Programme ENVIRHOM-Santé Nouvelles données expérimentales

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1 Programme ENVIRHOM-Santé Nouvelles données expérimentales Isabelle Dublineau Pôle RadioProtection de l Homme Présentation CLI Cadarache Commission Environnement St Paul-Lez-Durance 23 Octobre 2013

2 Effets du césium-137 sur le développement de l athérosclérose 2

3 Le contexte (I) Les situations d exposition Accidentelles/Post-accidentelles Iodes Césium-137/Strontium-90 Fonctionnement normal Tritium Cycle du combustible Uranium 3

4 Les situations post-accidentelles Césium-137 Produit de fission secondaire des noyaux d 235 U Radionucléide prépondérant présent sur les territoires contaminés en situation post-accidentelles (>1 an) Tchernobyl (Ukraine, 1986), Fukushima (Japon, 2011) Solubilité élevée, demi-vie 30 ans Principale source d exposition à long terme des populations 4

5 Le contexte (II) Maladies cardiovasculaires & Rayonnements Ionisants Fortes doses Relation entre exposition et apparition de pathologies cardiovasculaires Cancers du sein (Darby S et al, 2003), Hodgkins (Adams MJ et al,2004), Survivants Hiroshima-Nagasaki (Wong FL et al, 1999) Corrélation démontrée Faibles doses Résultats divergents Manque de données sur les facteurs de risque Caractère multifactoriel des pathologies cardiovasculaires Corrélation à démontrer 5

6 Athérosclérose Maladie inflammatoire chronique Pathologie vasculaire affectant les artères de gros et moyen calibre 1ère cause de mortalité/morbidité dans les pays industrialisés Corrélation entre l exposition à des rayonnements ionisants Fortes Doses et le développement de l athérosclérose 6

7 Athérosclérose Maladie inflammatoire et chronique Pathologie vasculaire affectant les artères de gros et moyen calibre 1 ère cause de mortalité/morbidité dans les pays industrialisés Corrélation entre l exposition à des rayonnements ionisants Fortes Doses et le développement de l athérosclérose 7

8 Athérosclérose Etapes précoces Etapes intermédiaires Etapes tardives Activation de la réponse inflammatoire Activation des cellules endothéliales, adhésion des monocytes Chimiokines/molécules d adhésion Epaississement intimal Formation du noyau lipidique Déstabilisation de la plaque Ulcération de la paroi vasculaire et activation plaquettaire 8

9 Problématique Quels sont les effets d une exposition chronique à de faibles doses de 137 Cs sur la potentialisation de l athérosclérose? Développement de modèles expérimentaux mimant une situation post-accidentelle 9

10 Protocole expérimental Modèles animaux : -«sain» (C57Bl6) -«prédisposé» (ApoE -/- ) Exposition chronique au 137 Cs via l eau de boisson à 3 concentrations : - 4 kbq/l - 20 kbq/l kbq/l 3 mois Etapes précoces 6 mois Etapes intermédiaires 9 mois Etapes tardives Existe-t-il une potentialisation de la pathologie? 10

11 Résultats (I) RÉSULTATS IN VIVO Le suivi clinique 11

12 Résultats Etapes Précoces : 3 mois d exposition Paramètres généraux Poids des animaux Pas de différence dans le poids après 3 mois d exposition au sein de chaque groupe Bilan lipidique : HDL, LDL et cholestérol Pas de différence des niveaux lipidiques après 3 mois d exposition au sein de chaque groupe Augmentation chez les souris ApoE -/- 12

13 Les souris ApoE -/- concentration Hypercholestérolémie CHOLESTEROL C57 ApoE - / Augmentation du taux de cholestérol (x6) chez les souris ApoE -/- 13

14 RÉSULTATS IN VIVO La réponse inflammatoire 14

15 Résultats Etapes Précoces : 3 mois d exposition Expression des cytokines inflammatoires Comparé aux animaux non-exposés au 137 Cs des niveaux plasmatiques de MCP1 chez les ApoE -/- 4 et 20 kbq/l des niveaux plasmatiques de ICAM1 chez les C kbq/l du niveau d expression de IFNγ chez les C57 20 kbq/l 15

16 Résultats Etapes Intermédiaires : 6 mois d exposition Expression des cytokines inflammatoires Comparé aux animaux non-exposés au 137 Cs de l expression de VCAM1, TNF, E-selectine et IFN chez les souris à 100 kbq/l 16

17 Résultats Etapes Tardives : 9 mois d exposition Expression de molécules d adhésion Expression de cytokines inflammatoires Comparé aux animaux non-exposés au 137Cs du niveau d expression de TNFα chez les C kbq/l MCP1 chez les C57 et ApoE-/- 100 kbq/l 17

18 RÉSULTATS IN VIVO L épaississement de la paroi 18

19 Résultats Etapes Précoces : 3 mois d exposition Expression de VCAM1 et épaississement intimal Immunomarquage VCAM1 ApoE -/- (x20) ApoE -/- 100 kbq/l (x20) ApoE -/- (x40) Epaississement intimal ApoE -/- 100 kbq/l (x40) Lumen Comparé aux animaux non-exposés au 137 Cs de l expression de VCAM1 au niveau plasmatique et tissulaire chez les ApoE -/- 100 kbq/l de l épaississement intimal chez les ApoE -/- 100 kbq/l 19

20 RÉSULTATS IN VIVO Quantification et qualification des plaques d athérome 20

21 Résultats Etapes Intermédiaires : 6 mois d exposition Quantification & phénotype des lésions athéromateuses Coloration Oil-Red (lipides) Surface de la plaque Sinus aortic Coloration Sirius Red (collagène) Stabilité de la plaque ApoE -/- NC ApoE -/- Cs 4 ApoE -/- (x 40 ) ApoE -/- Cs 100 kbq/l (x 40 ) ApoE -/- Cs 20 ApoE -/- Cs 100 Comparé aux animaux non-exposés au 137 Cs = quantification de taille des plaques quantité de collagène chez les souris à 100 kbq/l 21

22 Résultats Etapes Tardives : 9 mois d exposition Quantification & phénotype des lésions athéromateuses Coloration Oil-Red (lipides) Surface de la plaque Coloration Sirius Red (collagène) Stabilité de la plaque ApoE -/- NC (x 40 ) ApoE -/- Cs100 kbq/l (x40) ApoE -/- NC ApoE -/- Cs4 ApoE -/- Cs20 ApoE -/- Cs100 Comparé aux animaux non-exposés au 137 Cs = taille des plaques et quantité de collagène 22

23 Résultats Etapes Tardives : 9 mois d exposition Phénotype des lésions athéromateuses Immunomarquage CD68 Macrophages -> plaque inflammatoire Immunomarquage αsma Cellules musculaires lisses Pas de différence (analyses quantitatives) Immunomarquage MMP9 Métalloprotéinase -> stabilité chape fibreuse Pas de différence (analyses quantitatives) Comparé aux animaux non-exposés au 137 Cs = marquage Immunomarquage CD31 Cellules endothéliales -> plaque hémorragique (analyses en cours) 23

24 Résultats Etapes Tardives : 9 mois d exposition Stress oxydant Etude expression génique d enzymes anti- oxydantes Marquage DHE : anions superoxydes O 2 -. ApoE -/- NC ApoE -/- Cs4 ApoE -/- Cs20 ApoE -/- Cs100 Comparé aux animaux non-exposés au 137Cs = péroxydation lipidique expression génique enzymes anti-oxydantes chez les souris à 100 kbq/l 24

25 Conclusions Temps précoces (3 mois) VCAM1 : associée à épaississement intimal Temps intermédiaires (6 mois) expression cytokines (TNFα, INFγ, tendance VCAM1) Phénotype des plaques Pas de différence de surface des plaques Augmentation du collagène intra-plaque : stabilité Animaux ApoE -/- : + sensibles que les C57 à une exposition au 137 Cs à court terme Effets observés : principalement à 100 kbq/l Réponse dans le sens anti-inflammatoire Temps tardifs (9 mois) Pas de différence d expression molécules d adhésion Profil inflammatoire maintenu Phénotype des plaques : Pas de différence de surface Pas de différence de quantité de collagène Pas de différence niveaux de ROS Mise en place d une réponse adaptative 25

26 Les auteurs 26

27 La métabolomique, nouvelle approche pour la recherche sur les Faibles Doses 27

28 Définitions et utilisation La métabolomique Métabolome Set complet des petites molécules (métabolites, hormones, molécules de signalisation) que l on peut trouver dans un fluide biologique Métabolomique Analyse globale de l ensemble des métabolites mesurable dans un échantillon biologique Utilisations Médecine, nutrition, toxicologie, pharmacologie, épidémiologie moléculaire 28

29 Les OMICs en schéma 29

30 Objectifs Identifier les profils métaboliques Etudes expérimentales de radiotoxicologie Faibles Doses Situations d exposition chronique à faible niveau (contamination environnementale) Etablissement de profils métabolomiques Séparer les individus contaminés des individus non contaminés Sélectionner les biomarqueurs les plus discriminants Identifier ces biomarqueurs Non treated Treated 30

31 Protocole expérimental Contamination par eau de boisson Radionucléides étudiés Césium-137 (6500 Bq/L) Uranium naturel (40 mg/l) Temps d exposition 9 mois après la naissance? Echantillons biologiques Sang, urine Suivi clinique Signes cliniques, poids corporel, consommation alimentaire Analyse métabolomique Analyse par spectromètre de masse, suivi d analyses statistiques et d identification de spectres 31

32 Suivi clinique des animaux Paramètres généraux Consommation Eau (g/jour/rat) Consommation Nourriture (g/jour/rat) Poids corporel Témoins 26,8 ± 1,4 25,3 ± 0,6 536 ± 16 Contaminés 26,4 ± 0,8 25,0 ± 0,6 548 ± 12 (g) Consommation Eau (g/jour/rat) Consommation Nourriture (g/jour/rat) Poids corporel Témoins 27,1 ± 0,3 28,0 ± 0,3 615 ± 26 Contaminés 28,8 ± 0,2 26,0 ± 0,3 563 ± 18* (g) Césium-137 : pas d effet clinique Uranium naturel : pas d effet clinique 32

33 Suivi clinique des animaux Paramètres biochimiques Marqueurs hépatiques ALAT, ASAT, ALP, albumine, bilirubine, gamma-gt Marqueurs rénaux Créatinine, calcium, potassium, phosphore, protéines, urée, albumine Marqueurs cardiaques ASAT, CK, CK-MB Autres Glucose, acide urique, sodium, LDH, transferrine, triglycerides, HDL-cholesterol, LDL-cholesterol, cholesterol, fer, chlorine Césium-137 Pas de changement Uranium naturel Na + et K + dans les urines ASAT dans le plasma 33

34 Analyse métabolomique (I) Urine plasma LC-MS analysis 742 molécules 1309 molécules 2 discriminantes 24 discriminantes Grison S et al. J Radiat Res ;

35 Analyse métabolomique (II) Urine Plasma LC-MS analysis 1376 molécules 40 discriminantes Grison S et al. Metabolomics ;

36 Résumé Phospholipides Acides biliaires N1-Methyl nicotinamide * Métabolisme du trypstophane Dérivés des Stérols Métabolisme de Nicotinate & nicotinamide Dérivés des acides aminés Métabolisme global Classification et identification des 26 molécules les plus discriminantes (24 dans plasma) Classification et identification des 40 molécules les plus discriminantes (dans urine) 36

37 Conclusions Dans le cas d une contamination interne Faible Dose Effets sur les métabolismes de l organisme Effets biologiques sur les lipides, les protéines, les carbohydrates et les stéroïdes Pas d effets sur les marqueurs classiques de toxicité Pas d induction de pathologie majeure par ces deux radionucléides dans le cas d une contamination chronique faible dose. Sensibilité de la technique La Métabolomique est capable de mettre en évidence des modifications du profil (sang ou urine) de certaines molécules suite à une contamination interne. Spécificité de la technique Réponses spécifiques en fonction du radionucléide Pas le même fluide corporel : sang ou urine Pas les mêmes métabolismes affectés 37

38 Les auteurs 38