Toxicité in vitro de nanoparticules de dioxyde de titane sur des cellules pulmonaires humaines - impact des caractéristiques physicochimiques

In vitro toxicity of titanium dioxide nanoparticles on human lung cells - impact of the physicochemical features

• Auteur / Autrice : Ozge Kose
• Direction : Valérie Forest
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Ingénierie et Santé / CIS-ENSMSE
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Hochepied
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Forest, Jean-François Hochepied, Marie Carrière, Anna Bencsik, Jérémie Pourchez, Francesco Turci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Carrière, Anna Bencsik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espèces réactives de l'oxygène et de l'azote

Poumon

Tests de toxicité

Oxyde de titane

Mots clés libres

Nanoparticules de dioxyde de titane

Cytotoxicité

Réponse pro-inflammatoire

Espèces réactives de l'oxygène

Cellules pulmonaires humaines

Titanium dioxide nanoparticles

Cytotoxicity

Pro-inflammatory response

Reactive oxygen species

Human lung cells

Résumé

Avec le développement rapide des nanosciences et des nanotechnologies, les préoccupations concernant les effets potentiels des nanoparticules sur la santé se sont renforcées. Les nanoparticules de dioxyde de titane (NPs de TiO2) sont largement utilisées dans une grande variété d'applications industrielles, principalement en raison de caractéristiques remarquables telles que leur taille, leur indice de réfraction ou leurs propriétés photocatalytiques. Bien que les recherches sur la toxicité du TiO2 soient de plus en plus nombreuses, les études examinant l'impact des propriétés physicochimiques des NPs de TiO2 sur leur toxicité sont limitées. Par conséquent, les principaux objectifs de cette thèse étaient d’évaluer : (i) la toxicité des NPs de TiO2 sur des cellules pulmonaires humaines en lien avec leurs principales propriétés physicochimiques, (ii) l’impact de l’exposition de courte durée des NPs de TiO2 à la lumière UV sur leurs propriétés physicochimiques et leur toxicité.Pour atteindre cet objectif, quatre types de NPs de TiO2 ont été synthétisés à façon et un TiO2 commercial a été utilisé. Ces cinq types de NPs de TiO2 diffèrent par leur taille/surface spécifique, leur forme, leur agglomération et leur fonctionnalisation/charge de surface (APTES). Dans la première étape de l'étude, l'effet des propriétés physicochimiques des NPs de TiO2 sur leur toxicité a été évalué sur 3 systèmes différents de cellules pulmonaires humaines (cellules épithéliales A549, macrophages différenciés à partir de THP-1, et cocultures de A549/THP-1 différenciées). En général, les NPs de TiO2 provoquent une diminution de la viabilité des cellules et induisent une réponse pro-inflammatoire selon le type de cellule. L'effet sur la toxicité était plus important avec des nanoparticules de plus grande taille primaire, moins agglomérées, en forme de bâtonnet et chargées positivement. Lors de la deuxième étape de l'étude, nous avons évalué si une exposition de courte durée des NPs de TiO2 aux rayons UV induisait des changements dans leurs propriétés physicochimiques et leur toxicité. Les NPs de TiO2 irradiées ont induit un effet cytotoxique plus élevé que les NPs de TiO2 non irradiées en lien avec une charge de surface modifiée. Après avoir examiné la toxicité des NPs de TiO2 en fonction de leurs propriétés physicochimiques et photocatalytiques, la formation de la corona protéique, qui est un autre facteur affectant la toxicité, a été étudiée. Les paramètres influençant la formation de la "protein corona" sont principalement la taille primaire des nanoparticules et la charge de surface, aucun impact clair de la forme et de l'état d'agglomération n'a été observé. Aucun effet de l'irradiation UV n'a été observé sur la formation de la couronne protéique.Dans l'ensemble, l'impact des propriétés physicochimiques des NPs de TiO2 sur leur toxicité a été observé et la toxicité est plus prononcée après l'irradiation UV des NPs. Une autre conclusion importante de cette étude est que le modèle de co-culture semble plus sensible aux effets indésirables des NPs de TiO2 que le modèle de monoculture.Cette étude contribue à améliorer notre compréhension des dangers et des risques que cinq types différents de NPs de TiO2 et leurs homologues irradiées aux UV peuvent présenter pour la santé publique. Elle peut servir de base à une approche "safer by design" pour atténuer la toxicité de ces nanoparticules

With the growing development of nanoscience and nanotechnology, concerns on the potential health effect of nanoparticles have increased. Titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) are widely used in a wide variety of industrial applications, mainly because of their unique properties such as their small size, high refractive index, or photocatalytic properties. Although there are growing researches on TiO2 toxicity, studies examining the impact of TiO2 NPs physicochemical properties on their toxicity are limited. Therefore, the main aims of this thesis were: (i) to evaluate the toxicity of TiO2 NPs in human lung cells as a function of their main physicochemical properties, (ii) to evaluate if a short time exposure to UV light induced changes in the physicochemical properties of TiO2 NPs and eventually affected their toxicity.For these purposes, 4 custom made and one commercial TiO2 NPs which differ in size/SSA, shape, agglomeration, and surface functionalization/charge (APTES) were used. In the first stage of the study, the influence of the physicochemical properties of TiO2 NPs on their toxicity was evaluated on 3 different human lung cell systems (A549 epithelial cells, macrophages differentiated from THP-1, and A549/differentiated THP-1 cocultures). In general, TiO2 NPs caused a decrease in cell viability and induced a pro-inflammatory response depending on the cell type. The effect on toxicity was higher with larger sized, less agglomerated, rod-shaped, and positively charged nanoparticles. In the second stage of the study, we evaluated if a short time exposure of TiO2 NPs to UV light induced changes in their physicochemical properties and their toxicity. Irradiated TiO2 NPs induced a higher cytotoxic effect than the pristine TiO2 NPs in relation to an altered surface charge. After examining the toxicity of TiO2 NPs depending on their physicochemical and photocatalytic properties, protein corona composition, which is another factor affecting toxicity, was investigated. The parameters influencing the protein corona composition are mainly nanoparticle primary size and surface charge, no clear impact of the shape and agglomeration state was observed. No effect of UV irradiation was observed on the formation of the protein corona.Overall, the impact of the TiO2 NPs physicochemical properties on their toxicity was observed and the toxicity was more pronounced after UV irradiation of NPs. Besides another main finding of this study was that the co-culture model seemed more sensitive to the adverse effects of TiO2 NPs than the monoculture model.This study improves our understanding of the hazards and risks that five different types of pristine TiO2 NPs and their UV irradiated counterparts could pose to public health. It can serve as a basis for a safer by design approach to mitigate the toxicity of this material.