Experimental study of the respiratory toxicity of carbon nanotubes

Les nanotubes de carbone (NTC) représentent une nouvelle forme cristalline du carbone aux propriétés physico-chimiques potentiellement intéressantes pour e nombreuses applications industrielles. Toutefois, lorsque ce travail a été initié, les données épidémiologiques, toxicologiques et écotoxicologiques très limitées et parfois contradictoires ne permettaient pas de mener une évaluation exhaustive des risques potentiels liés à ce matériau. Dans ce contexte, le principal objectif de ce travail a été de mieux caractériser la réponse pulmonaire suite à l’administration intra-trachéale de NTC multiparois (MWCNT) chez le rat et ce, en examinant différents points : l’inflammation, la fibrose et la génotoxicité. Une étude supplémentaire a également été menée afin de préciser le déterminant majeur de la toxicité pulmonaire des NTIC. Nos résultats indiquent que, si les NTC atteignent les poumons, ils sont biopersistants et leur taille semble moduler leur cinétique d’élimination. De plus, ils ont la capacité d’induire de l’inflammation ainsi que de la fibrose pulmonaire. Les lésions induites par les NTC sont caractérisées par la présence de granulomes riches en collagène et organisés autour du matériel carboné. L’alvéolite induite par les NTC est accompagnée de l’activation des cellules pulmonaires et de la production de nombreux médiateurs. Ces facteurs contribuent à la destruction de l’architecture pulmonaire et induisent le recrutement de granulocytes dans le poumon. D’autres médiateurs sont alors produits et stimulent la prolifération et la différenciation des fibroblastes. La désorganisation ainsi que le remodelage qui en résulte mènent progressivement à l’établissement de la fibrose pulmonaire. En parallèle, nous avons pu montrer que les NTC sont capables d’induire de la génotoxicité primaire au niveau des cellules épithéliales pulmonaires suite à des effets tant aneugènes (perte de chromosomes) que clastogène (cassures de l’ADN). In vivo, l’implication d’effets génotoxiques secondaires résultant de la formation excessive d’oxydants par les cellules inflammatoires n’est pas à exclure. Enfin, nos résultats indiquent que la réponse pulmonaire aigue de même que les effets génotoxiques peuvent majoritairement être attribués à la présence de défauts structurels dans les NTC. Ces résultats ont une grande importance non seulement pour la détermination du danger lié à un type particulier de NTC mais suggèrent également qu’il est possible d’éliminer, du moins en partie, le potentiel toxique de ces particules en éliminant leurs défauts de surface. Dans l’ensemble, nos résultats indiquent que les NTX possèdent un potentiel toxique an cas d’inhalation. Dans ce contexte, la mise en œuvre de mesures strictes d’hygiène industrielle se justifie afin de réduire l’exposition lors de la manipulation des NTC.Carbon nanotubes (CNTs) are a unique form of crystalline carbon possessing extraordinary physico-chemical properties of potential interest for numerous industrial applications. However, the human health and environmental impacts of this material are still under debate. Therefore, the main aim of this work was to better characterise the potential lung response to CNT by addressing three relevant issues: inflammation, fibrosis and genotoxicity. In addition, a specific focus was on investigating the main physico-chemical parameters affecting the pulmonary toxicity of CNT. To address these questions, we conducted experimental studies involving intra-tracheal administration of multi-walled CNT in a rat model. Our data demonstrate that, if they reach the lung, these particles are biopersistent and their length appears to modulate their clearance kinetics. In addition, we showed that MWCNT have the potential to induce strong pulmonary inflammatory and fibrotic reactions. The lesions induced by MWCNT are characterized by the presence of collagen-rich granulomas located in the interstitial lung tissue and organized around CNT material. The alveolitis induced by MWCNT is accompanied by the activation of the pulmonary cells and the production of inflammatory mediators. These factors contribute to injure the pulmonary architecture and promote the recruitment of granulocytes into the lung. These cells contribute to enhance the production of a lot of mediators that then stimulate the proliferation and the differentiation of fibroblasts. The resulting disorganization and remodeling of the interstitium accompanied by an excessive production of extracellular matrix proteins leads in turn to the establishment of lung fibrosis. In parallel, we showed that MWCNT are able to induce primary genotoxicity in lung epithelial cells by two major mechanisms: DNA breaks (clastogenic events) and chromosome loss (aneugenic events). In vivo, secondary genotoxicity resulting from the excessive and persistent formation of oxidants by inflammatory cells (neutrophils, macrophages) cannot be excluded. Finally, we were able to demonstrate that the acute lung response to MWCNT as well as their genotoxic potential can mainly be ascribed to the presence of structural defects in CNT. These findings have important implications for hazard identification and also indicate that it is possible to abrogate, at least in part, the acute toxic potential of CNT by eliminating their surface defects. Altogether, these data indicate that, if workers are exposed to respirable CNT, they may be at risk of developing severe lung diseases. In this context, industrial hygiene measures should be taken to strictly minimize exposure during the manipulation of CNT.Thèse de doctorat en sciences biomédicales et pharmaceutiques (SBIM 3) -- UCL, 200