Pollution atmosphérique
3- Données expérimentales
Pr Armelle BAEZA,
Equipe des réponses moléculaires et cellulaires aux xénobiotiques
Cliché J.J. Poirault
1-Données épidémiologiques
2-Principaux polluants. Réseaux de surveillance
de la pollution atmosphérique
mortality
hospital
admissions
emergency room visits
physician office visits
reduced physical performance
medication use
symptoms
impaired pulmonary function
subclinical (subtle) effects
Proportion of population affected
severity
of effect
POLLUTION ATMOSPHERIQUE ET
IMPACTS SANITAIRES
WHO, 2000
POLLUTION ATMOSPHERIQUE ET SANTE HUMAINE
• Effets à court terme:
gène respiratoire, toux, maux de gorge
crises d’asthmes
diminution des capacités respiratoires chez l’enfant
apparition de maladies cardiovasculaires
• Effets à long terme: difficiles à déceler
» Cancers,
» pathologies inflammatoires chroniques: asthme,
BPCO
Capillaires avec
hématies
Pneumocytes
de Type I
Pneumocytes
de Type II
macrophage
interstitium
cellules
ciliées
Cellules
sécrétrices
cils
Pharynx
Larynx
Trachée
Bronche
Bronchiole
Alvéoles
Voies aériennes
Épithélium mucociliaire
L’appareil respiratoire:
Cible des polluants atmosphériques
épithélium
lame basale
glande sous-
muqueuse
Mouvement
unidirectionnel du mucus
épiphase
Hypophase:
Fluide périciliaire
MUCUSl’épithélium mucociliaire
MECANISMES DE PROTECTION
• Barrière physique
• Transport mucociliaire: épuration des particules inhalées
• Fluide extracellulaire aux propriétés anti-oxydantes:
protection contre :
– environnement riche en oxygène
– espèces oxydantes relarguées par les cellules inflammatoires
– polluants à action oxydante
O3: oxydant non radicalaire
NO2: radical stable
Particules
direct
oxydants secondaires (nitrites)
direct
produits secondaires (H2O2 et radicaux libres)
direct
indirect (processus inflammatoires)
Particules et stress oxydant
Equilibre rédox
Oxydants (EAO) anti-oxydants
O2.-, H2O2,
.OH,
ROOH….
GSH, CAT, SOD,
GPX……
Anti-oxydants du RTLF: respiratory tract lining fluid
Nasal RTLFAscorbate 10-50 µMUrate 100-400µMGSH 5-10 µMa-tocopherol <5 nM
Distal RTLFAscorbate 10-35 µMUrate 150-330µMGSH 70-225 µMa-tocopherol 100-500nM
Proximal RTLFAscorbate 20-45 µMUrate 100-300µMGSH 50-200 µMa-tocopherol 50-450 nM
PlasmaAscorbate 20-65 µMUrate 100-500µMTotal-SH 0.45-0.8mMa-tocopherol 5-25 µM
+ anti-oxydants enzymatiques:GPXSODCAT
+ piégeurs de métauxCaeruloplasminetransferrine
PENETRATION DES POLLUANTS DANS
L ’APPAREIL RESPIRATOIRE
GAZ
Région naso-pharyngée
Vapeurs d'acides
Arbre trachéo-bronchique
Gaz solubles (SO2)
Alvéoles Gaz peu solubles (O3, NOx)
Action locale
Voie d’entrée
Con
cent
ration
en
gaz
Distance du centre des voies aériennes
mucus sang cellules
épithélialesconduit aérien
gaz inerte
gaz réactif
Gaz hydrosolublesGaz non hydrosolubles
Devenir des gaz(Medinsky et Bond, Toxicol, 2001)
Action systémique
Action locale
hydrosolubleréactif
non hydrosolubleréactif
Solubilité dans l’eau
réact
ivité
Formaldéhyde:Tumeurs nasales
ozone:Dommages des voies aériennes inférieures
(Medinsky et Bond, Toxicol, 2001)
non hydrosolublenon réactif
benzène:hématotoxique
hydrosolublenon réactif
méthanol:acidose
PENETRATION DES POLLUANTS DANS L ’APPAREIL RESPIRATOIRE
GAZ
PARTICULES
Région naso-pharyngée
Vapeurs d'acides 5 à 30 µm
Arbre trachéo-bronchique
Gaz solubles (SO2) 1 à 5 µm
Alvéoles Gaz peu solubles (O3, NOx)
1µm
Clairance mucociliaire
(heures)
Clairance alvéolaire
(jours)
gravité
impaction
interceptionsédimentation
diffusion
Dépôtélectrostatique
Différents modes de dépôt des particules
Changements directionnels Vitesse de l’air
Région naso-pharyngée5-30 µmimpaction
TrachéeBronches
bronchioles1-5 µm
sédimentation
alvéoles1 µm
diffusion
Facteurs conditionnant le dépôt des
particules dans les voies respiratoires
Très abrupts
moins abrupts
faibles
++++
+++
0
++
+
D’après Lauwerys
bronche
bronchiole
Bronchiolerespiratoire
Alvéole
bronche
bronchiole
Bronchiolerespiratoire
Alvéole
bronchiole
Bronchiolerespiratoire
Alvéole
L’appareil respiratoire: voie d’entrée des particules
Pharynx
Trachée
Larynx
Voies aériennes supérieures
(extra-thoraciques)
Voies aériennes inférieures
(intra-thoraciques)
Alvéoles
Fahmya et al, Environ Toxicol. Pharmacol, 2010, 29: 173-182
Inhalation (10 mn) par le rat de particules fluorescentes
Rouge: 1,6µm
Vert : 190 nm
Évaluation expérimentale de la toxicité pulmonaire
• Expositions humaines contrôlées (O3, NO2, PM)
• Études in vivo chez l’animal exposé à des aérosols ou gaz en chambre d’inhalation (essentiellement rat, également souris, cobaye…) :
toxicité aiguë et chronique, cancérogenèse…
• Études in vitro sur cultures de cellules d’origine animale ouhumaine :
tests de cytotoxicité,
mutagenèse,
études mécanistiques de toxicité.
OZONE Polluant secondaire:
issu de la transformation photochimique
des NOx et les COV
Oxydant puissant,
peu soluble dans l’eau
Pénètre aisément jusqu’aux alvéoles pulmonaires
Etudes épidémiologiques : Effets aigus
Corrélation entre les admissions à l’hôpital et les concentrations de l’air en O3
Augmentation de la prévalence de l’asthme
Fréquence des appels reçus par SOS médecins à Paris est significativement plus élevée les jours
correspondant à des teneurs élevées en O3 et /ou en sulfate particulaire
Chez les enfants: corrélation entre les paramètres fonctionnels respiratoires et les maximum
horaires des concentrations en O3
Expositions humaines contrôlées
Populations étudiées:État de santé, âge, sexe
Tabagisme, activité sportive
Expositions: seuil d’alerte 360 ppb/h
Exposition de 500 à 200 ppb
Exposition de 120 à 80 ppb
Effets mesurés
Sphère respiratoire supérieureIrritation du nez, de la gorge, toux, expectoration
Atteinte des fonctions respiratoiresSpirométrie (mesure des volumes et débits respiratoires, vem (volume
expiratoire forcé)
Réactivité bronchique Comparaison entre vem et la mesure de la résistance des voies
aériennes
Lavage broncho-alvéolaire (LBA)
réduction de la fonction pulmonaireeffets aigus dose et temps dépendants
résorption en 12 à 24 hrs majorés par l’exercice physique (Chitano et coll., 1995).
augmentation de la réactivité bronchique non spécifiqueconséquences chez les patients déjà atteints par des maladies obstructives ou sensibilisés àdes allergènes.accentuer la réponse bronchique des asthmatiques et abaisser le seuil de réponse auxallergènes auxquels ils sont sensibilisés (Devalia et coll., 1996).
inflammation des voies aériennes ++ polynucléaires neutrophiles dans BAL dès 6 d’exposition (persiste au delà de
24 hrs). précédée par la synthèse de chimioattractants tel l’interleukine 8 (IL-8)
lésions tissulairesvoies aériennes: déciliation, nécrose des cellules ciliées, dégranulation des cellulessécrétricesbronchioles: nécrose des pneumocytes de type I, diminution de l’activitéphagocytaire des macrophages
Altération des jonctions serrées entre les cellules épithélialesatteinte de la perméabilité de l’épithélium, augmentation de protéines dans BAL oedèmes.
Grande variabilité selon les individus.
Endothélium
Tissu conjonctif
Tissus musculaire
lisse
Epithélium
mucociliaire
Mucus
Fluide
périciliaire
OZONE
Anti-oxydants (GSH, Ac urique, Vit C…)
Neutrophiles
ERO
protéines lipides
Oxydants
secondaires
Cellule
ciliée
MastocytesMédiateurs
proinflammatoires
NFkB
Ligands
de EGFR
Macrophages
Cellule
à mucus
Lame
basale
PM2,5
Valeur limite : niveau à atteindre dans un délai donné et à ne pas dépasser, et fixé sur la base des connaissances scientifiques
afin d'éviter, de prévenir ou de réduire les effets nocifs sur la santé humaine ou sur l'environnement dans son ensemble.
Caractéristiques des particules atmosphériques
forte hétérogénéité taille
proximité du trafic
UF
30%
F
40%
G
30%
fond urbain
UF
7%
F
55%G
38%
Distribution relative en masse
Ramgolam et al., 2009, Val et al., 2011
Générées
mécaniquement
Générées par combustion
ou transformation
atmosphérique
Diamètre des particules (µm)
Nucléation Accumulation Grossières
Vo
lum
e r
ela
tif
de
s p
art
icu
les
Particules ultrafines
particules
grossières
particules
fines
HC/SO4
métaux
organique
Caractéristiques des particules atmosphériques
0,2 µm
MET
MEB1 µm
Baulig et al., 2004, Val et al., 2011
« suies »
« suies »
forte hétérogénéité forme
Pneu
Caractéristiques des particules atmosphériques
COMPOSITION
- composés carbonés (élémentaires, organiques)- composés minéraux et sels (poussières)- ions (sulfates, nitrates)- métaux- composés biogènes (bactéries, virus, pollens)
- Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
- métaux - endotoxines
Principaux composés
chimiques des PM (Paris)
PM Grossières PM Fines
dusts
sea salt
ions
CE
CO
CO
Ramgolam et al., 2009
forte hétérogénéité composition
Association entre la mortalité et de la morbidité pour cause cardiorespiratoire et
augmentation de la pollution particulaire
(Katsouyanni 1997, Zanobetti 2000)
Pour une augmentation de 10 µg/m3
Mortalité pour cause respiratoire +3,4%
Mortalité pour cause cardiovasculaire +1,4% (Momas et coll., 1993)
Lien plus fort entre morbidité respiratoire à caractère allergique ou infectieux et
pollution :
+ 15% des manifestations allergiques (Medina et coll., 1997)
Relation significative
PM et BPCO chez les personnes âgées
PM et asthme chez l’enfant
APHEA
CAFE
Réduction de l’espérance de vie des européens de 9,6 mois
Impacts sanitaires de la pollution particulaire:
études épidémiologiques
INVS, S. Medina, 2012, Pascal et al, STE, 2013
39 millions d’habitants de 25 villes européennes:
19 000 décès prématurés dont 15 000 pour causes cardiovasculaires
PM2.5 : 25
µg/m3
INVS, S. Medina, 2012, Pascal et al, STE, 2013
15 à 30 % de nouveaux cas d’asthme
de pathologies chroniques respiratoires
et cardiovasculaires chez les adultes âgés
de 65 ans et plus
Asthme (0-17 ans)
Pathologies coronariennes (65 ans)
Bronchopneumopathies chroniques obstructives (65 ans)
Groupe 2a: probablement
cancérigène pour l’homme
Groupe 1: cancérigène
pour l’homme
Groupe 1: la pollution de
l’air extérieur est
cancérigène pour l’homme
Groupe 1: les particules,
composante majeure de la
pollution de l’air extérieur,
sont cancérigènes pour
l’homme
L’approche toxicologique à travers l’étude des particules atmosphériques
Exposition particulaire et pathologies respiratoires et cardiovasculaires:
relations directes?
Mécanismes d’action des particules sur les organes et cellules cibles
Fractions particulaires responsables et rôle des associations
Etudes expérimentales
Etudes in vivo: expositions contrôlées
volontaires sains ou asthmatiques
animaux de laboratoire: inhalation – instillation intratrachéale
Etudes in vitro:
tranches d’organe
cultures cellulaires - animales / humaines
- lignée / cultures primaires
Types de particules testées:
Particules Diesel, PM10, PM2.5, PM0.1 , CAP
noir de carbone
Expositions contrôlées de volontaires ou d’animaux à des
PM (Diesel ou des CAPs (concentrated ambient Particles)
de 100 à 300 µg/m3 de 1 à 2 h
inflammation pulmonaire
inflammation systémique
Troubles du rythme cardiaque
Modifications du tonus vasculaires
Effet prothrombotique….
Effets sanitaires des PM: à court terme
Lavage broncho-alvéolaireBiopsie
Salvi et al., 1999, 2000, Ghio et al, 2012
+ allergènes: Effet adjuvants….
Ghio Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2000. 162: 981-988
• 8 sujets exposés à l'air versus 30 sujets exposés à des CAP (Concentrated Ambient Particles)
• Exposition 2 heures, PM : 23.1-311.1 µg/m3
•Effets 18h post-exposition
Pas de modification de la cellularité inflammatoire sanguine à 18h
Pas d'altération de la fonction respiratoire (immédiatement en post-exposition et après 18h)
Etudes in vivo: Réponse inflammatoire chez le volontaire sain
Etudes chez l’animal
Inhalation nose only instillation
Healthy /compromised animals
Méthodes pour évaluer la toxicité respiratoire
Saber Part. Fiber Toxicol. 2006. 3: 1-8
• Souris exposées à 20 ou 80mg/m3 Particules Diesel par inhalation, 90 mn
• Sacrifice à 1h, 3h ou 24h post-exposition.
Etudes in vivo: Réponse inflammatoire chez l’animal
Effets dépendants de la dose
Effets dépendants du temps
Endothelium
fibroblasts
smooth muscle
cells
airway
epithelium
Macrophages
médiateurs
inflammatoires(GM-CSF, IL8…)
Implication de l’épithélium dans la réponse pro-inflammatoire et sécrétions muqueuses
Mécanismes impliqués
Rôle des composantes particulaires dans cette réponse
Particules et réponse inflammatoire :quels sont les mécanismes d'action?
50
0
100
150
fond trafic
GM
-CS
F s
écré
té (
pg
/mL
)
1 5 10 20 30 1 5 10 20 30 µg/cm²
Sécrétion de GM-CSF
16 HBE, 24h
Baulig et al., Environ Sci Technol, 2004
Les particules induisent la sécrétion de médiateurs pro-inflammatoires
GM
-CS
F
(% p
ar
rap
po
rt a
u t
ém
oin
)
50
100
150
200
250
300
aa
a c
a c
a
c
fond trafic
Sécrétion de GM-CSF
Baulig et al., Toxicol 2009
16 HBE, 10µg/cm2, 24h
Rôle des composantes organiques et aqueuses?
Boland et al., Am. J. Physiol., 1999- 2000
0
20
40
60
80
100
120
140
Contrôle - cata + cata
GM
-CS
F p
g/m
l
nPDi EOr
*
**
*
nPDi EOr
PDi issues ou non d’un véhicule équipé d’un
catalyseur
Particules et réponse inflammatoire :
PM
signal transduction
(implication of ROS, protein kinases?)
cytokines mRNA
Cytokines(GM-CSF)
inflammatory cells
recruitment
Transcription
factor activation(NF-kB)
Signal transduction(Involvement of ROS ,
protein kinases?)
Cytokine gene transcription
phagocytosis
Particules et réponse inflammatoire :
quels sont les mécanismes cellulaires et moléculaires induits par les particules?
IkB
IkB degradation: western blot
a-tubulin
IkBa
30 min 4 h2 h
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
% o
f IkB
a d
eg
rad
ati
on
/ co
ntr
ol
Bonvallot et al., 2000, 2001
Les particules activent la voie NF-kB
IkB
NF-kB DNA-binding : EMSA
NF-kB
1 h 2 h 4 h
0
10
20
30
40
50
% o
f N
F-k
B D
NA
bin
din
g in
cre
as
e
/ c
on
tro
l
1 h 4 h2 h
Densitometric analysis
Detection of phosphorylated kinaseswestern blot
Erk-P
Erk
p38-P
30 min 4 h2 h
Bonvallot et al., Inhalation Toxicol., 2000, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 2001)
GM-CSF release24 h of treatment
100
200
Without
inhibitor
+
PD98059(10µM)
+
SB203580(1µM)
*
* *°*
*°°
*: different from the control
°: different from treatment without inhibitor
Erk p38
Les particules activent les MAP kinases
Erk JNK p38
Pourazar et al., 2005
Implication des voies MAPK et NF-kB: confirmation in vivo
DEP: 300µg/m3
1h expo
Fixation 6h post-expo
immunohistochimie
GM-CSF release
*: different from the control
*°
°: different from treatment without antioxidant
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Control DMTU NAC
° °
*°
*°
*°*°
10 mM 10 mM
NF-kB
NF-kB DNA binding
Control DMTU10 mM
*
*
*
control
DEP 10 µg/cm2
OE-DEP (15µg/ml)
Carbon black
Bonvallot et al., Inhalation Toxicol., 2000, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 2001
Implication du stress oxydant?
GM-CSF mRNA
GM-CSF
IkB Anti-oxydants
ROS?
Origine des EAO?
Cœur carboné: réactivité de surface?Composés organiques?Métaux ?
PM
signal transduction
(implication of ROS, protein kinases?)
cytokines mRNA
Cytokines(GM-CSF)
inflammatory cells
recruitment
Transcription
factor activation(NF-kB , AP-1)
Signal transduction(Involvement of ROS ,
protein kinases?)
Cytokine gene transcription
phagocytosis
IkB
PM2.5
Production d’EAO dans les cellules
épithéliales bronchiques humaines
ES
R s
ign
al
(a.u
.)
Baulig et al., Environ Sci Technol, 2004
Baulig et al., Toxicol 2009
Production d’.OH en
condition abiotique
0
2000
4000
6000
8000
Te DEP fond
218%
984%
trafic
1545%
10000
12000
100
150
200
250
300
350
fond trafic
DC
F f
luo
resc
en
ce
(% d
u t
ém
oin
resp
ecti
f)
10 µg/cm² - 4 h
=
Extrait organique
=
Extrait aqueux
PM2.5
PM et production d’espèces activées de l’oxygène
Oxidation of dichlorofluoresceinPotentiel oxydant intrinsèque
Test de l'oxydation de la sonde CM-DCFH2-DA en condition acellulaire
T VEO3 D E G H0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.00 µg/mL
10µg/mL
50 µg/mL
100 µg/mL
Particules
*
*
*
*
* p<0.001
Va
leu
r n
orm
alis
ée
de
la
flu
ore
sce
nce
pa
r
ra
pp
ort
au
té
mo
in
Lot PM « biomasse »Lot PM « trafic »
Oxidation of dichlorofluorescein
Stress oxydant intracellulaire
Test de l'oxydation de la sonde CM-DCFH2-DA en condition cellulaire
T
VEO3 D E G H
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1 µg/cm2
5 µg/cm2
10 µg/cm2
Particules
** * p < 0.01
*
**
**
** p < 0.001
**
*
**
**
Va
leu
r n
orm
alis
ée
de
la
flu
ore
sce
nce
pa
r
ra
pp
ort
au
té
mo
in
Lot PM « biomasse »Lot PM « trafic »
HAP
HAP
activés
CYP 1A1
EpRE/ARE GST
NQO1
HO-1
Ah R
CYP 1A1XRE
HAP-
Ah-ARNt
ROS
quinones
quinones
radical
semiquinone
NADP O2
NADPHO2
.-
Devenir des composés organiques des PM
nrf2
XRE
ADN CYP 1A1
Cytochrome P450
CYP 1A1
ARNm
CYP 1A1
Métabolites
+ EAOR
ati
o q
PC
R
ARNm CYP 1A1
Baulig et al., Toxicol 2009
0
10
20
30
40
50
DEP fond trafic
HAP µg/g109 210286
16 HBE, 10µg/cm2
24h
Récepteur
Ah
HAP
Biodisponibilité des HAP?
C
DEP
0 1 2 3 4 5 6 7
urban
background
kerbside
a
a
a
Re
al ti
me
PC
R r
ati
o
0
10
20
30
40
50
DEP urban
background
kerbside
50
100
150
200
250
300
350
C
ER
OD
kin
eti
c s
lop
e
urban
background kerbside
XRE activity
PAH µg/g
109
210
286
CYP 1A1 expression CYP 1A1 activity
Biodisponibilité des HAP? (2)
ARE activity
0
1
2
3R
ea
l ti
me
PC
R r
ati
o
DEP urban
background
kerbside
NQO-1 expression
0 1 2 3 4 5
Arbitratry units (Luc)
C
DEP
urban
background
kerbside
CB a
a
a
a
EpRE/ARE GST
NQO1
HO-1
nrf2
Nrf2 nuclear translocation
control exDEP
Métabolisation des composés organiques
Noyau
FAIBLE
Défense antioxydante
- Enzymes du métabolisme des Xénobiotiques
- Enzymes antioxydantes
INTERMEDIAIRE
Inflammation
- Cytokines
- Chimiokines
Cellule épithéliale bronchique
FORT
Mort Cellulaire
- Apoptose
- Nécrose
5µm
Niveau de stress oxydant
métaux
surface
FT
Boland et coll., 2000
Baulig et coll., 2009
Bonvallot et coll., 2001
Ferecatu et coll., 2010
Voies de signalisation EGFR, MAPK,
NFκB
Voi
e N
rf2
Knol et al, Part Fibre Toxicol, 2009, 6:19
ConclusionThe overall medium to high likelihood rating of causality of health effects of UFP
exposure and
the high likelihood rating of at least one plausible causal mechanism explaining
associations between ultrafine particles and cardiac events (respiratory
inflammation and subsequent thrombotic effects),
supports the need to consider inclusion of ultrafine particles in future health impact
assessments of (transport-related) air pollution.
…. Et le rôle de la taille?
pollution urbaine de fond
7 campagnes (hiver/été)
0
0,1
0,20,3
0,4
0,5
0,6
0,70,8
0,9
1
0,01 0,1 1 10 100
d (µm)
dC
/d(l
og
D)
Impacteur Dekati
13 étages
Toit du LEPI (Paris 13)
10,5 µm
30 nm
PUFFIN1
Primequal 2
rôle de la taille dans la réponse pro-inflammatoire induite par les particules
stage D 50 %
12 ≈ 6,7 µm
11 ≈ 4 µm
10 ≈ 2,5 µm
9 ≈ 1,65 µm
8 ≈ 1 µm
7 ≈ 0,65 µm
6 ≈ 0,4 µm
5 ≈ 0,25 µm
13 ≈ 10,5 µm
4 ≈ 0,17 µm
3 ≈ 0,1 µm
2 ≈ 0,06 µm
1 ≈ 0,03 µm
PM [0.1-0.03]
PM [1-0.1]
PM [2.5-1]
PM [10-2.5]
Dekati Impactor
13 stages
12 filtres de polycarbonate (pore 0.2 µm)
divisés en 4 classes de taille
Récupération des particules
Chaque filtre : 3 sonications de 5 sec
Chaque classe de taille dans 600 µL
de milieu de culture
stage D 50 %
12 ≈ 6,7 µm
11 ≈ 4 µm
10 ≈ 2,5 µm
9 ≈ 1,65 µm
8 ≈ 1 µm
7 ≈ 0,65 µm
6 ≈ 0,4 µm
5 ≈ 0,25 µm
13 ≈ 10,5 µm
4 ≈ 0,17 µm
3 ≈ 0,1 µm
2 ≈ 0,06 µm
1 ≈ 0,03 µm
PM [0.03-0.1]
PM [0.1-1]
PM [1-2.5]
PM [2.5-10]
Dekati Impactor
13 stages
Stratégie de traitement des cultures cellulaires
0
0,1
0,20,3
0,4
0,5
0,6
0,70,8
0,9
1
0,01 0,1 1 10 100
d (µm)
dC
/d(l
og
D)
isovolume
isomasse
600 µL isovolume
Ramgolam et al, Chemosphere, 2008
0
100
200
300
400
500
isovol1 isovol10
UF F I CUF F I CCtl
*
*
*°
*°
≠
≠
8.11 4.2 9.4 8110 42 94
**
GM
-CS
F /
rela
tive
to
co
ntr
ol
isovolume
sécrétion de GM-CSF ultrafine PM [0,03-0,1µm]
fine PM [0,1-1µm]
intermodal PM [1-2,5µm]
coarse PM [2,5-10µm]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
UF F I C UF F I C
* * * * ° *° *° *
a
ab
cbc
a
bc
d
1 µg/cm2 10 µg/cm2
*
isomasse
Ramgolam, Favez et al., Particle Fibre Toxicol, 2009
Pas de différence selon les saisons
Nitrate (NO3-)
Ammonium (NH4+)
Sulphate (non-sea
-salt, nss-SO42-)
Unaccounted
mass
Sea Salt
Mineral Dust
Composition chimique:
Ultrafine PM 0,1
Fine PM [1-0,1]
Intermodal PM [2,5-1]
Coarse PM [10-2,5]
HIVER ETE
Black Carbon
Water Insoluble
Organic Carbon
Water Soluble
Organic Carbon
Données LSCE, H. Cachier, O. Favez
Ramgolam, Favez et al., Particle Fibre Toxicol, 2009
Cliché, L. Martinon
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Te 0,1 1 10 30
AR
(n
g/m
L)
PM2.5 (µg/cm²)
Sécrétion d’Amphiréguline:Facteur de croissance ligand du récepteur à l’EGF
Blanchet et coll., 2004, Rumelhard et al., 2007s
éc
réti
on
d’A
R
(% d
u t
ém
oin
)
PM2.5 Ex orga
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
Té
**
0
5
10
15
20
25
30
Té
NAC
PMn
g A
R /
mL
+ +
+ anti-oxydantTGFa
0
10
20
30
40
0 10 20 30 40 50
[TG
Fa
] (p
g/m
L)
time (h)time (h)
amphiréguline
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0 10 20 30 40 50
[am
ph
ireg
ulin
] (n
g/m
L)
Identification d’un nouveau gène induit par l’exposition aux particules
Endothelium
fibroblasts
smooth muscle
cells
airway
epithelium
Macrophages
Remodelage
Effets long terme
Effets court terme
Inflammationmediators
Inflammatory(GM-CSF, IL8…)
Amphiréguline(EGFR ligands)
EGFR autocrine
effect
paracrine
effect
Rôle des ligands de l’EGFR?
x 50
Coupes de parenchymes pulmonaires
x 50
remodelage des parois des
voies respiratoires
Vancouver
(PM10 : 14 µg/m3)
Mexico
(PM10 : 66 µg/m3)
x 200
Churg et coll, 2003
Rôle des ligands de l’EGFR dans le remodelage bronchique?
Sécrétion AR dans les crachats chez les
asthmatiques (surexpression d’EGFR)
Sécrétion muqueuse est EGFR dépendante
Blanchet et al., AJRCMB 2004
Rumelhard et al, Toxicol. Lett, 2007
Rumelhard et al, Eur respir J, 2007
GM-CSF
Anti-
EGFR
GM-CSF
Particules
EGFRP
AG1478
bronchial epithelial cell
MAPkinases
Blocage de la liaison EFGR-Ligand
GM
-CS
F (
ng
/m
L)
+ Ac anti-EGFR
0,25 µg/mL
GM
-CS
F (
ng
/ml)
+ AG1478 1µM
Inhibition de l’activité Tyr K de l’EGFR
0
0,1
0,2
té PM
*
° °
0,3
0
0,2
0,4
0,6
té PM
*
° °
La sécrétion de GM-CSF est dépendante de l’EGFR
Rôle des ligands de l’EGFR: implication dans réponse pro-inflammatoire?
Activation de la voie EGFR: confirmation in vivo
Pourazar et al., 2008
DEP: 300µg/m3
1h expo
Fixation 6h post-expoair DE
EGFR
P-Tyr1173
air DE
réponse
pro-inflammatoire
C PM C PM
siNeg siTACE
AR
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
pm
ol/
mL
GM-CSF
0
10
20
30
40
50
60
70
pm
ol/
mL
C PM C PM
siNeg siTACE
Stress oxydant
TACE
ADAM17
GM-CSF
EGFR ligands
Particules
EGFRP
Pro -EGFRligands
Rumelhard et al., 2007, Ramgolam et al., 2012
EGFR
P
GM-CSFLigands
EGFR
Ligands
EGFR
Effet autocrine des ligands de l’EGFR sur la réponse pro-inflammatoire
PM et sécrétion muqueuse (MUC5AC)
Ctrl 10 50
PM2,5 µg
Ind
uction
ARNm M
UC5AC Trachée de souris
Contrôle PM2,5
10µg/cm²
MUC5AC DAPI
Val et al., Arch Toxicol, 2012
NCI-H292
0
2
4
6
8
10
12
14
%
ce
llu
les
MU
C5
AC
(+
)Ctl 0.1 1 5 10
PM2.5 (µg.cm-2)
EGF
Cell MUC5AC (+)
Inhibition de TACE
0
2
4
6
8
10
12
14
Ctrl TAPI-2 PM2.5 PM2.5
TAPI-2
ind
uc
tio
n A
RN
m M
UC
5A
C
IAL 2 4 53semaines
1
4 traitements espacés de 48h
PM
IAL 6
?
différenciation pathologique
Différenciation normale
squamous epitheliumStratified epithelium
mucous epitheliumMucin hypersecretion
mucociliary epithelium
100µl?
Cultures primaires de cellules épithéliales
bronchiques humaines
20 µm
Cellules ciliées
Cellules à mucus
Effets à long terme d’une exposition répétée aux PM
4 traitements
IAL 2 4 53semaines
1IAL 6
Persistance de la réponse pro-inflammatoire
Effets d’une exposition répétée aux PM: sécrétion GM-CSF
MUC5AC expression
x40
control Fine PM UltraFine PM
mucus
43
10
day
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
4310
MU
C5AC m
RN
A e
xpre
ssio
n
ctlFineUF ctlFineUF
day day
Milieux conditionnés
Tau
x d
e cr
ois
san
ce
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
T PMF
Co-cultures
*
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
T PMF
Tau
x d
e cr
ois
san
ce
traitement4 traitements
Effets paracrines: prolifération de fibroblastes
Particules et cancérogenèse
Juin 2012: Diesel classé cancérogène pour l’homme (cat 1)
Niveau de preuves suffisant d’une association entre
exposition et un risque augmenté de cancers du poumon
Particules et cancérogenèse: études chez l’homme
Études épidémiologiques: cohorte chez les mineurs, travailleurs du rail et de
l’industrie du camionnage
•Association positive entre exposition et cancer du poumon
•Analyses exposition-réponse montrent des tendances positives et
statistiquement significatives
Particules et cancérogenèse: études chez l’animal
Echappement de moteur Diesel (entier): inhalation
•Induction de tumeurs varie selon les espèces:
chez le rat
Chez souris, 1 étude (+) sur 4
Chez le hamster, 3 études (-)
Echappement de moteur Diesel (fraction gazeuse seulement): inhalation
(-) chez le rat, la souris, le hamster
Particules de moteur Diesel: instillation intratrachéale
•Induction de tumeurs varie selon les espèces:
chez le rat
chez souris (non significatif)
chez le hamster, 1 étude (-)
De Marini, 2013
Exposition:Sang: adduits protéiquesUrine: 1-hydroxypyrèneAir: HAP
Dommages à l’ADN
Lymphocytes périphériques
Particules et cancérogenèse: études chez l’animal
Chez le rat
Rôle de la surcharge pulmonaire
Études de mutagenèse
(+) avec des extraits organiques
Particules et cancérogenèse:
Mécanismes?
génétiqueHAP: adduits
EAO: lésions oxydatives
épigénétiqueRéponse inflammatoire
Prolifération épithéliale
Inhibition de l’apoptose
Comment expliquer les effets cardiovasculaires des PM?
G Nalbone, Médecine et longévité, 2010
Passage des particules ultrafines
vers la circulation systémique(Nemmar, 2001, 2002)
inflammation systémique
Témoin PM fines PM ultrafines
Oil red O(lipides neutres)
Moma-2(Monocytes, macrophages)
Araujo et al, 2008
Effets cardiovasculaires à long terme: action proathérogène
75h
438 µg/m3, 4.56x105/cm3
112 µg/m3, 5.59x105/cm3
representative aortic root sections
(5h/jr, 3 jrs/sem)
Particules et réponse allergique
Chez l’allergique:
Induction de cytokines pro Th2 par les P. Diesel(IL-4, IL-6…)
Amplification de la réponse à un allergène
Rôle d’adjuvant des particules
Induction de l’état allergique chez un sujet sain?
Diaz-Sanchez et al, 1997
Instillation nasale
Particules et effets allergiques
Intranasal instillation
0,5µg PM
j1 j2
0,5µg PM+ 10 µg OVA
j4 j7 j9
0,5µg PM+ 10 µg OVA
0,5µg PM+ 10 µg OVA
0,5µg PM+ 10 µg OVA
J21 et 22 j23
1% OVA
cytokine levels in the lung
Cytokine Saline OVA UF#1+OVA
TNF-α 1.63 ± 0.1 2.75 ± 0.2 5.40 ± 0.5*
IFN-γ 1.13 ± 0.0 1.13 ± 0.0 1.48 ± 0.2
IL-5 0.95 ± 0.6 1.98 ± 0.2 13.5 ± 3.1*
IL-4 0.00 ± 0.0 0.25 ± 0.3 0.82 ± 0.4
IL-13 1.25 ± 0.5 1.51 ± 0.6 4.19 ± 0.8*
KC 3.84 ± 0.3 8.17 ± 0.8 12.8 ± 0.6*
IL-6 0.56 ± 0.3 1.41 ± 0.1 2.43 ± 0.3*
MCP-1 0.00 ± 0.0 0.00 ± 0.0 9.34 ± 3.2*
MIP1-α 1.09 ± 0.4 1.99 ± 0.1 4.25 ± 0.6*
Li et al, 2009
Li et al, 2009
Particules et réponse allergique
Histopathology and morphometry of the left lung lobe. Volume de mucus
Nb éosinophiles
PM amplifient l’inflammation allergique- inflammation éosinophile- hyperplasie muqueuse
CONCLUSIONS
- PM fines et ultrafines: réponse inflammatoire via un stress oxydant
- Importance des composés organiques et des métaux dans les mécanismes d’action
- Importance de la granulométrie
- Induction de nombreux gènes dont ceux de l’inflammation, de la prolifération, de la différenciation
- Rôle d’adjuvant dans la réaction allergique
- Effets systémiques: passage de la muqueuse respiratoire? Modifications des paramètres sanguins et cardiaques
- Effet cancérigène
Top Related