Impact d'une exposition aux nanoparticules sur les fonctions des cellules présentatrices d'antigènes

par Alexis Gonon

Thèse de doctorat en Virologie microbiologie immunologie

Sous la direction de Patrice Marche.

Soutenue le 10-11-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble) (laboratoire) et de Institut Albert Bonniot (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Walid Rachidi.

Le jury était composé de Nicolas Clere, Sebastian Amigorena.

Les rapporteurs étaient Tijani Gharbi, Anna Bencsik.


  • Résumé

    Les nanoparticules (NP) ont été introduites en médecine pour développer des médicaments intelligents ou des agents d'imagerie. En raison de leur petite taille (<200 nm), les NP permettent la mise en place de thérapies ciblées, augmentent la diffusion et l’efficacité des drogues, tout en facilitant les modes d’administration et en diminuant les couts de santé publique. Malgré les promesses que présentent les NP pour la médecine, les risques potentiels pour la santé humaine associés à une exposition aux NP restent mal documentés ; en particulier en ce qui concerne leurs effets sur le système immunitaire. Les cellules présentatrices d’antigène (CPA) (comprenant les macrophages et les cellules dendritiques) sont recrutées au site d’inflammation induite par des pathogènes et constituent une ligne de défense majeure pour notre organisme. Les CPA sont dotées d’une activité de phagocytose et endocytose conduisant à une forte internalisation des NP. Ainsi, ces cellules seront parmi les plus affectées par une exposition aux NP et sont un modèle expérimental pertinent pour l’étude du devenir cellulaire des NP et de leurs effets sur l’hôte.Dans cette étude, nous avons étudié si les fonctions de ces cellules pourraient être modifiées par une exposition aux NP. Comme modèles de NP, nous avons choisi l'or (AuNP) et le gadolinium-polysiloxane (GdSi) utilisés comme agent de contraste ou de théranostique, le poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) et une nano émulsion lipidique (LNP) développés comme plateforme de délivrance d’antigènes ou de médicaments. Tout d'abord, en utilisant des microsphères fluorescentes comme sonde, nous avons montré que toutes les NP testées n'altèrent pas la capacité de phagocytose de la lignée cellulaire de macrophages J774. Ensuite, l’activation des cellules a été analysée par cytométrie de flux, basée sur l'expression des marqueurs de surface CD-86 et MHC-II. Nous avons établi que l'exposition aux NP n'active pas les cellules dendritiques dérivées de la moelle osseuse (BMDC). Dans le même sens, aucune de ces NP n’induit par elle-même de sécrétions de cytokines par les BMDC. En outre, l’activation de ces cellules par des activateurs connus, tels que le lipopolysaccharide bactérien (LPS) n'est pas modifiée par les NP. Cependant, l'exposition aux AuNP diminue l'expression des cytokines IL-6, IL-12 et IL-23 par les BMDC activées par LPS. Or, ces cytokines sont impliquées dans la polarisation des lymphocytes T CD4 + vers le phénotype T helper approprié (Th). Nous avons analysé si ces modifications de cytokines pourraient modifier la réponse Th. Dans un modèle in vitro de présentation d'antigène, les BMDC ont été incubés avec un antigène modèle (ovalbumine (OVA)) et co-cultivés avec des cellules T spécifiques de l'OVA. L'exposition aux AuNP a conduit à une augmentation des cytokines spécifiques des lymphocytes T: IL-13 (indiquant un déplacement de la balance Th1 / Th2 classique vers Th2) et IL-17 (permettant de diriger les cellules T vers Th17). L'exposition des BMDC aux autres NP de l'étude ne modifie que très faiblement leurs sécrétions de cytokines inflammatoires, et n'a donc pas d'impact sur le destin des lymphocytes T après la présentation de l'antigène.L’ensemble de ces résultats démontrent que GdSi, PLGA et LNP ne modifient pas la phagocytose, l'activation des DC et la présentation antigénique. Cependant, l'exposition aux AuNP modifie les réponses inflammatoires des DC et le devenir des cellules T vers les phénotypes Th2 et Th17. Ces modifications pourraient entraver la physiologie du système immunitaire et contribuer aux maladies chroniques ou à l'auto-immunité.

  • Titre traduit

    Impact of a nanoparticle exposure on antigen presenting cells' functions


  • Résumé

    Nanoparticles (NP) have been introduced in medicine to develop intelligent drugs or imaging agents. Due to their small size (<200 nm), NPs allow the development of targeted therapies, increase drug diffusion and effectiveness while facilitating modes of administration and decreasing public health costs. Nevertheless, the potential risks for human health associated to NP exposure remain poorly documented; especially about their effects on the immune system. Antigen-presenting cells (APC) (including macrophages and dendritic cells) are recruited at the site of pathogen-induced inflammation and constitute to the maintenance of body integrity, engulfing pathogens and delivering signals to other components of the immune system. Due to their internalization abilities, APC accumulate NP in their cytoplasm. Thus, these cells will be among the most affected by exposure to NP and constitute a relevant experimental model for the study of the cellular fate of NP and their effects on the host.In this study, we investigated whether the functions of these cells could be modified by an exposure to NP. As models of NP, we selected gold (AuNP) and gadolinium-polysiloxane (GdSi) used as contrast agent for therapeutic and diagnostic applications, and poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) and lipid nano emulsion (LNP) developed as a platform for the delivery of antigens or drugs.First, using fluorescent microspheres as probe, we have shown that all of the tested NP did not alter the phagocytosis capacity of the J774 macrophage cell line. Then, cell activation was analyzed by flow cytometry, based on the expression of the surface markers CD-86 and MHC-II. We have established that NP exposure did not activate bone marrow derived dendritic cells (BMDC). In this way, none of these NP induced cytokine secretions by the BMDC. Furthermore, activation of these cells by known activators, such as bacterial lipopolysaccharide (LPS) was not modified by NP.However, in this case, the cytokine response was altered by AuNP exposure, showing reduced inflammatory cytokine production such as IL-6, IL-12 and IL-23. Interestingly, these cytokines are involved in the polarization of CD4 + T lymphocytes to the appropriate T helper phenotype (Th). In a model of antigen presentation in vitro, this cytokine profile resulted into an altered development of specific immune responses. AuNP exposure increased T cell specific cytokines: IL-13 and IL-4 (indicating a shift of classical Th1/Th2 balance towards Th2) and IL-17 (standing for an alteration of T-cell fate towards Th17). The exposure of BMDC to the other NP of the study only very slightly altered their inflammatory cytokine secretions and therefore did not affect the fate of T lymphocytes after antigen presentation.All together, these results demonstrate that GdSi, PLGA and LNP do not modify phagocytosis, DC activation and antigen presentation. However, exposure to AuNP alters the DC induced inflammatory responses and polarizes the T cell fate towards Th2 and Th17 phenotypes. These changes could impair the physiology of the immune system and contribute to chronic diseases or autoimmunity.


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