Vers l'élaboration d'un test in vitro pour prédire la nature cancérigène de composés chimiques et naturels utilisés dans l'industrie cosmétique

Towards the elaboration of an in vitro test to predict the carcinogenic nature of chemical and natural compounds used in the cosmetic industry

• Auteur / Autrice : Alberto Baeri
• Direction : Georges Vassaux, Bernard Mari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de pharmacologie moléculaire et cellulaire (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Cauffiez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Cauffiez, Bruno Cardinaud, Saadia Kerdine-Römer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Cardinaud, Saadia Kerdine-Römer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmétologie

Cancérogenèse

Toxicologie

Mots clés libres

Séquençage d'ARN unicellulaire

Toxicologie

Carcinogenèse

Cosmétique

Single-cell RNA sequencing

Toxicology

Carcinogenesis

Cosmetics

Résumé

Les tests toxicologiques des produits cosmétiques étaient classiquement réalisés sur des modèles animaux. Les coûts prohibitifs et l'évolution de la perception de l'expérimentation animale dans le grand public ont encouragé le développement de tests in vitro capables de prédire la toxicité de composés potentiellement classables "CMR" (Cancérigène, Mutagène et/ou Reprotoxique). Plus récemment, en cosmétique, les tests basés sur l'expérimentation animale ont été interdits dans l'Union européenne.Dans ce travail, nous avons comparé les signatures transcriptomiques de composés cancérigènes non génotoxiques sur des épithéliums pulmonaires en utilisant des cultures bi-dimensionnelles (telles que les cellules d'épithélium bronchique humain normal, BEAS-2B) et tri-dimensionnelles (3D). Les cultures 3D sont des cellules cultivées en "interface air liquide" (ALI) reconstituant un épithélium différencié composé de différents types de cellules (cellules ciliées, cellules en gobelet, etc.). Trois cancérigènes non génotoxiques connus (chlorure de cadmium (CdCl2), hydroquinone (HQ) et acétate de myristate de phorbol (PMA)) ont été sélectionnés dans cette étude pilote. Les cultures d'ALI et de BEAS-2B ont d'abord été analysées par l'établissement du profil d'expression génétique des puces à ADN lors de l'incubation avec les substances toxiques. Cette analyse transcriptomique réalisée sur une population totale a révélé une réponse comparable sur la base d'une signature de 200 gènes entre les deux systèmes de culture utilisés et une meilleure reproductibilité en utilisant le modèle BEAS-2B. Ensuite, nous avons effectué une analyse transcriptomique sur cellules uniques afin d'identifier les biais potentiels liés aux systèmes de culture ALI et les différences dans la réponse biologique au traitement au niveau des sous-populations cellulaires. Des signatures spécifiques de chaque agent toxique, ainsi qu’une hiérarchie de réponse de chaque type cellulaire ont été établies. Des signatures propres à chaque type cellulaire ont été mise en évidence, suggérant le bien-fondé basé sur une approche d’analyse transcriptomique sur cellules niques. Une comparaison entre les ensembles de données sur cellules uniques obtenues grâce au système bi-dimensionnel et au système ALI a également été effectuée, mettant en évidence un manque de corrélation entre BEAS-2B et les populations cellulaires précédemment décrites dans les cultures tri-dimensionnelles.Globalement, nos résultats montrent que le système ALI associé à une analyse transcriptomique sur cellules uniques peut fournir des informations supplémentaires par rapport à l'analyse transcriptomique sur population totale. Des expériences devront être réalisées ultérieurement sur un plus grand nombre de substances cancérigènes non génotoxiques pour déterminer si cette méthodologie peut fournir des signatures spécifiques, prédisant la nature cancérigène non génotoxique d’un composé chimique.

Toxicological tests for cosmetic products were classically performed on animal models. Prohibitive costs and evolution of the perception about animal experimentation in the general public have encouraged the development of in vitro tests capable of predicting the toxicity of compounds potentially classifiable as “CMR” (Carcinogenic, Mutagenic and/or Reprotoxic). More recently, tests based on animal experimentation have been banned in the European Union.In this work, we have compared transcriptomic signatures of non-genotoxic carcinogenic compounds on lung epithelia using bi-dimensional (such as the normal human bronchial epithelium cells, BEA-2B) and tri-dimensional (3D) cultures. 3D cultures are cells cultured in “air liquid interface” (ALI) reconstitute a differentiated epithelium composed of different types of cells (ciliated cells, goblet cells, etc.). Three known non-genotoxic carcinogens (cadmium chloride (CdCl2), hydroquinone (HQ) and Phorbol Myristate acetate (PMA)) were selected in this pilot study. ALI and BEAS-2B cultures were first analysed by microarray gene expression profiling upon incubation with the toxicants. This transcriptomic analysis performed on bulk cells revealed a comparable response based on a 200 genes signature between the two culture systems used and a better reproducibility when using the BEAS-2B model. Next, we performed single cell transcriptomic analysis to identify potential bias linked to the ALI culture systems and differences in the biological response to the treatment at the cell subpopulations level. We identified cell-type specific responses that allowed us to establish a transcriptomic signature for each cell type composing the ALI system in response to the toxicants and a hierarchy of “responding cell types”. Individual, toxicant-specific signatures were also established.A comparison between single-cell dataset belonging to bi-dimensional and ALI system, were also performed highlighting a lack of correlation between BEAS-2B and the cell populations previously described in the tri-dimensional cultures.Overall, our results show that the ALI system associated with a single cell transcriptomic analysis can provide additional information compared to bulk transcriptomic analysis. Subsequent experiments on a larger number of non-genotoxic carcinogens will have to be performed to determine whether this methodology can provide specific signatures, predicting the non-genotoxic carcinogenic nature of toxicant.