Réponse macrophagique aux nanomatériaux carbonés : effets de leur caractéristiques physiques et chimiques sur le transcriptome

Carbon nanomaterials (CNM) are widely used in the industrial world and they have many applications. The absence of legislation controlling their preparation and uses makes necessary, as for all nano-objects, the study of their toxicity in order to determine the risk of human exposure and to adapt legislation accordingly. Therefore, a better knowledge of their toxic potential is necessary. The increasing difficulties in using animal models make necessary the development of studies using cell lines especially macrophages that play a predominant role. These CNM are very light and form easily aerosols, reason why the preferred models for toxicity studies are alveolar macrophages. However, there are no human alveolar macrophage lines currently but rat cells exist. The subject of my thesis is to study macrophages response to CNM and the understanding of the effect of their physical and chemical characteristics on the transcriptome. The CNM studied are multiwall carbon nanotubes (CNT), single wall CNT, carbon black and graphene oxide. Our results show that all CNM studied trigger an inflammatory reaction in NR8383 and differentiated THP-1 cells, also some of them induce cytotoxicity. Size, functionalization and form control CNM toxicity mechanisms: CNT with similar size alter identical signaling pathways, amino group functionalization produces lysosomal stress, whereas functionalization with carboxyl groups causes reticulum endoplasmic (RE) stress, nanotubes induce cytoskeleton disorganization more than spherical nanoparticles. Otherwise, we identified lipid accumulation in NR8383 cells due to RE stress induced by Mitsui-7, a multiwall CNT. There was also a fusion of these macrophages. The formation of these foam cells and giant multi-nucleus cells are key events leading to granulomas formation. The results obtained are an important support for understanding CNM effects, showing some significant toxicity at molecular level. This toxicity is dependent on the physical and chemical characteristics of these nanomaterials. Thus, based on this type of data, we can move towards a safer manufacture to avoid the risks associated with their exposure.Les nanomatériaux carbonés (NMC) sont très utilisés dans le monde industriel et leurs applications, nombreuses, sont en plein développement. L’absence de réglementation pour leur préparation et leur emploi fait qu’il est nécessaire comme pour tous les nano-objets, de déterminer le risque qu’une exposition fait courir à l’Homme et d’adapter la législation en conséquence. Une meilleure connaissance de leur potentiel toxique est donc nécessaire. Les difficultés de plus en plus grandes pour utiliser les modèles animaux, rend nécessaire le développement d’études avec des lignées cellulaires au sein desquelles les macrophages ont une place prépondérante. Ces NMC sont très légers et forment facilement des aérosols et les modèles préférés sont les macrophages alvéolaires. Cependant il n’existe pas à l’heure actuelle de lignées de macrophages alvéolaires humains à la différence de cellules de rat. Le sujet de ma thèse porte sur l’étude de la réponse macrophagique aux NMC et la compréhension des effets de leurs caractéristiques physiques et chimiques sur leur transcriptome. Les NMC étudiés sont les nanotubes de carbone (NTC) multi feuillets, les NTC mono feuillets, le noir de carbone et l’oxyde de graphène. Nos résultats montrent que tous les NMC étudiés déclenchent une réaction inflammatoire dans les cellules NR8383 et les cellules THP-1 différenciées, et certains d’entre eux induisent une cytotoxicité importante. La taille, la fonctionnalisation et la forme contrôlent les mécanismes de toxicité induits par les NMC. Des NTC de tailles similaires altèrent des voies de signalisation identiques, une fonctionnalisation par des groupements amines produit un stress des lysosomes tandis que la fonctionnalisation par des groupements carboxyle entraine un stress du réticulum endoplasmique (RE). Les nanotubes induisent une désorganisation du cytosquelette plus importante que les nanoparticules sphériques. Nous avons également mis en évidence une accumulation de lipides chez les cellules NR8383 suite à un stress du RE induit par le Mitsui-7, un NTC multi feuillet. Le même NTC induit aussi une fusion de ces macrophages. La formation de ces cellules spumeuses et des cellules géantes à multi-noyaux sont des évènements clés entrainant la formation de granulomes. Les résultats obtenus présentent un support important pour la compréhension des effets des NMC montrant une certaine toxicité non négligeable de point de vue moléculaire. Cette toxicité est dépendante des caractéristiques physiques et chimiques de ces nanomatériaux. Ainsi, en se basant sur ce type de données, on pourra s’orienter vers une fabrication safe-by-design pour limiter les risques liés à leur exposition