Toxicité de l'uranium: Approche multi-échelles du processus de biomineralisation dans les os – TURBO

Ce projet repose sur une étroite collaboration entre plusieurs disciplines et méthodologies qui permet d’aborder les multiples facettes d’une question scientifique : l’étude de la biominéralisation de l’uranium (ou de tout autre métal) nécessite des outils de chimie, de biochimie, et de biologie. La chimie vise à la compréhension au niveau moléculaire, que ce soit du point de vue du métal (par des analyses spectroscopiques classiques ou pointues sur de grand instruments type synchrotron), du minéral osseux (par la préparation et l’étude de matériaux mimant les propriétés du minéral osseux), ou encore des protéines impliquées dans le métabolisme osseux (par la préparation et l’étude d’analogues peptidiques mimant les sites affins pour l’uranium). La biochimie vise à identifier ces protéines, car toutes les protéines circulantes et/ou nécessaires à la minéralisation osseuse ne présentent pas nécessairement une forte affinité pour l’uranium. Ensuite, il est important de voir comment l’uranium peut affecter le rôle de ces protéines, sachant que pour certaines leur fonction biochimique est bien décrite, mais pour d’autres, notamment en ce qui concerne certaines interactions spécifiques, de nombreuses questions restent à élucider. Enfin, la biologie cellulaire permet d’appréhender les effets de l’uranium à un niveau plus physiologique, en étudiant directement l’effet du métal, à doses plus ou moins importantes, sur la viabilité des cellules osseuses, leur différenciation, mais surtout leur fonction. Cette dernière sera analysée par des tests visant à évaluer l’aptitude des cellules à fabriquer et minéraliser la matrice osseuse pour les ostéoblastes et ostéocytes, et à résorber cette matrice pour les ostéoclastes.

De nouvelles matrices artificielles (ou fabriquées par les cellules) contenant de l’uranium naturel ont été synthétisées et l’étude des échanges liquide/solide de ce métal avec son environnement sont en cours. Au niveau biochimique, de nouvelles interactions entre protéines sous l’effet de la fixation de l’uranium ont pu être identifiées et vont permettre de mieux comprendre d’une part comment ce métal est transporté du flux sanguin vers le site de stockage osseux, et d’autre part l’influence qu’il peut avoir sur les mécanismes de formation/destruction du tissu osseux. Parallèlement, de nouvelles molécules de synthèse dérivées des motifs protéiques liant l’uranium ont été générées, et leur capacité à fixer ce métal est en cours d’évaluation. Concernant le niveau cellulaire, après avoir mis au point les conditions de synthèse de matrice osseuse par les ostéoblastes en présence d’uranium, nous avons commencé la caractérisation de ces matrices et les effets de l’incorporation de ce métal sur l’activité de résorption des ostéoclastes. Les mécanismes moléculaires et cellulaires mis en jeu lors de ces expositions aux faibles doses d’uranium sont en cours d’étude. Enfin, nous avons pu montrer que l’uranium altère la capacité de minéralisation des ostéocytes, considérés comme les chefs d’orchestre du remodelage osseux, et qui représentent plus de 95% des cellules osseuses de l’organisme.

Les résultats obtenus dans ce projet sont des résultats fondamentaux. La compréhension fine des mécanismes biologiques permet généralement des avancées en termes de santé publique. Pour l’uranium, il s’agit d’être en mesure d’anticiper la toxicité chimique à long terme d’une exposition chronique à de faibles doses, soit pour une population de travailleurs, soit pour le grand public exposé à cet élément naturel via leur alimentation notamment par le biais de l’utilisation d’engrais phosphatés. Cependant, les perspectives de ce projet ne sont pas limitées à l’uranium : l’établissement d’une démarche scientifique multi-échelle peut aussi s’adapter à d’autres métaux comme le plomb, qui s’accumule également dans le squelette et dont les seuils toxicologiques de référence ont été récemment revus à la baisse

3 articles ont été publiés et plusieurs autres manuscrits sont en cours de rédaction.

La toxicité chimique de l’uranium est un sujet de préoccupation pour la population générale étant donné que des activités anthropiques diverses ont conduit à une augmentation substantielle de la concentration de cet élément dans notre environnement. Si la tendance actuelle est de réduire la part de l’énergie nucléaire en Europe occidentale, d'autres pays comme la Russie, la Chine, ou l’Inde ont investi de manière substantielle dans le développement de nouvelles centrales nucléaires. Ainsi, les conséquences de l’utilisation de l’uranium restent de notre responsabilité et de celle des futures générations. La plupart des études expérimentales dédiées aux effets sanitaires de l’exposition à l’uranium ont été consacrées à sa radiotoxicité ainsi qu’à sa toxicité chimique aiguë (néphrotoxicité). Quelques études animales et peu d'études épidémiologiques ont eu pour objet les effets d’une exposition chronique, mais les données sont encore trop clairsemées pour définir un seuil toxicologique associé aux effets à long terme. De plus, bien que le squelette soit le site principal d'accumulation de l’uranium à long terme, les effets chimiques de cet élément sur les cellules et la matrice osseuse demeurent mal connus. L'os est un organe complexe composé d'une matrice organo-minérale qui fait l’objet d’un remodelage permanent grâce à un système cellulaire finement régulé. Afin de comprendre comment l'uranium interagit avec l'environnement physiologique et s'accumule dans la matrice osseuse, nous proposons d’utiliser une approche transversale et pluridisciplinaire allant du moléculaire au cellulaire. Notre consortium a montré récemment que l’uranium est transporté dans le sang sous forme de complexes avec des protéines impliquées dans le métabolisme osseux. De plus, nous avons démontré que cet actinide affecte les fonctions principales des cellules osseuses in vitro, c'est-à-dire la construction et la résorption. Dans ce projet, nous proposons d'étudier les mécanismes d’échange entre l'uranium et la matrice osseuse in vitro et ex vivo, à trois niveaux différents : - au niveau moléculaire, en utilisant des matrices osseuses biomimétiques synthétiques et des peptides mimant des sites de liaison biologiques pertinents au sein des protéines; - au niveau biochimique, en utilisant des protéines circulantes et matricielles osseuses; - au niveau cellulaire, en observant les effets sur la minéralisation des ostéoblastes et ostéocytes, et sur la résorption par les ostéoclastes. Cette approche novatrice globale utilisant une stratégie à plusieurs niveaux conduira à une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la biominéralisation de l’uranium et aidera à concevoir et évaluer des nouveaux agents thérapeutiques permettant l’élimination de ce métal (décorporants). De plus, les procédures interdisciplinaires mises au point dans cette étude seront une plus value pour comprendre les mécanismes d’accumulation d'autres métaux toxiques au niveau du squelette. _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________