Impact of fine particles (PM2.5-0.3) and their associated chemical fractions on cellular and molecular mechanisms following exposure of healthy and pathological human bronchial epithelial cells
Impact des particules fines (PM2.5-0.3) et de leurs fractions chimiques associées sur les mécanismes cellulaires et moléculaires après exposition de cellules épithéliales bronchiques humaines saines et pathologiques
Résumé
Introduction. Fine particles (PM2.5) are part of our exposome, comprising a complex and heterogeneous mixture of pollutants that pose a significant risk to human health. Numerous epidemiological studies have established associations between PM2.5 exposure and the onset or exacerbation of respiratory diseases, such as asthma and COPD. However, the underlying mechanisms remain unclear. Objective. In this context, the main objective of this thesis is to contribute to our understanding of the impact of PM2.5 on cellular and molecular mechanisms following exposure of human bronchial epithelial cells. This research aimed (1) to assess the impact of particle chemical composition by evaluating the effects of PM2.5 from different emission sources, each characterized by distinct chemical compositions, and determining the role of two constituent chemical fractions of PM2.5 on cellular and molecular effects and (2) investigate the potential differential impact of PM2.5 based on the pathophysiological status of individuals. Materials and Methods. Two complementary in vitro models were used: reconstructed bronchial epithelia and bronchial epithelial cells. These models were derived from primary human cells obtained from healthy, asthmatics, or COPD donors. Epithelia were repetitively exposed to PM2.5-0.3 from different emission sources (industry and traffic). Epithelial cells were exposed to whole PM2.5-0.3 and to two associated chemical fractions, the extractable organic fraction (O-PM), which includes PAHs, and the non-extractable fraction (Ne-PM), mainly composed of inorganic carbon and metals. Single exposures or repeated exposures alternated with rest periods were carried out. Following the exposures, gene expressions were evaluated using RT-qPCR, and analyzed using two methods: the classical Delta Delta Ct analysis method and a graph analysis on pairwise expression ratio method. Results. The graph analysis method demonstrated better statistical properties than the classical method and revealed that exposure to whole PM2.5-0.3 induced a modulation of genes related to metabolism and inflammation. These responses varied depending on the emission source of PM2.5-0.3 and, consequently, their chemical composition. The Ne-PM fraction was associated with the inflammatory response, while the O-PM fraction played a predominant role in the metabolic response. Interestingly, a synergistic effect between O-PM and Ne-PM fractions emerged when both fractions were combined, particularly affecting the metabolic response. Furthermore, the results showed that the effects persisted after rest periods and were exacerbated following a second exposure, indicating a "cellular memory" effect. Additionally, cellular and molecular responses were influenced by the pathophysiological status, with higher sensitivity observed in asthmatic models. Conclusion. The impact of PM2.5-0.3 on bronchial epithelial cells depends on both their chemical composition and the pathophysiological status of the donor. These results emphasize the importance of considering the chemical composition of particles in air quality monitoring programs and strengthening protective measures for vulnerable individuals, particularly asthmatics.
Introduction. Partie intégrante de notre exposome, les particules fines (PM2.5) sont considérées comme un mélange hétérogène et complexe de polluants, représentant un risque important pour la santé humaine. De nombreuses études épidémiologiques ont établi des associations entre l'exposition aux PM2.5 et la survenue ou l'aggravation de maladies respiratoires telles que l'asthme et la BPCO. Cependant, les mécanismes sous-jacents ne sont pas encore entièrement compris. Objectif. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce travail de thèse est de contribuer à l'amélioration des connaissances sur l'impact des PM2.5 sur les mécanismes cellulaires et moléculaires intervenant après exposition de cellules épithéliales bronchiques humaines. Pour atteindre cet objectif il a été envisagé d'étudier (1) l'impact de la part chimie des particules en évaluant les effets de PM2.5 de source d'émission différente et donc de composition chimique distincte, puis en déterminant le rôle de deux fractions chimiques constitutives des PM2.5 sur un ou plusieurs effet(s) cellulaire(s) et moléculaire(s) et (2) l'existence potentielle d'un impact différentiel des PM2.5 en fonction du statut physiopathologique des individus. Matériel et méthodes. Deux modèles in vitro complémentaires ont été utilisés : un modèle d'épithélium reconstruit d'origine bronchique et un modèle de cellules épithéliales bronchiques. Ces modèles sont issus de cellules primaires humaines prélevées chez des donneurs sains, asthmatiques ou atteints de BPCO. Les épithéliums ont été exposés de façon répétée à des PM2.5-0.3 provenant de sources d'émission différentes (industrie et trafic). Les cellules épithéliales ont été exposées à des PM2.5-0.3 dans leur entièreté et à deux fractions chimiques qui leur sont associées, la fraction organique extractible (O-PM) contenant notamment les HAP, et la fraction non extractible (Ne-PM), principalement composée du carbone inorganique et des métaux. Des expositions uniques ou répétées et alternées avec des périodes de repos ont été réalisées. Suite aux expositions, les expressions géniques ont été évaluées par RT-qPCR, puis analysées à l'aide de deux méthodes : la méthode d'analyse classique des Delta Delta Ct et une méthode d'analyse graphique par réseaux. Résultats. La méthode d'analyse graphique par réseaux s'est avérée avoir de meilleures propriétés statistiques que la méthode classique et a permis de démontrer que l'exposition aux PM2.5-0.3 dans leur entièreté induisait une modulation de l'expression de gènes du métabolisme et de l'inflammation. Ces réponses variaient en fonction de la source d'émission des PM2.5-0.3 et donc de leur composition chimique. La fraction Ne-PM était associée à la réponse inflammatoire, tandis que la fraction O-PM jouait un rôle prépondérant dans la réponse métabolique. De manière intéressante, un effet synergique entre les fractions O-PM et Ne-PM apparaissait lorsque les deux fractions étaient combinées, notamment sur la réponse métabolique. De plus, les résultats ont montré que les effets persistaient après des périodes de repos et étaient exacerbés suite à une seconde exposition, indiquant un effet « mémoire » des cellules. Par ailleurs, les réponses cellulaires et moléculaires étaient influencées par le statut physiopathologique, avec une plus grande sensibilité des modèles asthmatiques. Conclusion. L'impact des PM2.5-0.3 au niveau des cellules épithéliales bronchiques dépend d'une part de leur composition chimique et d'autre part du statut physiopathologique du donneur. Ces résultats encouragent à prendre en compte la composition chimique des particules dans les programmes de surveillance de la qualité de l'air et à renforcer les mesures de protection mises en place pour les personnes les plus vulnérables, en particulier les asthmatiques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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