Développement d'un dispositif d'exposition contrôlé pour l'étude de l'impact neurotoxique de l'inhalation d'aérosols modèles de paraquat et de nano-objets de TiO2 : applications à des conditions neurodéveloppementales et neurodégénératives
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Abstract EN:
The emergence of nanopesticides (NPe), novel agrochemicals which include nanomaterials (NM) within pesticide formulations, raises questions regarding the health effects of these nano-enabled products that may be inhaled after being sprayed. No study has yet explored the inhalation effects of substances mixing pesticides and NM, although these compounds might be able to exert neurotoxic effects, especially when exposures occur during critical life stages, such as neurodevelopment. Therefore, as the chemicals used in the NPe formulation could potentially cause cocktail effects which are currently not addressed, the development of new study models is essential to assess the health risk associated with these new technologies. This interdisciplinary study encompassed a metrological phase describing the development of an aerosol exposure device dedicated to rodents. As part of an approach aiming to harmonize toxicological protocols, this device must fulfill the requirements of inhalation toxicology studies, in order to offer a reliable and reproducible exposure procedure. In a second part, this manuscript presents an in vivo study carried out with mice thanks to the ad hoc device, which were used to produce aerosols involving two substances, the paraquat herbicide (PQ), titanium dioxide nano-objects (nTiO2) and their mixture modelling a NPe. The objective of this phase was the evaluation of the neurotoxic effects resulting from repeated exposures to our aerosols of interest, in particular to study the occurrence of cocktail effects on the brain. A whole-body exposure chamber was set up and metrologically characterized. It is a versatile device, which can be operated in various studies using several rodent species or scenarios of exposure. The generated aerosols were characterized in terms of mass and number concentrations, size distribution and atmosphere homogeneity and the proper functioning of the facility was then evaluated on the field. The different parameters monitored during its characterization were found to be stable, thus validating the suitability of this new exposure chamber as a tool to explore aerosol inhalation effects. Gene expression was assessed in the striatum of pups using RNA-seq, to highlight dysregulations in response to the aerosol exposure during gestation. Despite the use of low doses considered theoretically safe, aerosol exposures induced alterations in gene expression, which supports the idea that PQ and nTiO2 may both have adverse effects on neurodevelopment. The exposures of adult mice for several weeks also showed that nTiO2 inhalation could induce neurotoxic effects on the dopaminergic neurons. Although no synergistic effect was observed, our data suggested that interactions between these two substances occurred by modulating their toxicological effects. Finally, our findings underlined that the prenatal phase is essential in the assessment of the health risk associated with exposure to atmospheric pollutants such as NPe, which confirms the need to use in vivo methods depicting realistic exposure scenarios.
Abstract FR:
L’émergence des nanopesticides (NPe), qui incorporent des nanomatériaux (NM) aux formulations des pesticides, soulève des questions quant aux effets sanitaires de ces produits susceptibles d’être inhalés après leur pulvérisation. Aucune étude n'a encore exploré les effets de l’inhalation de substances mêlant pesticides et NM, alors que certains de ces composés sont capables d’exercer des effets neurotoxiques, notamment en cas d’exposition au cours de stades critiques comme celui du neurodéveloppement. Comme les substances utilisées dans la formulation d’un NPe pourraient potentiellement provoquer des effets cocktails pour l’instant méconnus, il est ainsi nécessaire de proposer des modèles d’étude permettant l’évaluation du risque sanitaire associé à ces nouvelles technologies. Ce travail interdisciplinaire a premièrement consisté à mettre au point un dispositif d’exposition aux aérosols. S’inscrivant dans une démarche d’harmonisation des protocoles toxicologiques, cet outil répond aux exigences liées aux études par inhalation, afin de permettre une procédure d’exposition fiable, reproductible et caractérisée métrologiquement. Dans une seconde partie, ce manuscrit présente une étude réalisée chez la souris grâce au dispositif développé préalablement, mettant en jeu les aérosols de deux substances, le paraquat (PQ), un NM (le TiO2), et leur mélange modélisant un NPe. L’objectif de cette phase a été l’évaluation des effets neurotoxiques de l’exposition répétée aux aérosols d’intérêt, notamment afin d’étudier la survenue d’effets cocktails sur le cerveau. Une chambre d’exposition « corps-entier » a été mise en place et caractérisée métrologiquement. Facilement adaptable, elle peut être utilisée au sein d’études diverses impliquant plusieurs espèces de rongeurs ou scénarios d’exposition. Les différents paramètres des aérosols générés se sont avérés stables, en termes de concentrations massiques et en nombre, de distribution granulométrique et d'homogénéité de l'atmosphère, et le fonctionnement de l'installation a été évalué sur le terrain, validant ainsi son usage comme outil approprié d’évaluation toxicologique. Malgré l’usage de doses d’exposition faibles et théoriquement sans effet toxique, l’analyse par RNA-seq du transcriptome du striatum des souriceaux exposés in utero a permis d’identifier des modifications géniques pouvant refléter des altérations neurodéveloppementales, ce qui suggère que PQ et TiO2 peuvent avoir des effets néfastes sur le neurodéveloppement. Par ailleurs, l’exposition de l’animal adulte pendant plusieurs semaines a montré que le TiO2 pourrait provoquer une neurotoxicité ciblant les neurones dopaminergiques. Bien qu’aucun effet synergique n’ait été observé, nos données suggèrent des phénomènes d’interaction entre ces deux composés, modulant leurs effets toxicologiques. Nos résultats soulignent que la phase prénatale est primordiale dans l’évaluation du risque sanitaire associé à l’exposition aux polluants atmosphériques comme les NPe, ce qui confirme la nécessité d’avoir recours à des méthodes in vivo représentatives de scénarios d’exposition réalistes.