Evaluation of TiO2 exposure impact on adult and vulnerable brains

par Clémence Disdier

Thèse de doctorat en Toxicologie

Sous la direction de Aloïse Mabondzo.

Le président du jury était Saadia Kerdine-Rômer.

Le jury était composé de Aloïse Mabondzo, Elias Fattal, Jean-François Ghersi-Egea.

Les rapporteurs étaient Armelle Baeza-Squiban, André Guillouzo.

  • Titre traduit

    Evaluation des Effets de l'Exposition au TiO2 sur le Cerveau Adulte et Vulnérable


  • Résumé

    La présence croissante de nanoparticules (NPs) dans les produits de la vie quotidienne (alimentation, médicaments, cosmétiques, textiles…) soulève de sérieuses inquiétudes quant à leurs potentiels effets nocifs pour la santé humaine. Les NPs de dioxyde de titane (TiO2) sont produites à l’échelle industrielle et peuvent déjà être trouvées dans plusieurs produits commerciaux tels que les peintures, les cosmétiques ou dans les systèmes de décontamination de l’eau ou de l’air. Dans le passé, les NPs de TiO2 étaient considérées comme inertes, mais, très récemment, l'Agence Internationale pour la Recherche sur le Cancer les a classées comme possiblement cancérogènes (groupe 2B) pour l’homme. De nombreuses études in vitro et in vivo ont démontré la potentielle neuro-toxicité des NPs de TiO2, mais très peu d'études se sont concentrées plus spécifiquement sur la barrière hémato-encéphalique (BHE), protégeant le cerveau. Aujourd'hui, en dépit des avancées constatées, la bio-cinétique et la bio-accumulation des NPs de TiO2 ainsi que les conséquences sur la physiologie de la barrière hémato-encéphalique (BHE) in vivo restent très peu documentées. De plus, dans l’évaluation du risque lié à l’exposition aux NPs, des facteurs de risque tel que l’âge ont jusqu’ici été quasiment ignorés. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet est donc d’évaluer chez le rat adulte et âgé, l’impact d’une exposition aux NPs de TiO2 sur les fonctions de la BHE et sur le métabolisme cérébral. Nos résultats ont montré que les NPs de TiO2 s’accumulent dans certains organes et tissus (principalement dans les poumons, la rate et le foie) et ne sont pas distribuées au système nerveux central (SNC) que ce soit après injection intra-veineuse (IV) ou après une inhalation subaiguë à un nano-aérosol de TiO2. Après administration IV, une interaction directe entre NPs et les cellules endothéliales microvasculaires conduit à des altérations fonctionnelles au niveau de la BHE. Malgré l'absence de translocation vers le SNC, la bio-persistance du titane dans les organes périphériques semble être la cause de modulations de perméabilité de la BHE et d’une inflammation cérébrale. L'implication de médiateurs circulants faisant le lien entre la bio-persitance de titane dans les organes périphériques et les modulations observées au niveau cérébral a été démontré en utilisant un modèle in vitro de BHE. Une réponse exacerbée en termes de neuro-inflammation et de modulation de perméabilité de la BHE établit la vulnérabilité du cerveau âgé à la toxicité des NPs inhalées. Ces résultats ont démontré que malgré l'absence de translocation cérébrale, l'exposition aux NPs de TiO2 induit des altérations fonctionnelles de la BHE et une neuro-inflammation qui pourraient conduire à des troubles neurologiques. L’identification des médiateurs et la description des effets neurotoxiques restent encore à préciser.


  • Résumé

    The overwhelming presence of nanoparticles (NPs) in products including foods, medications, cosmetics, or textiles raises serious concerns about their potential harmful effects on human health. In the wide diversity of NPs, titanium dioxide (TiO2) NPs are among those produced on a large industrial scale and can already be found in several commercial products such as paints, cosmetics or in environmental decontamination systems. In the past, TiO2 NPs was considered inert, but, very recently, the International Agency for Research in Cancer (IARC) has classified TiO2 as possibly carcinogenic (group 2B) to human beings. Numerous in vitro and in vivo studies have shown the potential neuro-toxicity of TiO2 NPs, but very few studies focus on the central nervous system (CNS), Nowadays, notwithstanding the reported advances, the biokinetic and bioaccumulation ofTiO2 NPs and the consequences on the physiology of the blood-brain barrier (BBB) in vivo are unknown. In addition, NPs effect on susceptible population such as the elderly have been mostly ignored. In this context, the target of the present studies is to evaluate the in vivo impact of exposure to NPs on the BBB physiology and brain inflammation which could promote neurotoxicity in young adults and aging. Our results have shown that TiO2 NPs bioaccumulate in organs and tissues (lungs, spleen and liver especially) and don’t translocate to the brain either after IV or subacute inhalation exposure. In IV administration case, the direct interaction between NPs and brain endothelial cells induces BBB functional alterations. Despite the lack of CNS translocation, the biopersistence of titanium in peripheral organs may be indirectly the cause of BBB permeability alteration and brain inflammation. The involvement of circulating mediators linking titanium biopersitence in peripheral organs and brain impact has been demonstrated using an in vitro BBB model. An exacerbated response in term of neuro-inflammation and BBB permeability modulation has established the vulnerability of the aging brain to inhaled NPs toxicity. Taken together, our findings demonstrated that despite lack of brain translocation, exposure to TiO2 NPs induce BBB physiology alteration and neuro-inflammation that may lead to CNS disorders. Thereafter, identification of mediators and description of the neurotoxic effects may complete the assessment of the impact of TiO2 NPs exposure on the brain.


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