Effects of airborne particulate matter on the pulmonary circulation : roles of oxidative stress and calcium signaling

L’exposition humaine aux particules atmosphérique (PM) est une préoccupation majeure de santé publique. La pollution particulaire est constituée de particules grossières (PM10 diamètre < 10 μm), de particules fines (PM2.5 diamètre < 2.5 μm) et de particules ultrafines (PUF ou PM0.1 diamètre < 100 nm). L’excès de mortalité constaté par les études épidémiologiques est principalement associé aux pathologies respiratoires et cardiovasculaires. Après inhalation, les particules les plus fines (PM2.5 et PUF) pénètrent profondément dans les voies respiratoires jusqu’aux alvéoles pulmonaires. Des études ont montré qu’elles peuvent franchir la barrière alvéolo-capillaire pour se retrouver dans la circulation systémique et y exercer leurs effets délétères sur les organes cibles tel que le système cardiovasculaire. La circulation pulmonaire constitue donc une cible privilégiée des particules inhalées, particulièrement les cellules endothéliales qui tapissent la lumière des vaisseaux. L’hypertension pulmonaire (HTP) est une pathologie de la circulation pulmonaire caractérisée par un remodelage des vaisseaux pulmonaires, une hyperréactivité et une inflammation. Des études récentes ont montré le rôle prépondérant du calcium et du stress oxydant dans la physiopathologie de cette maladie. Cependant, peu d’études mécanistiques visent à expliquer les effets des PM sur les cellules cibles vasculaires pulmonaires. Dans ce contexte, ce travail vise à mieux caractériser les effets cellulaires et moléculaires des particules sur les cellules endothéliales d’artères pulmonaires humaines (HPAEC). L’impact des PM2.5 et des nanoparticules (NPs) noires de carbone (FW2) sur les cellules endothéliales d’artères pulmonaires humaines entraine des dérégulations de l’homéostasie cellulaire. En effet, nos résultats montrent une augmentation significative du stress oxydant et, notamment, de la production d’anion superoxyde cytoplasmique et mitochondrial, des perturbations de la signalisation calcique, des dommages mitochondriaux, ainsi qu’un déséquilibre de la sécrétion de facteurs vasoactifs tels que le monoxyde d’azote (NO). Nous avons, également, étudié sur ces cellules cibles vasculaires pulmonaires humaines, dans des conditions physiologique et pathologique mimant l’HTP, les effets des particules sur la signalisation calcique ainsi que le rôle du stress oxydant dans les effets observés. Nous avons, dans un premier temps, développé et validé un modèle in vitro qui mime la dynamique vasculaire observée dans l’HTP. Dans une deuxième étape, nous avons observé les effets des NPs FW2, dans les deux conditions expérimentales. Nos résultats montrent, dans les cellules placées en conditions pathologiques, une augmentation significative de la production d’espèces réactives de l’oxygène (ERO) ainsi qu’une augmentation significative de la réponse pro-inflammatoire caractérisée par la sécrétion d’interleukines telles que l’IL-6 par rapport aux cellules placées en condition physiologique. De plus, la signalisation calcique semble également altérée dans les conditions pathologiques.Human exposure to airborne particulate matter (PM) is a health risk concern. Particulate air pollution is composed of different PM: coarse particles (PM10 diameter < 10 μm), fine particles (PM2.5 diameter < 2.5 μm) and ultrafine particles (UFP) (PM0.1 diameter < 100 nm). The excess of mortality observed in several epidemiological studies is mainly associated with respiratory and cardiovascular diseases. After inhalation, the finest particles (PM2.5 and UFP) penetrate deeply into the airways, accumulate in pulmonary alveoli, cross the epithelial barrier to reach the pulmonary circulation and exert deleterious effects on the cardiovascular system. Inhaled particles are therefore observed in the pulmonary circulation, in direct contact with endothelial cells lining the inner surface of blood artery. Pulmonary Hypertension (PH) is the main disease of the pulmonary circulation characterized by remodeling of the pulmonary wall, changes in pulmonary vascular hyperactivity and inflammation. Oxidative stress and alteration in calcium signaling are also critical events involved in the physiopathology of PH. However, the effect of PM on these pulmonary vascular cellular targets is poorly described. In this context, the objectives of the present study are to assess the cellular and molecular effects of particle exposures in human pulmonary artery endothelial cells (HPAEC). Our results highlighted various cellular homeostasis alterations of HPAEC in response to PM2.5 and black carbon nanoparticles (FW2 NPs). We observed a significant increase of oxidative stress including cytoplasmic and mitochondrial superoxide anion production in concentration dependent-manner. Moreover, we observed calcium signaling alterations, mitochondrial damages, as well as a deregulation of vasoactive factors secretion such as nitric oxide (NO). Finally, we studied these cellular targets under physiological and pathological conditions mimicking PH. We have first developed a new in vitro model that mimics the vascular dynamics observed in the PH. Then, we investigated the effects of FW2 NPs in both experimental conditions. Our results showed, in pathological conditions, a significant increase in reactive oxygen species (ROS) production and a significant increase in the pro-inflammatory response characterized by interleukin secretion such as IL-6 as compared to cells in physiological condition. In addition, the calcium signaling seemed also be impaired in pathological conditions