DS04 - Vie, santé et bien-être

Mélange de pesticides et axe foie-cerveau : implication des récepteurs aux xénobiotiques – HepatoBrain

Impact and mechanisms of low dose pesticide cocktails on hepatic and brain functions.

Until now the majority of in vivo studies have examined episodes of acute intoxications when sudden neurological symptoms arise. Our research focuses on the mechanisms and the effects of exposure to low-dose pesticide cocktails during a life time, a matter of contemporary and active discussion.

Whole body effects of chronic pesticide cocktail exposure and candidate mechanisms

The impact of dietary and continuous exposure to cocktails of environmental contaminants on peripheral organs and central nervous system structures (hepato-brain axis) is largely understudied. By using integrated in vivo and in vitro approaches, we are studying the effects of dietary exposure to a specific pesticide cocktail on hepatic and CNS functions, attempting to identify causality. From a mechanistic standpoint, we will determine whether the constitutive androstane receptor (CAR) plays a role in mediating peripheral and brain modifications as triggered by the pesticides cocktail. Our research is developing over 48 months and 3 work packages. We are examining the following questions: <br />Does dietary exposure to low-dose pesticide cocktails promote hepatobrain pathology? <br />Does hepato-specific car invalidation determine peripheral metabolic changes that, in turn, negatively impact neuro-vascular functions? <br />Does car play a role in hepatobrain pathology consequent to dietary low-dose pesticide exposure?

We have assembled a multi-modal set of techniques to track possible in vivo pathological modifications triggered by dietary pesticide cocktails and to determine the implication of specific nuclear receptors in mediating some of these effects. We use:
1) Metabolic analyses: body weight, glycemia, insulinemia, lipidemia, glucose and insulin intolerance tests
2) Endocrine disruptions analyses: measurement of testosterone, estradiol and corticosterone levels
3) Models of mice invalidated for a xenobiotic receptor (total and liver-specific)
4) Transcriptomic analyses (liver) and metabolomics (liver and urine)
5) Comprehensive battery of behavioral testing repeated on the same mouse over a period of 1 year and during dietary exposure to pesticide cocktails.
6) In vivo electroencephalographic exploration to determine biomarkers of aberrant neuronal activity, possibly linked to phenotypical behavioral changes.
7) Detailed histological analysis of hepatic and brain structures and cells using immunofluorescent staining and confocal microscopy
8) In vitro culture of hepatic and brain cells to study the impact of individual contaminants of the cocktail.

We here provide a succinct list of major results. Impact of pesticides:
1) Exposure to pesticide cocktail in the diet leads to distinct and topographically defined histological signs of neuro-inflammation in vivo. 2) Exposure to pesticide cocktail in the diet does not lead to histological signs of pericyte-vascular modifications in vivo. 3) In vivo and longitudinal neurophysiological measures (behavioral testing and electro-encephalography) during pesticide cocktail exposure (2 and 8 months) reveals biomarkers potentially linked to neuronal dysfunction. 4) Human brain endothelial cells and pericyte directly exposed to pesticides (mixed or single) display signs of modified growth.
Implication of the constitutive androstane receptor (CAR) in mediating (some) of the above mentioned modifications:
5) Lack of CAR protects from the obesogenic effects of pesticide dietary and long-term exposure in vivo. 6) High levels of corticosterone in CAR KO mice could underscore behavioral changes in vivo.
Thanks to HepatoBrain we are rapidly expanding our research by: i) asking for / obtaining parallel funds to add novel technical approaches to this investigation (e.g., zebrafish); ii) including and initiating key collaborations with translational-clinical programs addressing the effects of environmental contaminants exposure in humans.

HepatoBrain has created the adequate research milieu and a strong collaborative relationship between the IGF (CNRS/INSERM) and the INRA-Toxalim Units. This partnership is novel and necessary to integrate the large array of expertise and accessibility to resources that are required to study a complex problem. This partnership translates into the assessment of a public health issue by using relevant environmental molecules, at relevant dose ranges, and analyzing end-points at the systemic (liver) and brain levels. The perspective and potential development of our research efforts are significant: i) we will determine, for the first time, whether current pesticide usage protocols are safe or not; ii) we will determine possible metabolic-blood biomarkers or behavioral-electroencephalographic signatures in vivo that could be used for the diagnosis of pathological exposure to environmental contaminants; iii) from a mechanistic stand point, we will elucidate the involvement of specific hepatic nuclear receptors in mediating the effects potentially triggered by the continuous exposure to pesticides. Our research and ongoing protocols can be immediately adapted to study a broader range of environmental contaminants, including endocrine disruptors, glyphosate, etc. We are collaborating with research group dealing with contaminant monitoring in subjects and populations.

We have presented our research at specialized meetings and one manuscript is currently under consideration in Diabetes. Two manuscripts are anticipated for the end on the year.

On soupçonne un lien entre une exposition récurrente à des toxines environnementales à faible dose (pesticides) et des changements neurovasculaires périphériques persistants, hypothèse non confirmée expérimentalement. Ceci est important car on suppose que la barrière hémato-encéphalique limite l'entrée de pesticides dans le cerveau depuis la circulation périphérique, à l'exception d’épisodes d'intoxications aiguës qui provoquent des symptômes neurologiques immédiats. Les mécanismes et les conséquences non connus de la toxicité environnementale sont par conséquent des problèmes de santé publique.
Des récepteurs nucléaires spécifiques ont été proposés comme médiateurs de la toxicité environnementale. Un des points d'entrée moléculaire proposé est le récepteur androstane constitutif (CAR ou NR1I3), un régulateur clé de la biotransformation xénobiotique. Nos résultats récemment publiés, ainsi que des données préliminaires obtenues à l'aide d'un modèle génétique de souris « knock-out » CAR, ont dévoilé une corrélation entre le dysfonctionnement métabolique hépatique et des modifications neurovasculaires (« hépatobrain ») à l'âge adulte. Le phénotype comprend des perturbations métaboliques, une stéatose hépatique et une intolérance au glucose. Nous avons rapporté que les modifications pathologiques périphériques sont concomitantes à une augmentation de perméabilité de la barrière vasculaire cérébrale, à des signes d'inflammation neurovasculaire, associées à des déficits de mémoire persistants et à une réduction des rythmes thêta électroencéphalographiques. Ces résultats ont été obtenus en utilisant un modèle de souris CAR KO global, mais il reste à savoir si l'invalidation hépato-spécifique de CAR est suffisante pour induire un syndrome « hépatoBrain » qui toucherait à la fois le foie et le cerveau, notamment sur un plan développemental.
Il est connu que les pesticides sont des modulateurs de CAR. Nos résultats récents indiquent que les associations de pesticides à faibles doses jugées non toxiques, sont nocives. Nous avons constaté que l'exposition alimentaire à un cocktail spécifique de pesticides à des concentrations utilisées couramment pour le traitement des pommiers (rapport de l'EFSA) provoque chez des souris adultes : i) une perturbation métabolique périphérique, par exemple un surpoids, ii) l’accumulation de triglycérides hépatiques, signe d'inflammation et d’intolérance au glucose. Les changements observés font partie des facteurs de risque d’un dysfonctionnement cérébrovasculaire. Pour évaluer une telle pathologie vasculaire, nous proposons d'étudier les hypothèses suivantes :

Volet 1: l'invalidation hépato-spécifique de CAR favorise des troubles métaboliques conduisant à des changements neuro-vasculaires in vivo.
Volet 2: les produits chimiques à faible dose favorisent la pathophysiologie longitudinale de type « hépatobrain ».
Volet 3: CAR joue un rôle dans la pathologie « hépatobrain » induite par les pesticides.

L'invalidation ou la modulation non physiologique de CAR pourrait constituer un mécanisme contributif aux troubles inflammatoires métaboliques, endocriniens et neurovasculaires. Nous éluciderons la dynamique d'une pathologie hépatique vers une pathologie neurovasculaire à long terme en mettant en place un modèle animal d’exposition chronique aux pesticides. Nous déterminerons le rôle physio-pathologique d'un récepteur nucléaire, CAR, dans cette pathologie. Nous ouvrirons la voie vers le développement de possibles biomarqueurs sanguins et neurophysiologiques de dysfonctionnement de type « hépatoBrain ». Nous mesurerons ainsi l'impact sociétal direct sur la santé publique d'un cocktail de pesticides retrouvés dans les pommes aux doses de traitement autorisées (rapport de l'EFSA).

Coordinateur du projet

Monsieur Nicola Marchi (Institut de Génomique Fonctionnelle)

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

INRA TOXALIM Institut National de la Recherche Agronomique
CNRS-IGF Institut de Génomique Fonctionnelle

Aide de l'ANR 576 516 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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