Impacts d'une exposition chronique aux addtifs aliemntaires inorganiques de la vie in utero à l'âge adulte sur le développement de désordres neurodéveloppementaux et métaboliques: rôle du microbiote – DevADDIRisk

Le projet DevADDiRisk a utilisé des souris de laboratoire nourries avec des régimes supplémentés ou non avec l’additif alimentaire d’intérêt (E171, E551, E554, seuls ou en mélange) à des doses d’exposition humaine selon les données d’exposition publiées par l’Agence Européenne de sécurité sanitaire des aliments (Efsa). Les mères ont été exposées dès 40 jours avant la conception, puis pendant la gestation et la lactation. La descendance est ensuite exposée au même régime alimentaire dès le sevrage. Les protocoles d’exposition (7 mois au total) sont basées sur les lignes directrices de l’OCDE pour les études chroniques (Extended One Generation Repro-Toxicity Study, EOGRTS). Ils suivent aussi les recommandations de l’Efsa sur les requis en Nanotoxicologie appliquée à l’alimentation pour être utile à l’évaluation du risque sanitaire pour l’homme. Le devenir des additifs alimentaires a été étudié par dosages ICP-MS des éléments d’intérêt (Titane, Silice, Aluminium) dans les fœtus et dans la descendance (foie, cerveau), complété par la microscopie électronique couplée à la spectrométrie à rayons X (EDX) pour mesurer la taille des particules (TiO2, SiO2, Al) accumulées dans les tissus. Les impacts le long de l'axe microbiote-système immunitaire, sur l'intégrité de la barrière intestinale, les fonctions cérébrales et le métabolisme dans la progéniture jeune et adulte sont étudiés par une combinaison d’approches moléculaires ciblées ou à haut débit (métagénomique par séquençage 16S des bactéries, transcriptomique pour l'expression de gènes, métabolomique par RMN sur les fèces pour évaluer la production de métabolites bactériens par le microbiote), de profils inflammatoires (cytokines), de cytométrie en flux (fréquence cellules immunitaires), d'histologie (intestin, foie, cerveau), d'études du comportement (fonctions cognitives) et du métabolisme (tolérance au glucose, insulinémie à jeun) dans les deux sexes. Enfin, des approches de transfert de microbiote intestinal des souris exposées vers des souris receveuses (axéniques) vierges de tout traitement aux additifs ont permis de déterminer le rôle du microbiote intestinal dans les effets délétères les plus significatifs préalablement identifiés dans le projet.

Dans les deux sexes, des NPs de TiO2 s’accumulent dans les fœtus de mères exposées au E171, ainsi que dans le foie des descendants à l’âge adulte ayant consommé le même régime que leurs mères depuis le sevrage. Aucune accumulation semblable n’est apparue avec les autres additifs (foetus, foie, cerveau), quand seul le E554 a entraîné une chute du poids des fœtus et des placentas. Ces résultats ont confirmé un passage materno-fœtal des NPs de E171 auparavant suggéré chez l’homme et valident la pertinence du modèle murin d’exposition chronique dès la vie in utero pour évaluer le risque en population générale.

Au niveau immunitaire, une rupture de la tolérance orale aux antigènes alimentaires apparaît dans la descendance mâle exposée au E171 ou E551. Pour le TiO2, cet effet se traduit par une susceptibilité accrue des juvéniles à l’allergie aux protéines de lait de vache, contemporaine d’une augmentation de perméabilité intestinale et d’une dysbiose. À l’âge adulte, les mâles exposés au E551 développent une inflammation colique de bas grade et une immunosuppression systémique, vérifiée après challenge septique au LPS. Cette vulnérabilité corrèle une diminution des cellules dendritiques et des lymphocytes (Th1/Th17/Tregs), responsable d’une baisse de production de cytokines après stimulation in vitro. Concernant le E554, une orientation pro-inflammatoire systémique est au contraire observée, plus marquée chez les femelles et qui domine en mélange avec E171 et E551.

In vitro, le E171 induit une dysbiose du microbiote humain, affectant des taxons liés à la signalisation immunitaire. Chez la souris, E171 et E551 induisent une dysbiose chez les mâles seuls (en cours d'analyse pour E554), accompagnée d’altérations du métabolisme glucidique, exacerbées sous régime riche en gras. Le transfert de flore des mâles E171 vers des souris axéniques reproduit l’intolérance au glucose, démontrant le rôle causal du microbiote altéré seul. Pour le E551, une supplémentation en A. muciniphila et B. pseudolongum, dont l’abondance était diminuée, protège les mâles des troubles métaboliques.

Au plan neurocomportemental, les souris adultes exposées au E171 et E551, seuls ou en mélange, présentent un déficit de mémoire spatiale, variable selon le sexe et le mode d’exposition. Un déficit du comportement social est observé dans les deux sexes exposés au mélange et chez les femelles exposées au E171 seul. Les troubles mnésiques apparaissent dès le sevrage; chez les mâles exposés au E551, ils corrèlent une inflammation dans l’hippocampe, tandis que chez les femelles E171, une baisse d’expression du BDNF est observée, suggérant des altérations neurobiologiques précoces. Un développement physique avancé est observé dans les deux sexes exposés au mélange d'additifs, quand le développement sensori-moteur est altéré chez les mâles E171 seuls, mais amélioré chez les femelles en toutes conditions, l'ensemble témoignant d'un dimorphisme sexuel marqué des conséquences comportementales.

Le projet DévADDiRisk ouvre à des perspectives scientifiques et réglementaires, commençant par la démonstration du lien causal de la dysbiose induite par le TiO2 et les désordres métaboliques après exposition chronique au colorant E171. Il encourage la prise en compte du microbiome dans l’évaluation du risque menée par l’EFSA, susceptible de nouvelles recommandations dans la définition de valeurs toxiques de référence pour les additifs à propriétés biocides. Pour le E171, nos données confortent la décision de son interdiction dans l’UE depuis 2022 et sont un argument fort en faveur de sa réévaluation dans les pays où il reste autorisé, y compris dans les secteurs du médicament et des cosmétiques. Quel que soit l’additif (E171/E551/E554), seul ou en mélange, les données ouvrent des perspectives de recherche sur leur immunotoxicité, notamment le besoin de protocoles dédiés (challenges in vivo/ex vivo) pour révéler des ruptures de tolérance orale aux antigènes favorisant un «risque» d’hypersensibilités alimentaires dès le jeune âge, non détectable en conditions basales. Ensemble, ces données encouragent la conduite d’études épidémiologiques pour explorer ces liens chez l’Homme.

Le projet ouvre également de nouvelles pistes de recherche sur les modes d’action adverse des additifs nanoparticulaires, notamment sur l’axe microbiote-système immunitaire. Il invite à examiner les conséquences à distance, notamment le développement des fonctions cognitives et les différences liées au sexe. Il montre en effet qu’une accumulation dans le cerveau n’est pas nécessaire pour observer des troubles comportementaux dans la descendance.

Concernant les effets en mélange, aucune additivité ou synergie n’est rapportée chez des souris exposées à des niveaux correspondants au dernier percentile des scenario maximum d’exposition humaine. Cela suggère que les réponses biologiques sont déjà fortement amplifiées, pouvant masquer des effets combinés. Ces résultats plaident pour une approche dose-dépendante prenant en compte la variabilité des niveaux d’exposition (faibles, modérées, fortes) selon les groupes d’âges et l’additif, ainsi mieux refléter les niveaux réels d’exposition dans la population.

Sur le plan sociétal, les effets délétères sur le statut immunitaire et neurocomportemental ont concerné en particulier les individus juvéniles, pointant la nécessité de recommandations nutritionnelles spécifiques pour les enfants et adolescents, ainsi limiter leur exposition à des additifs au potentiel immunosuppresseur (E551) ou inflammatoire (E171/E554). Pour les industriels, nos données encouragent le développement d’alternatives sûres (safe by design) pour des applications courantes (colorants, anti-agglomérants). Enfin, une meilleure information du grand public sur les risques potentiels liés à la consommation d’aliments ultra-transformés riches en additifs pourrait favoriser une évolution des comportements alimentaires vers davantage de transparence et de sécurité sanitaire.

- Une communication orale (E171) sélectionnée pour le Congrès de la Société américaine de Toxicologie (2022) : Evariste L, Gaultier E, Cartier C, Noireaux J, Chassaing B, Houdeau E, Lamas B. Mice exposed to food-grade TiO2 from in utero life to adulthood show sex-specific gut microbiota and metabolic disorders. Society of Toxicology (SOT) 61st Annual meeting, San Diego, USA, Mars 2022.

- Un article de synthèse (E171) dans les Cahiers de Nutrition et de Diététique (2023) : Lamas B, Evariste L, Houdeau E. Interactions du dioxyde de titane alimentaire avec l’axe microbiote-système immunitaire : un nouvel acteur dans le développement de désordres métaboliques ? 58 : 70-81.

La présence de nanoparticules (NPs) inorganiques dans des additifs alimentaires ingérés au quotidien soulèvent des questions de santé publique. Des travaux ont montré que l'ingestion de NPs altère la flore intestinale, le comportement et la structure cérébrale. Ces effets sont notamment liés aux propriétés physico-chimiques des NPs qui leurs permettent de franchir la barrière hémato-encéphalique, l’intestin et le placenta. Parmi les additifs alimentaires, le dioxyde de titane (TiO2, E171 en UE), l'argent (Ag, E174) et le dioxyde de silice (SiO2, E551) sont représentatifs des nanomatériaux manufacturés exposant la population générale, y compris les femmes enceintes. L'Ag (E174) utilisé pour colorer des pâtisseries et des chocolats, présente des niveaux d'exposition allant de 0,03 à 2,6 µg/kg de poids corporel (pc)/jour (j). Les niveaux d’exposition du TiO2 (E171) utilisé dans les confiseries, les sauces et le glaçage, sont compris entre 0,3 à 10,4 mg/kg pc/j, tandis que l’exposition au SiO2 (E551) utilisé comme anti-agglomérant (e.g., sel, sucre, épices, lait en poudre), est évaluée entre 0,9 et 31,2 mg/kg pc/j. Le Haut Conseil de la Santé Publique (2018) a souligné que chez l’Homme le risque d’un transfert de NPs de TiO2 au fœtus et les conséquences santé pour le nouveau-né ne sont pas abordés. Or, des études chez l’animal montrent que des NPs modèles de TiO2, Ag et SiO2 passent la barrière placentaire et sont détectées dans le cerveau des nouveau-nés, affectant le développement cérébral et le comportement. L’accumulation chez le rongeur de NPs de TiO2, Ag et SiO2 dans le foie des nouveau-nés suggère aussi des altérations du métabolisme énergétique. Cependant, ces études ont utilisé des nanomodèles (100% nanométriques) administrés à fortes doses aux mères par inhalation ou injections sous-cutanées. Dans le cadre des additifs alimentaires constitués de micro- et de nanoparticules, les études toxicologiques doivent prendre en compte l’exposition périnatale aux NPs d’origine alimentaire (E171, E174 et E551). Du fait de propriétés antibactériennes des NPs de TiO2, Ag et SiO2, une exposition chronique aux E171, E174 et E551 est susceptible d’altérer le microbiote intestinal (appelé dysbiose), avec des effets néfastes chez la descendance. Le microbiote joue un rôle clé dans différentes fonctions physiologiques, comme le métabolisme énergétique et le développement cérébral. Le dialogue entre microbiote et organes distants est complexe et implique des métabolites bactériens, comme les acides gras à chaine courtes (AGCC) et les ligands du récepteur Aryl Hydrocarbure (AhR), essentiels au maintien des fonctions intestinale, cérébrale et hépatique.
Nos données préliminaires ont montré un passage transplacentaire de NPs de TiO2 (E171) sur placenta humain perfusé, ainsi qu’une accumulation de Ti dans le placenta humain et le méconium suggérant une exposition fœtale. Chez le rat adulte exposé au E171, nous avons observé une activation microgliale et une altération de la neurogenèse dans l’hippocampe, zone cérébrale essentielle à la mémoire et à l’apprentissage. Une diminution de la production d’AGCC et de ligands AhR par le microbiote a aussi été observée chez des rongeurs exposés per os au E171 durant 60 ou 100 jours. Ces résultats suggèrent qu’une exposition orale chronique des mères à des additifs alimentaires inorganiques (E171, E174 et E551) pourrait induire dans la descendance des désordres métaboliques et neurologiques. Ces effets peuvent être synergiques ou potentialisés par une dysbiose intestinale transmise par les mères à la descendance et/ou directement induite chez la progéniture. En réalisant une étude longitudinale allant de la vie in utero à l'âge adulte chez la souris, l’objectif de ce projet est d'explorer le devenir périnatal des additifs alimentaires E171, E174 et E551, et d’en évaluer les effets sur les fonctions neurologiques et métaboliques des descendants, jusqu’au rôle synergique du microbiote dans ces altérations.