Pascal Andujar - Jorge Boczkowski

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1 Effets des particules atmosphériques sur l'épithélium respiratoire: mécanismes moléculaires et conséquences physiopathologiques Pascal Andujar - Jorge Boczkowski UMR 955 (Inserm-Université Paris Est Créteil) pascal.andujar@inserm.fr

2 Plan de l exposé 1. Réponse inflammatoire à des particules atmosphériques i. Aspects épidémiologiques ii. Particules et remodelage tissulaire pulmonaire iii. Particules et inflammation pulmonaire 2. Mécanismes moléculaires des effets des particules sur l inflammation et le remodelage pulmonaires i. Oxydants (métaux de transition) ii. iii. iv. Inflammasome MAP kinases Oxydants (sources endogènes : les NOX)

3 La pollution atmosphérique Composants Gaz (NO x, O 3, SO 2, CO, CO 2, ) Particules (PM 10, PM 2.5, PM 0.1 ) Sources de pollution Naturelles Activités humaines : Industries (production d énergie, traitement de déchets,..) Transports privés (cars, camions, ) Transports publics (bus,métro, )

4 Quels outils pour évaluer les effets des polluants? Études d exposition de volontaires sains, in vivo chez l animal ou cellules in vitro Polluants prélevés in situ Exposition à des polluants de référence Particules diesel (NIST : SRM 1650, 2975) Fumée de cigarette (Tobacco Institute, Kentucky University) PM 10 (NIST)

5 Pollution atmosphérique et santé respiratoire Effets aigus Augmentation de la mortalité pour maladies respiratoires Augmentation des hospitalisations par exacerbation de BPCO Diminution de la fonction respiratoire Effets chroniques Diminution du développement pulmonaire chez les enfants Diminution de la fonction respiratoire chez les adultes MacNee et al. Chest :390S-397S Gauderman et al. AJRCCM : Samet et al. NEJM : Peters et al. AJRCCM : Avol et al. AJRCCM :

6 Les particules atmosphériques ont changé avec le temps Magnitude Size Pathogenicity Charbon Particules pollution atmosphérique Fines : 0,1-2,5 μm Ultrafines : < 0,1 μm Années Borm P. Inhal. Toxcol. 2002, 14:311-24

7 Effets des particules sur la santé Maladies Charbon Maladies respiratoires (emphysème, bronchite chronique) Particules fines et ultrafines Mortalité et exacerbations de maladies respiratoires et cardiovasculaires Population affectée Mineurs, 8h/jour, pendant 40 ans Population globale, 24h/jour, toute la vie Organes cibles Appareil respiratoire Appareil respiratoire, cœur, circulation, foie (?), cerveau (?) Taille et concentration de particules Seuils d augmentation du risque < 5 μm ± 2 mg/m 3 (historique: ± 40 mg/m 3 ) Pour 35 ans, 1 mg/m 3 : Pneumoconiose : 2,3 % Fibrose pulmonaire : 0,25 % < 2,5 μm et < 100 nm (UF) μg/m 3 Augmentation de 10 μg/ m 3 : Mortalité : 0,4-1,4 % Bronchite : 5-25 % Borm P. Inhal. Toxcol. 2002, 14:311-24

8 Effets respiratoires de la pollution particulaire Pourcentage d augmentation des effets adverses de la pollution particulaire pour 10 mg/m 3 d augmentation de la concentration de PM 10 MacNee. Chest 2000

9 Quels sont les mécanismes moléculaires expliquant les effets adverses des particules atmosphériques? Particules atmosphériques Remodelage tissulaire Inflammation Données épidémiologiques sur des effets adverses respiratoires (et cardiovasculaires)

10 Anatomie et histologie pulmonaires

11 Relation entre inflammation et remodelage tissulaire : l exemple de la réponse pulmonaire aux agressions Chung & Adcock. Eur. Respir. J. 2003, 2008; 31:

12 Quels sont les mécanismes moléculaires expliquant les effets adverses des particules atmosphériques? Particules atmosphériques Remodelage tissulaire Inflammation Données épidémiologiques sur des effets adverses respiratoires (et cardiovasculaires)

13 Particules atmosphériques et remodelage pulmonaire L exposition à des particules de la pollution atmosphérique urbaine entraîne un remodelage pulmonaire : Altérations des petites voies aériennes (fibrose péribronchique; analyse d autopsies) Souza et al. Chest : Calderon-Garciduenas et al. Toxicol. Sci : Churg et al. Environ. Health Perspect : Altérations similaires à l emphysème post-tabagique Nagai et al. Am J Respir Crit Care Med 1996, 53:

14 Pollution atmosphérique et altérations des petites voies aériennes Analyse histologique pulmonaire de femmes ayant habitée et décédées à Mexico city et Vancouver Fibrose péribronchique et augmentation du muscle lisse des voies aériennes Vancouver Mexico City Churg et al. Environ. Health Perspect :

15 Pollution atmosphérique et altérations des petites voies aériennes Vancouver Mexico City Mécanismes moléculaires? Presence of particles in respiratory bronchioles Churg et al. Environ. Health Perspect :

16 Incubation of rat trachea explant with urban atmospheric particles induces procollagen I mrna expression Pollution -NF-κb Anti-ox - Fer Dai et al. Am J Respir Cell Mol Biol 2003, 29:

17 Incubation of rat trachea explant with urban atmospheric particles induces TGF β1 mrna expression Dai et al. Am J Respir Cell Mol Biol 2003, 29:

18 L incubation des explants de trachées avec des fibres d amiante augmente le contenue en hydroxyproline Dai et al. Am J Respir Cell Mol Biol 2001, 24:

19 L incubation des explants de trachées avec des particules ultrafines de TiO 2 augmente l expression de pro-collagène Churg and Wright. Chest 2002, 122:

20 Le TNF-alpha augmente l adhésion de particules à la surface des explants de trachée de rat UAP = Urban Atmospheric particles ROFA = Residual Oil Fly Ash Xie et al. Am. J. Physiol. 2000, 279:L608-L614

21 Particules atmosphériques et remodelage pulmonaire L exposition à des particules de la pollution atmosphérique urbaine peut produire: Altérations des petites voies aériennes (fibrose péribronchique; analyse d autopsies) Souza et al. Chest : Calderon-Garciduenas et al. Toxicol. Sci : Churg et al. Environ. Health Perspect : Altérations similaires à l emphysème post-tabagique Nagai et al. Am J Respir Crit Care Med 1996, 53:

22 L emphysème pulmonaire Définition histologique Distension anormale et permanente des espaces aériens distaux, en rapport avec la destruction des cloisons alvéolaires, sans fibrose significative Cadre des bronchopneumopathies chroniques obstructives (BPCO) Maladie chronique lentement progressive caractérisée par un trouble ventilatoire obstructif non réversible Principales causes Tabagisme Déficit en α 1 antitrypsine Physiopathologie Déséquilibre protéases/antiprotéases Stress oxydant Etc.

23 Particules de la pollution et emphysème pulmonaire : mécanismes Les particules diesel induisent l expression de MMP-1 dans des cellules épithéliales pulmonaires Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

24 Les MMPs sont également induites par des particules du métro parisien Expériences in vivo chez des souris ayant reçu des particules du métro et du RER par voie intratrachéale et sacrifiées 8 heures après P<0.05 vs contrôle Bachoual et al. Chem. Res. Toxicol :

25 Particules atmosphériques et remodelage pulmonaire L exposition à des particules de la pollution atmosphérique urbaine peut produire: Altérations des petites voies aériennes (fibrose péribronchique; analyse d autopsies) Souza et al. Chest : Calderon-Garciduenas et al. Toxicol. Sci : Churg et al. Environ. Health Perspect : Altérations similaires à l emphysème post-tabagique Nagai et al. Am J Respir Crit Care Med 1996, 53:

26 Quels sont les mécanismes moléculaires expliquant les effets adverses des particules atmosphériques? Particules atmosphériques Remodelage tissulaire Inflammation Données épidémiologiques sur des effets adverses respiratoires (et cardiovasculaires)

27 Réponse inflammatoire à des particules chez le volontaire sain 8 sujets exposés à l'air versus 30 sujets exposés à des CAP (Concentrated Ambient Particles) Exposition totale 2 heures (par tranches de 15 minutes) - Concentration en PM dans la chambre : µg/m 3 Prise de sang et lavage broncho-alvéolaire (LBA) 18h post-exposition Augmentation des neutrophiles dans le LBA, mais pas de modification de la cellularité inflammatoire sanguine à 18h. Pas d'altération de la fonction respiratoire (immédiatement en post-exposition et après 18h). Ghio Am. J. Respir. Crit. Care Med :

28 Réponse inflammatoire à des particules chez le volontaire sain 15 sujets exposés à des particules diesel et à l air sous exercice modéré (vélo) Exposition totale 1 heure - Concentration en PM dans la chambre : 300 µg/m 3 Fibroscopie (LBA et biopsie), tests fonction respiratoire et prélèvement sanguin 6 heures post-exposition (et juste avant expo pour la fonction respiratoire). Augmentation des neutrophiles dans le tissu bronchique Augmentation des neutrophiles dans le sang Augmentation des molécules d adhésion Pas d'altération de la fonction respiratoire Salvi Am. J. Respir. Crit. Care Med :

29 Réponse inflammatoire à des particules chez l'animal Souris exposées à 20 ou 80mg/m 3 DEP (SRM 1650 et 2975) par inhalation pendant 90 minutes Sacrifice à 1h, 3h ou 24h post-exposition. Augmentation TNF (rappel adhérence) Saber Part. Fiber Toxicol : 1-8

30 Réponse inflammatoire à des particules chez l'animal Souris exposées à 20 ou 80mg/m3 DEP (SRM 1650 et 2975) par inhalation pendant 90 minutes Sacrifice à 1h, 6h ou 24h post-exposition. Importance du TNF dans la réponse inflammatoire (rappel adhérence) Saber Part. Fiber Toxicol : 1-8

31 Réponse inflammatoire à des particules chez l'animal Souris exposées à 20 ou 80mg/m3 DEP (SRM 1650 et 2975) par inhalation pendant 90 minutes Sacrifice à 1h, 6h ou 24h post-exposition. Balb/c mice 80 mg/m 3 SRM 2975 SRM 1650 Importance de la nature du DEP et de la souche de souris Saber Part. Fiber Toxicol : 1-8

32 Réponse inflammatoire chez l'animal : particules du métro Particules : RATP (RER ligne A et Métro ligne 11), DEP, Noir Carbone Macrophages murins (RAW 264.7) exposés à 10 µg/cm 2 (3, 8, ou 24h) Souris exposées à 100 µg par voie intratrachéale, pendant 8h LBA TNF TNF Cellules MIP-2 MIP-2 PNN Mêmes particules qu augmentent MMP-12 Bachoual et al. Chem. Res. Toxicol :

33 Quels sont les mécanismes moléculaires expliquant les effets adverses des particules atmosphériques? Particules atmosphériques Remodelage tissulaire Inflammation Données épidémiologiques sur des effets adverses respiratoires (et cardiovasculaires)

34 Elastase et inflammation pulmonaire en réponse à la fumée de cigarette Souris C57Bl/6 exposées à2 cigarettes/j, 6j/semaine, 6 mois d exposition L absence d élastase atténue le développement de l emphysème. Schéma physiopathologique Fumée de cigarette Neutrophiles Elastase. et supprime spécifiquement l infiltration neutrophilique. = Smoke Emphysème Shapiro SD et al. Am. J. Pathol. 163: , 2003

35 MMP12 et inflammation pulmonaire en réponse à la fumée de cigarette Souris C57Bl/6 MMP 12 / exposées à2 cigarettes/j, 6j/semaine, 6 mois d exposition Emphysème Schéma physiopathologique Fumée de cigarette Macrophages Neutrophiles MMP 12 Elastase AAT α1-antitrypsine Emphysème MME = MMP-12 Hautamaki R et al. Science 277: , 1997

36 Mécanismes à l origine de l inflammation induite par les particules de la pollution atmosphérique Le stress oxydant joue un rôle majeur Oberdörster et coll. EHP 2005

37 Composition de particules et stress oxydant (I): composants organiques Particules atmosphériques recueillies dans 2 endroits de la région de Los Angeles Contenu en HAP Production d oxydants Corrélation entre les 2 paramètres PAH = HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques) UFP = Ultrafine Particles Li N et al. Environ. Health Perspect. 2003, 111:

38 Composition de particules et stress oxydant (I): composants organiques Effets des particules in vitro sur des macrophages murins : le degré de stress oxydant (induction de la protéine HO-1) est corrélé au contenu en HAP Li N et al. Environ. Health Perspect. 2003, 111:

39 Composition de particules et stress oxydant (II) : métaux (fer) Rats exposés 3 jours (6h/j) à un aérosol de particules UF de suie (250 μg/m 3 ) et/ou de fer (50 μg/m 3 ). Le fer entraîne un stress oxydant. Contenu en glutathion Zhou Y-M et al. Toxcol. Appl. Pharmacol. 2003, 190:

40 Composition de particules et stress oxydant (II) : métaux (fer) Le fer entraîne également une réaction inflammatoire. Médiateurs pro-inflammatoires Zhou Y-M et al. Toxcol. Appl. Pharmacol. 2003, 190:

41 Composition de particules et stress oxydant (III) : métaux (fer) Particules : RATP (RER ligne A et Métro ligne 11), DEP, Noir Carbone Macrophages murins (RAW 264.7) exposés à 10 µg/cm 2 (3, 8, ou 24h) ± Deferroxamine Souris exposées à 100 µg par voie intratrachéale, pendant 8h Le fer a un rôle, mais il existe d'autres constituants potentiellement impliqués Bachoual et al. Chem. Res. Toxicol :

42 Le fer stimule la fibrose d explants de trachée de rat Dai et al. Am J Respir Cell Mol Biol 2001, 24:

43 Mécanismes à l origine de l inflammation induite par les particules de la pollution atmosphérique Le stress oxydant joue un rôle majeur Oberdörster et coll. EHP 2005

44 L inflammasome Complexe protéique impliqué dans l immunité innée ou non-spécifique. Formé suite à la reconnaissance de divers signaux inflammatoires (LPS, particules, cristaux d'acides uriques, composantes virales et bactériennes) par des protéines de la familles NLPR. Variation de la composition de ce complexe selon de l activateur déclenchant. Constitué en général de plusieurs protéines : - caspase 1, - ASC, - NALP (type récepteur de type NOD). Favorise la maturation des cytokines inflammatoires comme IL-1β, en la clivant via l activation de la caspase 1. Activation des processus inflammatoires, et peut induire un phénomène de pyroptose, programme de mort cellulaire différent de l apoptose. ASC: adaptor protein apoptosis speck protein with CARD CARD: caspase recruitment domain Guarda & So. Immunology 2010, 130:

45 Les particules de TiO2 activent l inflammasome Les particules de TiO2 attirent des neutrophiles chez la souris, mais pas chez la souris KO IL-1β St Pierre et coll. J Orthop Res 2010, 28:

46 Les particules de TiO2 activent l inflammasome Les particules de TiO2 augmentent la sécrétion d IL-1β in vitro dans des macrophages murins et humains St Pierre et coll. J Orthop Res 2010, 28:

47 Les particules de TiO2 activent l inflammasome La sécrétion d IL-1β est secondaire à l internalisation des particules de TiO2 dans les macrophages St Pierre et coll. J Orthop Res 2010, 28:

48 Les particules de TiO2 activent l inflammasome La sécrétion d IL-1β dépend de l inflammasome (non observée avec «silencing» des gènes NALP3 ou ASC) St Pierre et coll. J Orthop Res 2010, 28:

49 Les particules de TiO2 activent l inflammasome Au total. St Pierre et coll. J Orthop Res 2010, 28:

50 Mécanismes à l origine de l inflammation induite par les particules de la pollution atmosphérique Le stress oxydant joue un rôle majeur Oberdörster et coll. EHP 2005

51 Les particules de la pollution atmosphérique induisent la synthèse d IL8 et RANTES à travers une voie «p38 - oxydants» Les DEP induisent la synthèse de chimiokines (cellules épithéliales bronchiques) Les DEP activent p38 via des oxydants Un inhibiteur de p38 inhibe la synthèse de chimiokines Hashimoto S et coll. AJRCCM 2000, 161:

52 Les particules de la pollution atmosphérique activent NF-kB à travers des oxydants Cellules épithéliales bronchiques Takizawa H et coll. AJP Lung 2003, 284:L1055-L1062

53 Mécanismes de l augmentation de MMP-1 induite par les particules diesel: rôle des oxydants Diesel particles induce matrix metalloprotease-1 expression and activity in alveolar epithelial cells Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

54 Mécanismes de l augmentation de MMP-1 induite par les particules diesel: rôle des oxydants Les particules diesel induisent la production d oxydants par les cellules alvéolaires et l induction de MMP-1 est prévenue par un antioxydant (NAC) Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

55 Les différentes NOX Bedard and Krause, Physiol. Revi, 2007

56 NOX4 est la principale source d oxydants impliqués dans l induction de MMP-1 par les particules diesel Induction de NOX4 NOX-4/Ubiquitin ratio * * * NOX-1/Ubiquitin ratio Control 3h 6h 24h DEP 0 Control 3h 6h 24h DEP Control DEP 10 Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

57 NOX4 est la principale source d oxydants impliqués dans l induction de MMP-1 par les particules diesel Effet d un sirna anti-nox4 Production intracellulaire d oxydants Induction de MMP-1 * * * * DPI Scramble SiRNA NOX4 Scramble SiRNA NOX4 Control DEP10 Control DEP10 Control DEP10 Control DEP10 Control DEP10 Control DEP10 Control DEP10 Fluorescence units MMP-1/Ubiquitin ratio Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

58 L effet de NOX4 est en rapport avec l activation d ERK 1/2 (1) Les particules diesel induisent la phosphorylation d ERK 1/2 L inhibition de la phosphorylation d ERK 1/2 prévient l induction de MMP-1 Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

59 L effet de NOX4 est en rapport avec l activation d ERK 1/2 (2) Le sirna anti-nox4 inhibe la phosphorylation d ERK 1/2 Amara et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Phsyiol 2007, 293:L170-81

60 Au total Particule diesel RLO NOX4 RLO ERK1/2 MMP-1

61 Quels sont les mécanismes moléculaires expliquant les effets adverses des particules atmosphériques? Particules atmosphériques Remodelage tissulaire Oxydants Inflammasome MAP kinases Autres Inflammation Données épidémiologiques sur des effets adverses respiratoires (et cardiovasculaires)