Toxicologie générale et immunotoxicité

Toxicologie générale et immunotoxicité Pr Marc Pallardy, Toxicologie et INSERM UMR-S 749 Faculté de Pharmacie, Université Paris-Sud 11

Réponse immunitaire innée: nonspécifique d antigène Barrières physiques IgA, Complement Phagocytose par les neutrophiles, macrophages Cytotoxicité NK (Natural Killer cells) Réponse immunitaire adaptative: spécifique d antigène Lymphocytes (T cells: TH1, TH2, TH17, Treg; B cells) Cellules présentatrices d antigène

Réponse immunitaire adaptative En réponse aux pathogènes, aux molécules sensibilisantes - Clones de cellules T spécifiques (ex: penicillin, nickel )

Immature dendritic cell Mature dendritic cell Antigen Danger signals (microbial products, RNA, CpG DNA Toll-Like Receptor Peripheral organ Lymph T cell Lymph node 1- Antigen uptake and Activation 2- Migration 3- Antigen Presentation

IMMUNOTOXICITE Immunosuppression Inhibition de la réponse immunitaire par les xénobiotiques Hypersensibilité Réponse inappropriée dirigée contre une molécule chimique Stimulation du système immunitaire aboutissant à une manifestation pathologique Syndrome cytokinique Auto-immunité Réponse immunitaire dirigée contre les autoantigènes (modification du soi par les xénobiotiques ou rupture de tolérance

Plusieurs questions Les nanoparticules sont-elles reconnues par le système immunitaire? Fixation sur opsonines Les nanoparticules peuvent-elles mimer des signaux de danger comme des produits bactériens ou viraux, ou comme les molécules sensibilisantes via des récepteurs connus (TLR, SR ) ou via d autres mécanismes (stress oxydant )? Antigenicité des nanoparticules? Les nanoparticules peuvent-elles modifier une réponse immunitaire (adjuvant )?

Reconnaissance par le système immunitaire Nanoparticules et signaux de danger Antigenicité des nanoparticules? Les nanoparticules peuvent-elles modifier une réponse immunitaire (adjuvant )?

Reconnaissance dépend en grande partie de la taille, de la surface et de la composition de la nanoparticules anioniques, cationiques, grande surface Index de phagocytose augmente pour les nanocapsules lipidiques et en fonction du potentiel zéta Fixation sur les protéines plasmatiques détermine les organes cibles Nanotubes carbones se fixent sur albumine, lipoprotéines, complément, fibrinogène immunoglobulines Fixation sur les opsonines (complément ) cible les nanoparticules vers le système réticuloendothelial et les macrophages: disparition du compartiment sanguin en quelques minutes Fixation sur opsonines guide le ciblage cellulaire

Activation du complément par les nanotubes de carbone (in vitro serum humain) Voie classique Voie alterne SWNT: single wall; DWNT: double wall CVD catalytic chemical vapor deposition; arc discharge method HP CO: high pressure carbon monoxide Salvador-Morales C, 2006

Fixation sur protéines du plasma et du sérum humain des DWNT 3: DWNT + sérum 4: sérum total 6: DWNT + plasma Billes sépharose DWNT

Nanotubes de carbone «multi-paroi» et phagocytose LFA + LFA + fibres NTlong 2 + Dia: 20 à 100 nm L: Max 56 µm NTlong 2 + SFA - NTtang2 - Dia: 15 nm L: 5-20 µm Poland CA et al, Nat Nano, 2008 LFA: amosite longue; SFA: amosite courte FBGC: cellules géantes; E: érythrocytes; L: lymphocytes

LNC: nanocapsules lipidiques; SPION: nanoparticules superparamagnétique d oxyde de fer

Silice et inflammation pulmonaire Souris reçoivent deux instillations d une solution contenant 1 mg de silice crystalline à deux semaines d écart

L exposition à la silice provoque des dépôts de collagène dans les poumons de souris C57Bl/6 WT mais pas chez les B6.Cg-kitW-sh dépourvues de mastocytes.

La silice est internalisée par les mastocytes dérivés de mœlle osseuse

Rôle des «scavenger receptor» Production de ROS par les BMMC 50 µg/cm2 pendant 24 hrs Production de TNF-alpha par les BMMC (50 µg/cm2 pendant 24 hrs) Brown JM, 2007

MARCO et taille des particules Billes polystyrène 20 nm Billes polystyrène 200 nm Cellule surexprimant MARCO Cellule sans MARCO Kanno S et al, 2007

Reconnaissance par le système immunitaire Nanoparticules et signaux de danger Antigenicité des nanoparticules? Très contreversé, seules deux études suggèrent une immunogenicité des fullérènes Les nanoparticules peuvent-elles modifier une réponse immunitaire (adjuvant )?

Liposomes cationiques + ODN provoquent la production de TNF-α après injection IV chez la souris Tan Y, 1999 LPD: Lipid-protamine-ADN, LD: lipide cationique; PO: phosphodiester; PD: protamine; PS: phosphorothioate

DC murines et nanoparticules PLGA (200-650 nm) poly(d,l-lactic acid-co-glycolic acid) A: DC murine + TM-Dextran B: DC murine + nanoparticules/tm-dextran C: DC murine + nanoparticules/tm-dextran + cytb Rouge: TM-dextran Vert: anti-cd11c Elamanchili P, 2004

Activation des DC par les nanoparticules PLGA: poly(d,l-lactic acid-co-glycolic acid) copolymère MPLA: monophosphoryl lipid A (analogue Lipid A) Elamanchili P, 2004

DC stimulées par les nanoparticules provoquent la prolifération des lymphocytes T in vitro BLP25: peptide MUC Elamanchili P, 2004

Nanoparticules et immunopathologie Inflammation Exemple silice et inflammation pulmonaire Particules diesels et hypersensibilité Immunosuppression

Effets des particules sur la production d anticorps CBP: carbon black DEP: particules diesel Road: particules trafic routier Wood: particules combustion bois M. Samuelsen et al, 2008

Production de cytokines par les lymphocytes M. Samuelsen et al, 2008

M. van Zijverden, 2000

Comment tester/évaluer/prédire les effets des nanoparticules sur le système immunitaire? Comme les autres produits, il est nécessaire d évaluer l impact des nanoparticules sur le système immunitaire Études spécifiques d immunotoxicologie à faire après une étude de toxicologie par administration répétée si signes d appel: ligne directrice ICH S8 pour les produits de santé Mais il existe des questions auxquelles il est nécessaire de répondre de manière spécifique Évaluer les interactions avec les protéines du complément Macrophages et polynucléaires: activation, fonction et phagocytose Stress oxydant Activation des cellules dendritiques humaines Effet adjuvant des réponses immunitaires Production de cytokines (pro-inflammatoires ) Pouvoir immunogène?

MA. Dobrovolskaia, Nat Nanotechnology, 2007

CONCLUSIONS Les nanoparticules interfèrent avec le système immunitaire Reconnaissance par les cellules du système immunitaire peut être spécifique (MARCO ) Les effets obtenus peuvent être délétères (DEP et asthme ) Mais aussi bénéfique (adjuvant de vaccination )