliques et immunitaires. Une altération du microbiote intestinal (appelée dysbiose) est associée à différentes maladies telles que les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI), l’obésité et le cancer colorectal (CCR). Du fait des propriétés antibactériennes du TiO2, une exposition chronique au E171 est susceptible d’induire une dysbiose capable de favoriser le développement de ces maladies.
Dans les pays occidentaux, l’augmentation en parallèle de la prévalence de l'obésité et du CCR suggère des facteurs de risque communs liés au mode de vie. Parmi ces facteurs, l'ingestion chronique de particules inorganiques a été proposée. Nous avons démontré qu’une exposition chronique au E171 chez le rat induit une micro-inflammation ainsi que l’initiation et la promotion de lésions pré-néoplasiques coliques. Nos données préliminaires chez des souris ou des rats exposés au E171 respectivement pendant 60 ou 100 jours, montrent une diminution de la signalisation intestinale du récepteur aryl hydrocarbure (AhR) et de la production de ligands AhR par le microbiote. AhR est un facteur de transcription nucléaire qui possède une activité anti-tumorale et module la réponse immune ainsi que des fonctions intestinales et métaboliques. Nos travaux ont montré qu’une diminution de la production de ligands AhR par le microbiote participait au développement de désordres métaboliques et à la pathogénèse des MICI, deux maladies connues comme facteurs de risque du CCR. L’ensemble de ces données suggère que les déséquilibres dans l’axe microbiote-hôte dans ces maladies pourraient être en partie médiés par un défaut de production de ligand AhR par le microbiote potentiellement induit par une exposition chronique au TiO2.
Le but de ce projet est d'étudier le lien entre l'exposition orale chronique au E171 et l'apparition et/ou l'aggravation de désordres métaboliques et de CRC en évaluant l'impact du TiO2 sur la production de ligands AhR par le microbiote et ses conséquences sur la barrière intestinale, la réponse immune, l’homéostasie métabolique et l’initiation des lésions pré-néoplasiques coliques.