Development of in vitro models of the alveolo-capillary barrier to study the toxicity and the passage of nanoparticles

Après exposition par inhalation, les nanoparticules (NPs) peuvent atteindre les alvéoles pulmonaires, se retrouver au niveau de la barrière alvéolo-capillaire (BAC), et induire une toxicité locale et / ou franchir cette barrière pour se retrouver dans la circulation sanguine. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été de développer des modèles de co-cultures in vitro simples à mettre en œuvre (utilisation de lignées cellulaires humaines), pour étudier les effets des NPs au niveau de la BAC. Dans un premier temps, des co-cultures de cellules épithéliales alvéolaires ou de phénotype proche (lignées A549 ou NCI-H441), et de macrophages (lignée THP-1), ont permis l’étude des effets pro-inflammatoires des NPs de SiO2 et de TiO2. Avec ces modèles nous avons montré l’importance de la coopération cellulaire mise en jeu lors des processus inflammatoires liés aux NPs, mais aussi le rôle du ratio cellulaire employé dans ces réponses. Dans un second temps, des co-cultures tridimensionnelles en chambres bicamérales associant des macrophages (lignée THP-1), des cellules épithéliales bronchiques (lignée Calu-3), et des cellules endothéliales pulmonaires microvasculaires (lignée HPMEC-ST1.6R), ont permis l’étude de l’impact de NPs fluorescentes de polystyrène sur l’intégrité de la BAC, et leur passage à travers cette barrière. Les cellules épithéliales Calu-3 permettent d’établir une barrière de qualité mais la membrane microporeuse servant de support aux cellules doit être optimisée pour ne pas être un frein au passage des NPs. Ce travail montre qu’un seul modèle ne permet pas d’étudier de façon optimale à la fois la toxicité et la translocation des NPs, et qu’une approche adaptée doit être envisagée en fonction du paramètre que l’on souhaite étudier.After inhalation, nanoparticles (NPs) can reach the alveoli and the alveolo-capillary barrier (ACB), and consequently induce local toxicity and / or cross this barrier to reach the bloodstream. In this context, the aim of this work was to develop co-culture in vitro models simple to implement (using human cell lines), to study effects of NPs on the ACB. In a first time, pro-inflammatory effects of SiO2 and TiO2 NPs were studied on co-cultures of alveolar epithelial cells (A549 and NCI-H441 cell lines), and macrophages (THP-1 cell line). We demonstrated the importance of cell cooperation during inflammatory processes caused by these NPs, and the role of the cellular ratio in these inflammatory responses. In a second time, effects of fluorescent polystyrene NPs on the ACB integrity, and their translocation were studied on three-dimensional co-cultures in bicameral chambers involving macrophages (THP-1 cell line), bronchial epithelial cells (Calu-3 cell line), and micro-vascular pulmonary endothelial cells (HPMEC ST1.6R cell line). The use of Calu-3 has provided a good barrier, but further investigations on microporous membranes are still needed to not interfere with NPs translocation. Altogether, these results show that a tailored approach should be considered in order to study toxicity or translocation of NPs