Ecole Doctorale

Sciences de l'Environnement

Spécialité

Environnement et Santé

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

nanoparticules,toxicité reproductive,dioxyde de cérium,fécondation,ovocytes,spermatozoïdes

Keywords

nanoparticles,reprotoxicity,cerium dioxide,fertilization,oocytes,spermatozoa

Titre de thèse

Reprotoxicité des nanoparticules : approche in vitro
Reprotoxicity of nanoparticles : in vitro approach.

Date

Jeudi 13 Décembre 2018 à 14:00

Adresse

Faculté de Médecine Timone 27, Boulevard Jean Moulin 13005 MARSEILLE salle de soutenance 2

Jury

Directeur de these Mme Jeanne PERRIN Aix-Marseille Université
Rapporteur Mme Pascale CHAVATTE-PALMER UMR 1198 INRA/ ENVA/CNRS
Rapporteur Mme Florence EUSTACHE APHP
Examinateur M. Leon BOUBLI Aix-Marseille Université
Examinateur Mme Hanaé PONS- REJRAJI UMR INSERM 1240 Université Clermont Auvergne
CoDirecteur de these Mme Blandine COURBIERE Aix-Marseille Université

Résumé de la thèse

Les nanoparticules (NP) comportent au moins une dimension entre 1 et 100 nm. Les NP métalliques et oxydes de métaux nanoparticulaires sont produits en grande quantité, et utilisés dans les produits de consommation courante (alimentation, cosmétiques, …) et dans des technologies de pointe. L’homme est donc exposé de manière quotidienne à diverses NP. Les nanoparticules de dioxyde de cérium (NPCeO2) sont largement utilisées au niveau industriel, en particulier comme additif au carburant diesel, mais font aussi l’objet d’études thérapeutiques en cancérologie. Plusieurs rapports gouvernementaux ont souligné le manque d’information sur les risques des NP sur la santé humaine, et l’OCDE a placé les NPCeO2 dans la liste des nanomatériaux nécessitant une évaluation urgente de leur toxicité. Devant la baisse des paramètres de fertilité observée dans les pays industrialisés, les facteurs environnementaux sont de plus en plus mis en avant. Nous nous sommes intéressés à l’impact des NPCeO2 sur la reproduction : plusieurs études ont démontré le passage de NP métalliques dans les gonades après exposition in vivo chez l’animal, mais très peu de données sont disponibles concernant les NPCeO2. L’objectif de ce travail a été dans un premier temps d’étudier la génotoxicité des NPCeO2 sur spermatozoïdes et ovocytes murins par exposition in vitro, ainsi que leur impact sur la fécondation in vitro (FIV) murine. Nous avons dans un second temps étudié leur génotoxicité sur spermatozoïdes humains in vitro. Nous avons montré une diminution significative des taux de fécondation chez la souris, sur 1272 ovocytes, lors des FIV réalisées en milieu de culture contenant des NPCeO2 à faible concentration (0,01 mg/l). Nous avons également montré une génotoxicité significative des NPCeO2 à faibles doses sur ovocytes, spermatozoïdes de souris, et spermatozoïdes humains par le test des comètes. En microscopie électronique à transmission, nous n’avons pas retrouvé de NP dans les milieux de culture à 0,01 mg/l, mais observé une endocytose dans les cellules du cumulus entourant les ovocytes à forte concentration (100 mg/l) et une accumulation des NP le long des membranes des spermatozoïdes et des zones pellucides des ovocytes. Aucune internalisation n’a été observée dans les gamètes. La diminution des taux de fécondation pourrait être liée à : 1) la génotoxicité sur les gamètes ; 2) une action mécanique, perturbant l’interaction gamétique ; 3) un stress oxydatif. Ces résultats renforcent plusieurs publications évoquant la reprotoxicité des NP métalliques, et apportent des informations nouvelles et importantes sur les mécanismes d’actions suspectés. Ils soulignent l’intérêt d’études in vivo après exposition chronique respiratoire à très faibles doses.

Thesis resume

The fast development of nanotechnology and increasing environmental exposure to nanomaterials give rise to questions regarding the potential risks on human health. Due to their excellent catalytic activities, Cerium oxide nanoparticles (CeO2NP) are widely used, as diesel additive, as well as promising therapeutic in the field of cancerology, yet scarce data are currently available on CeO2NP’s toxicity, and none on their reproductive toxicity. However, infertility is an increasing concern in industrialized countries. The Organization for Economic Cooperation and Development placed CeO2NP on a priority list of nanomaterials requiring urgent evaluation. It has been shown that metal nanoparticles can cross biological barriers and accumulate into various organs including the gonads after in vivo exposure, in animal models. Our objectives were to investigate CeO2NP’s genotoxicity on mouse spermatozoa and oocytes, and to study their possible impact on murine in vitro fertilization (IVF). We then studied CeO2NP’s genotoxicity on human spermatozoa after in vitro exposure at very low concentrations. We showed a significant decrease of fertilization rate, assessed on 1272 oocytes, during IVF carried out in culture medium containing CeO2NP at very low concentration (0.01mg/l). We also showed significant DNA damage induced in vitro by CeO2NP on mouse spermatozoa and oocytes at 0.01 mg/l using Comet assay. Transmission Electron Microscopy did not detect any nanoparticles in the IVF samples at 0.01 mg/l, but showed, at high concentration (100 mg/l), their endocytosis by the cumulus cells surrounding oocytes and their accumulation along spermatozoa plasma membranes and oocytes zona pellucida. We did not observe any nanoparticles in the cytoplasm of spermatozoa, oocytes or embryos. We showed significant DNA damage induced in vitro by CeO2NP on human spermatozoa using Comet assay. The genotoxicity was inversely proportional to the concentration (0.01 to 10 mg/l) and the mechanisms of toxicity were different at low and high doses of CeO2NP. At 0.01 mg/l, the genotoxicity mechanisms involved oxidative stress and close interactions between spermatozoa and CeO2NP. We demonstrate for the first time the impact of CeO2NP on in vitro fertilization, as well as their genotoxicity on mouse gametes and human sperm, at very low nanoparticle concentration exposure. Decreased fertilization rates may result from: (1) CeO2NP’s genotoxicity on gametes; (2) a mechanical effect, disrupting gamete interaction and (3) oxidative stress induced by CeO2NP. These results add new and important insights with regard to the reproductive toxicity of nanomaterials requesting urgent evaluation, and support several publications on metal nanoparticles reprotoxicity. Our data highlight the need for in vivo studies after low-dose exposure.