Study of the effects of nanoparticles on the immune system
Pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Grenoble Alpes Étude des effets des nanoparticules sur le système immunitaire
Abstract
The unique characteristics of nanomaterials (NMs) are valuable in many industrial and biomedical
applications. However, NMs might also give rise to unforeseen toxicity that could adversely affect the
biological system specially the immune system. In the immune system as phagocytes can engulf foreign
materials therefore they are appropriate for immunotoxicity screening because these cells participate in
unspecific and specific immune responses.
In this study, we investigated the impact of different NMs, such as gold nanoparticles (AuNPs), neutral lipid
nanoparticles (NLCs), cationic lipid nanoparticles (CLCs), and amphiphilic dendrimers (ADs) on primary
macrophages (BMDMs) and dendritic cells (BMDCs) by two approaches. In the first approach, we
investigated the direct effect of exposure to NMs. In the second approach, we studied the indirect effect
by activating the NMs exposed cells with different activators (LPS and IL-4).
The study of direct effect of NMs shows that none of the tested NMs altered the phagocytosis capacity.
All of the NMs had none or little direct effect on BMDCs activation. In case of BMDMs, AuNPs, CLCs, and
ADs significantly decreased cell activation while NLCs did not. The study of cytokine production based on
IL-6 and TNF- production, NO production, and cellular metabolism based on the investigation of
glycolysis and mitochondrial metabolism also indicated no or little direct effect on BMDCs and BMDMs.
However, we have noticed a significant increase in MCP-1 production by CLCs and ADs exposed cells while
AuNPs and NLCs did not modulate MCP-1 production. Also, we noted that CLCs and NLCs at high
concentrations could slightly increase ROS production while AuNPs and ADs did not modulate ROS
production by BMDMs and BMDCs.
Investigation of indirect effect of NMs revealed, when NMs exposed cells were challenged with LPS, we
have recorded NMs specific modulation in the response of BMDCs based on cell activation, cytokine and
chemokine secretion, NO, and ROS production. All NMs showed none or little modification of cellular
metabolism of BMDCs. On the other hand, we have recorded a significant alteration in NMs exposed
BMDMs upon LPS challenge in response to cell activation, cytokine and chemokine secretion, NO
production, and cellular metabolism. However, ROS production remains unaltered in the case of all the
NMs exposed BMDMs.
The study of in vitro antigen presentation, revealed that exposure to different NMs altered T cell-specific
cytokines reflecting alteration in CD4 + T lymphocytes polarization.
Overall, these results demonstrate that NMs directly do not modify phagocytic activity, cytokine and
chemokine production, NO and ROS production, cellular metabolism, but when instigated with an
activation signal like LPS or IL-4, NMs exposed cells respond differently.
The outcome of this study enriches the knowledge regarding NMs specific immunotoxicity, which may
facilitate the design of nanomaterials that retain their useful properties, but display reduced toxicity (i.e.,
safety-by-design). This research will also improve our understanding of how different NMs can modulate
the immune system, which might help suggest new therapy acting on the immune system such as antiinflammatory drugs or vaccines.
Les caractéristiques uniques des nanomatériaux (NM) sont précieuses dans de nombreuses applications
industrielles et biomédicales. Toutefois, les MR pourraient également donner lieu à une toLes phagocytes
du xicité imprévue qui pourrait nuire au système biologique en particulier au système immunitaire. Les
phagocytes du système immunitaire ont la capacité d’ingérer des matériaux étrangers ; ils sont donc
appropriés pour l’étude de l’immunotoxicité car ils sont impliqués dans les réponses immunitaires non
spécifiques et spécifiques.
Dans cette étude, nous avons étudié l’impact de différents nano matériaux (NM), telles que des
nanoparticules d’or (AuNPs), des nanoparticules lipidiques neutres (NLCs) ou cationiques (CLCs), et des
dendrimères amphiphiliques (ADs) sur les macrophages primaires (BMDMs) et des cellules dendritiques
(BMDCs) par deux approches. Dans la première, nous avons recherché les effets directs de l’exposition.
Dans la seconde, nous avons étudié les effets indirects sur l’activation du LPS ou de l’IL-4 des cellules
exposées aux NMs.
Nos résultats concluent que tous les NMs testés n’ont pas modifié la capacité de phagocytose. Une analyse
plus approfondie montre que tous les NMs ne montrent aucun, ou peu, effet direct sur l’activation des
BMDC. Pour le BMDMs, les AuNPs, les CLCs et les ADs ont considérablement diminué l’activation cellulaire
tandis que les NLCs n’ont d’effet. L’étude de la production de cytokine basée sur la production d’IL-6 et de
TNF-, de la production de NO et du métabolisme cellulaire basée sur l’étude de la glycolyse et du
métabolisme mitochondrial n’a également pas ou peu d’effet direct sur les BMDCs et les BMDMs.
Cependant, nous avons remarqué une augmentation significative de la production de MCP-1 par les CLCs
et les cellules exposées aux ADs, tandis que les AuNPs et les NLCs n’ont pas d’effet sur la production de
MCP-1. De plus, nous avons noté que les CLCs et les NLCs à forte concentration pourraient légèrement
augmenter la production de ROS, tandis que les AuNPs et les ADs ne modulaient pas la production de ROS
par les BMDM et les BMDC.
L’étude des effets indirects de NMs a montré que quand les cellules exposées aux NMs sont stimulées par
du LPS, nous avons observé une modulation de la réponse des BMDCs au niveau de l’activation cellulaire,
la sécrétion de cytokine et de chimiokine, NO, et la production de ROS. Toutes les NMs n’affectent pas, ou
peu, le métabolisme des BMDCs. D’autre part, nous avons enregistré une altération significative chez les
BMDMs exposés aux NMs dans leur réponse à l’activation par le LPS au niveau de l’activation cellulaire, la
sécrétion de cytokine et de chimiokine, la production de NO et le métabolisme cellulaire. Cependant, la
production de ROS reste inchangée dans le cas des BMDMs exposés aux NMs.
L’étude in vitro de la présentation d’antigène, a indiqué que l’exposition à différents NMs modifie les
cytokines produites par les cellules T, reflétant l’altération de la polarisation des lymphocytes T CD4 +.
Dans l’ensemble, ces résultats démontrent que les NMs ne modifient pas directement l’activité
phagocytique, la production de cytokine et de chimiokine, la production de NO et de ROS, le métabolisme
cellulaire des cellules phagocytaires, mais lorsqu’elles sont confrontées à un signal d’activation comme le
LPS ou l’IL-4, les cellules exposées aux NMs réagissent différemment.
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