A suitable in vitro model to assess the relationship between the indoor air pollution and respiratory health, particularly Volatile Organic Compounds (VOC)

L’augmentation de la prévalence mondiale des pathologies respiratoires et allergiques depuis la seconde moitié du 20ème siècle ainsi que l’émergence de symptômes spécifiques liés à des environnements clos dans les années soixante-dix, ont contribué à incriminer l’exposition à la pollution de l’air intérieur, en particulier aux composés organiques volatils (COV), comme facteur de risque dans l’apparition de ces pathologies. Les différentes approches épidémiologiques et expérimentales existantes ont permis de renseigner la composition, les sources, les déterminants et les effets de cette pollution en particulier sur l’appareil respiratoire humain, première voie d’exposition. A l’heure actuelle, les politiques expérimentales visent à substituer les expérimentations animales par le développement de méthodes alternatives, dont les méthodes in vitro, pour des raisons économiques et éthiques. Cependant, les modèles in vitro permettant l’étude des polluants environnementaux sur les cellules de l’arbre respiratoire sont encore peu développés. L’objectif de cette thèse est donc de proposer une approche expérimentale in vitro adaptée à l’étude d’impact des expositions de cellules épithéliales nasales humaines à des polluants environnementaux, en particulier les COV. La force de ce travail est d’avoir mis en place des méthodologies approchant les conditions réelles d’exposition, et de les avoir appliquées à des atmosphères d’environnement intérieur. Au terme de ces travaux, les acquis méthodologiques ont porté sur le modèle de cellules épithéliales nasales évoluant de la culture primaire à l’épithélium reconstitué, constitué de plusieurs types cellulaires, proche de l’épithélium respiratoire humain ; la génération d’atmosphère chargée en mono (formaldéhyde) ou multi-polluants (COV issus de peinture du commerce), et surtout son contrôle analytique, étape essentielle pour valider notre démarche expérimentale ; l’exposition répétée (jusqu’à 3 par semaine, de durée allant jusqu’à 2 heures, sur une période totale d’au moins un mois) en interface air-liquide, sans perte d’intégrité cellulaire, dynamique (sous flux d’air) pour les polluants gazeux, ou statique (sans flux) pour dépôt des particules ; l’étude morphologique et histologique de l’épithélium, développée comme marqueur d’effet complétant l’approche biologique centrée sur la réponse inflammatoire. L’exposition au formaldéhyde gazeux à une concentration proche des niveaux environnementaux intérieur, n’a pas eu d’effet sur les marqueurs de l’inflammation. Lors de l’exposition de l’épithélium reconstitué choisi (MucilAirTM, Société Epithelix) aux COV, une inhibition de la production spécifique d’IL-8 dépendant de la dose et du nombre d’exposition est observée, alors que l’intégrité tissulaire de l’épithélium n’est pas altérée. Le mécanisme de cette inhibition demande à être exploré plus avant. Pour autant, la réactivité du modèle, en matière de réaction inflammatoire et de changement de structure de l’épithélium a été validée lors d’expositions à un mélange environnemental complexe (particules de fumée de tabac). Notre approche in vitro innovante peut être élargie à l’étude d’autres atmosphères multi-polluants (chimiques, physiques et biologiques) afin d’être au plus proche des conditions réelles d’expositions, mais aussi à d’autres organes cibles.Increase of respiratory diseases since the second half of the 20th century and emergence of specific symptoms related to closed environments contributed to suspect indoor air pollution, in particular volatile organic compounds (VOC), as a risk factor in the onset of these diseases. Epidemiological and experimental approaches are useful to determine its sources, determinants and effects on the human respiratory tract. Current experimental policies favor replacing animal experiments by alternative methods like in vitro methodologies, for economic and ethical reasons. Until now, in vitro models have been poorly developed to study environmental pollutants on respiratory cells. The objective of our work was to propose an experimental approach adapted to the study of the impact of environmental pollutants, particularly VOC, on human nasal epithelial cells. The strength of this work is to set up a methodology close to actual conditions of exposure, and apply them to indoor environment atmospheres. The methodology developed aimed to study reconstituted epithelium coming from primary culture of nasal cells, composed of several cell types, close to human respiratory epithelium; generate atmosphere charged with mono (formaldehyde) or multi-pollutant (VOC paint), and especially its analytical control (an essential step to validate our experimental approach); and repeated exposure (3 per week, until to two hours, over a total period of one month) at air-liquid interface without loss of cellular integrity, in dynamic conditions (under airflow) for gaseous pollutants, or static (without airflow) for particles. The setup of a morphological and histological approach allowed to complete biological effect (inflammatory response). Gaseous formaldehyde exposure at low concentration had no effect on inflammatory markers. VOC exposures on selected reconstituted epithelium (MucilAirTM, Epithelix Company) showed a decreased release of IL-8 depending on the dose and the number of exposure, without tissue damage. The mechanism of this effect needs to be further investigated. Responsiveness of the model, in terms of inflammation and structural changes of the epithelium was validated by assessing complex environmental mixture (tobacco smoke particles). Our innovative in vitro approach can be extended to the study of other multi-pollutant atmospheres (chemical, physical and biological) in order to get close to the actual conditions of exposure, but also by using other target organs