Développement et application d'une approche de métabolomique pour l'identification de biomarqueurs précoces de toxicité du tabac, de la cigarette électronique et du tabac chauffé

Development and application of a metabolomic approach for identification of early markers of toxicity of tobacco, electronic-cigarette and heated tobacco product

• Auteur / Autrice : Marie Lenski
• Direction : Delphine Allorge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé - PHARM
• Date : Soutenance le 27/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMPact de l'Environnement Chimique sur la santé humaine (Lille)
• Jury : Président / Présidente : David Balayssac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Baeza-Squiban, Patrick Emond, Sébastien Anthérieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Armelle Baeza-Squiban, Patrick Emond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage machine

Métabolomique

Toxicologie

Dispositifs électroniques d'administration de nicotine

Tests de toxicité in vivo

Apprentissage automatique

Métabolomique

Toxicologie expérimentale

Cigarettes électroniques

Cigarettes

Mots clés libres

Cigarette

Cigarette électonique

Tabac chauffé

Toxicologie expérimentale in vitro

Métabolomique

Développement analytique

Machine learning

Cigarette

Electronic cigarette

Heated tobacco products

In vitro experimental toxicology

Metabolomics

Analytical development

Machine learning

Résumé

Le tabagisme est un facteur de risque établi pour diverses pathologies, dont le cancer du poumon. La cigarette électronique et le tabac chauffé sont de nouveaux produits arrivés sur le marché depuis quelques années et utilisés parfois comme aide au sevrage tabagique. Pourtant l'innocuité de ces produits n'est pas établie actuellement, du fait d'un manque d'études toxicologiques approfondies. Nos travaux visent à explorer et à comparer le métabolome de cellules pulmonaires humaines exposées à des émissions de cigarette électronique, de tabac chauffé ou de cigarettes de tabac, afin de mettre en évidence leurs empreintes métaboliques spécifiques et de potentiels biomarqueurs précoces de toxicité.Le premier objectif de ce travail était de développer une méthode de métabolomique non-ciblée. Les méthodes de chromatographie liquide et de spectrométrie de masse haute résolution ont été développées et optimisées à partir de standards de métabolites. L'utilisation d'outils de machine learning a permis de mettre en place une base de données de référence d'environ 114 000 métabolites, facilitant l'analyse des données de métabolomique.Le deuxième objectif de ce projet doctoral consistait à analyser le métabolome de cellules épithéliales pulmonaires humaines immortalisées (BEAS-2B) cultivées à l'interface air-liquide et exposées à de l'air stérile (contrôle) ou aux émissions d'une cigarette de référence 3R4F (1 min ou 2 min), de tabac chauffé (30 min ou 60 min), ou de cigarette électronique réglée à faible (18 W) ou moyenne (30 W) puissance (30 min ou 60 min) en utilisant la machine à fumer Vitrocell. Les durées d'exposition ont été choisies sur la base de doses sub-toxiques comparables (> 80 % de viabilité cellulaire) précédemment rapportées, afin d'évaluer un effet potentiel dépendant du temps. L'analyse chimiométrique des données de métabolomique a permis de souligner que les émissions de 3R4F et de tabac chauffé ont affecté de manière significative le métabolome par rapport aux contrôles, alors qu'aucune différence n'a été observée après les expositions à la cigarette électronique, quelles que soient sa puissance d'utilisation et la durée d'exposition. La signature métabolomique mise en évidence à la suite de l'exposition aux produits du tabac était constituée de composés exogènes, dont certains cancérogènes, ainsi que de métabolites endogènes, marqueurs d'effets. Leur dérégulation signe des altérations de divers voies métaboliques et notamment le stress oxydant, le métabolisme énergétique et le métabolisme des lipides.Cette stratégie métabolomique offre de nouvelles perspectives pour une meilleure compréhension des variations du métabolisme cellulaire après une exposition à la cigarette ou au tabac chauffé, deux produits du tabac. Globalement, ces analyses in vitro suggèrent une toxicité moindre des aérosols de cigarette électronique par rapport à celle des émissions de la cigarette 3R4F et du tabac chauffé dans la lignée cellulaire BEAS-2B. Les métabolites dérégulés sont impliqués dans des voies métaboliques également altérées lors de pathologies respiratoires, confirmant qu'il ne faut pas sous-estimer la toxicité des produits du tabac chauffé. Ces données sont en accord avec les profils transcriptomiques obtenus sur le même modèle et constituent une base pour de futures recherches transversales par biologie intégrative. Des études sur les effets à plus long terme sont nécessaires.

Combustible cigarette smoking is an established risk factor for various pathologies including lung cancer. Electronic cigarettes and heated tobacco are new products that have appeared on the market in recent years and are sometimes used as a smoking cessation aid. However, harmlessness or toxicity of electronic cigarettes or heated tobacco products has not yet been proved. This study aims to explore and compare the metabolome of human lung cells exposed to emissions of electronic cigarette, heated tobacco products, or tobacco cigarette, in order to highlight their specific metabolic fingerprints and potential early markers of toxicity.The first objective of this thesis was to develop an untargeted metabolomic method. Liquid chromatography and high-resolution mass spectrometry methods were developed and optimised using chemical standards. Machine learning tools were used to build a reference database of almost 114 000 metabolites, facilitating interpretation of untargeted metabolomics data.The second objective of this doctoral project was to analyze the metabolome of immortalized human lung epithelial cells (BEAS-2B) cultured at air-liquid interface and exposed to air (control) or emissions from reference 3R4F cigarette (1 min or 2 min), heated tobacco products (30 min or 60 min), or electronic cigarette set up at low (18 W) or high (30 W) power (30 min or 60 min) using the Vitrocell Smoking machine. Duration of exposures were chosen based on comparable sub-toxic doses (> 80% cell viability) previously reported, to evaluate a potential time-dependant effect. Chemometric analysis of metabolomics data highlighted that both 3R4F and heated tobacco product emissions significantly affected metabolome, whereas no difference was observed after electronic cigarette exposures regardless of its power and duration of exposure, compared to controls. The metabolomic fingerprint highlighted following exposure to tobacco products consisted of exogenous compounds, some of which are cancerogenic, as well as endogenous metabolites, which are markers of effects. Their dysregulation indicates alterations in various metabolic pathways, including oxidative stress, energy metabolism and lipid metabolism.This metabolomic strategy gives new insights to discover potential markers of disrupted metabolic pathways after cigarette or heated tobacco product exposure, both tobacco products. These in vitro results strongly suggest a lower toxicity of electronic cigarette compared to those of 3R4F cigarette and heated tobacco product emissions in the BEAS-2B cell line. The dysregulated metabolites are involved in metabolic pathways that are also altered in respiratory diseases, confirming that the toxicity of heated tobacco products should not be underestimated. The present data agree with transcriptomic results obtained on the same model and constitute a baseline for further cross-disciplinary research by integrative biology. Studies on longer-term effects are needed.