Caractérisation des interactions des nanoparticules de dyoxyde de titane avec les interfaces biologiques

par Marie Besse

Thèse de doctorat en Bio-ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux

Sous la direction de Karim El Kirat-Chatel et de Sandrine Morandat.

Soutenue en 2012

à Compiègne .

mots clés

• Adhésion cellulaire
• Nanoparticules
• Oxyde de titane
• Surfactant pulmonaire
• Membrane cellulaire
• Matrice extracellulaire
• Fibronectines
• Cellules -- Adhésivité

Résumé

Les nanoparticules (NPs) possèdent des propriétés uniques, inhérentes à leur petite taille (inférieure à 100 nm). Les NPs de dioxyde de titane (NPs de TiO2) sont appréciées dans l’industrie pour la fabrication de produits aussi courants que les crèmes solaires, les peintures, les chocolats et les filtres à air. Au regard de leur importante utilisation, l’exposition quotidienne de l’Homme aux NPs de TiO2 est avérée mais leurs effets sur la santé sont mal connus. Afin de mieux comprendre les mécanismes pouvant conduire à une toxicité des NPs de TiO2, nous avons étudié leurs mécanismes d’action sur des lipides et des protéines constituant les interfaces biologiques. D’une part, les membranes biologiques que constituent le surfactant pulmonaire et les membranes cellulaires ont été étudiées grâce à des membranes biomimétiques. Nos résultats ont montré que les NPs de TiO2 perturbent profondément la distribution des lipides et augmentent l’ordre dans la membrane. Ces modifications entraînent un changement d’état physique qui peut gravement perturber la dynamique et les fonctions des membranes. D’autre part, notre étude sur l’interaction des NPs de TiO2 avec des protéines adsorbées sur une surface a révélé que les protéines de la matrice extracellulaire (MEC) retiennent beaucoup plus de NPs de TiO2 que les protéines sériques. Nous avons ensuite observé que les NPs de TiO2 ainsi retenues sur une couche de fibronectine (protéine majeure de la MEC) inhibent l’adhésion des préostéoblastes au support, or l’étape d’adhésion est primordiale pour des processus cellulaires comme la différenciation et la prolifération. Ces conclusions sont intéressantes à considérer dans le cadre des implants osseux de titane qui peuvent libérer des NPs de TiO2 dans les tissus environnants.

Titre traduit

Characterization of the titanium dioxide nanoparticles interactions with biological interfaces

Résumé

Nanoparticles (NPs) have unique properties due to their small size (less than 100 nm). Titanium dioxide NPs (TiO2 NPs) are widely used by the industrial sector for the manufacture of products such as sunscreens, paints, chocolates and air filters. Nowadays, it is known that Human are daily exposed to TiO2 NPs but their impact on health and potential toxicity mechanisms still unclear. Therefore, we studied the TiO2 NPs interaction with the biological interfaces and their components, i. E. Proteins and lipids. Biological membranes were studied using model membranes mimicking the lipid composition of the pulmonary surfactant and the cell membrane. Our results showed that TiO2 NPs deeply disturb the lipid distribution and increase the membrane order which lead to a modification of the physical state of the membrane. This could seriously disturb the membrane dynamic and function. Our work on TiO2 NPs interaction with proteins adsorbed on a surface revealed that proteins from the extracellular matrix (ECM) catch a lot more TiO2 NPs than serum proteins. Then, cell experiments showed that the presence of TiO2 NPs on a fibronectine layer (a major ECM protein) inhibits the adhesion of preosteoblastic cells. The adhesion step is required for various cell processes such as differentiation and proliferation. These conclusions are very important to consider since TiO2 NPs could be released from titanium bone implants into the surrounding tissue.