Impact of nanoceria alone or in combination with benzo(a)pyrene on human placental barrier integrity and functions

La pollution atmosphérique est une préoccupation majeure et l'exposition de la femme enceinte peut conduire à des effets néfastes sur le développement et la croissance du fœtus ainsi que sur l'évolution de la grossesse. Le placenta est l'organe d'interface entre les circulations sanguines maternelle et fœtale, dont les échanges et les fonctions endocrines jouent un rôle crucial dans le bon déroulement de la grossesse. Le placenta agit également comme une barrière sélective contre les xénobiotiques qui peuvent passer les barrières épithéliales et se retrouver dans la circulation sanguine maternelle. La barrière placentaire est constituée d'un épithélium trophoblastique, des cytotrophoblastes villeux (CTV) bordés par un syncytium (ST) en contact avec le sang maternel. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et les nanoparticules (NP) sont des polluants environnementaux pouvant franchir les barrières épithéliales, atteindre le placenta et porter atteinte à son intégrité et ses fonctions. Le Benzo(a)pyrène (BaP), un prototype de HAP, est formé lors de la combustion incomplète de la matière organique et retrouvé dans l'air ambiant (fumée de cigarette, gaz d'échappement automobile) ainsi que dans l'alimentation (grillades). Le BaP exerce ses effets cellulaires via sa métabolisation par le récepteur des hydrocarbures aromatiques AhR. Les NP de CeO2 sont nouvellement utilisées pour diverses applications tels que agents pharmaceutiques potentiels, additif de cigarette et dans le carburant Diesel et donc émises massivement dans l'atmosphère. Les travaux réalisés lors de ma thèse visent à évaluer l'impact des NP de CeO2 et du BaP sur l'intégrité et les fonctions de la barrière placentaire humaine. Nous nous sommes intéressés à la caractérisation d'AhR au cours de l'ontogenèse placentaire dans différents modèles (villosités choriales, lignée trophoblastique BeWo et trophoblastes primaires humains) ainsi qu'à l'étude des effets des NP de CeO2 et du BaP sur les trophoblastes primaires en exposition individuelle ou combinée. Nous avons établi une cartographie de l'expression placentaire d'AhR ainsi que de son activité au premier trimestre et à terme de grossesse, montrant sa localisation nucléaire constitutive en absence de ligand exogène, ajouté expérimentalement. Nos données suggèrent une activation intrinsèque d'AhR, probablement par des ligands placentaires endogènes, tel que la kynurénine formée à partir du tryptophane par l'enzyme IDO1 (indoleamine 2,3-dioxygénase 1). Nous avons montré qu'IDO1 est exprimé dans les trophoblastes sans mettre en évidence de lien direct entre la présence d'IDO1 et l'activation constitutive d'AhR. Nous avons ensuite décrit pour la première fois que les NP de CeO2 sont internalisées par les CTV et ST, diminuent l'activité métabolique trophoblastique de manière concentration et temps-dépendante, ont une action anti-oxydante et affectent la différenciation trophoblastique par la diminution de la capacité de fusion des CTV et la perturbation de la sécrétion des principales hormones de la grossesse (hCG, hPL, P4 et E2). L'étude de la cytotoxicité du BaP sur les trophoblastes nous a indiqué que le BaP induit la production d'espèces réactives de l'oxygène (ERO) et stabilise p53, un facteur de transcription stabilisé en cas de dommages à l'ADN et/ou stress oxydant, sans conduire à la mortalité des cellules. Nous n'avons pas rapporté d'effet supplémentaire de la co-exposition des trophoblastes aux deux polluants sur la viabilité cellulaire par rapport à l'exposition aux NP seules. Enfin, nous avons identifié les acteurs majeurs du stress cellulaire (p53, p21, NF-B, HIF-1, HIF-1) dont le niveau est modulé lors d'une co-exposition des CTV au BaP et NP de CeO2 versus leurs expositions individuelles. Nos travaux ont permis de mieux caractériser les conséquences biologiques de l'exposition de femmes enceintes à ces polluants seuls et en mélange, sur le développement et les fonctions placentaires.Air pollution is a major concern and the exposure of pregnant women can lead to adverse effects on the development and growth of the fetus and pregnancy outcome. The placenta is the interface between maternal and fetal blood, whose exchange and endocrine functions play a crucial physiological role during pregnancy. The placenta represents also a selective barrier against various environmental substances that can cross epithelial barriers and enter into maternal blood. The placental barrier consists of a trophoblastic epithelium, the villous cytotrophoblasts (VCT) bordered by a syncytium (ST) in direct contact with maternal blood. Pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nanoparticles (NPs) are environmental contaminants that can cross epithelial barriers, reach the placenta and affect its integrity and functions. Benzo(a)pyrene (BaP), a PAH prototype, is formed during the incomplete combustion of organic matter and is found in ambient air (cigarette smoke, car exhaust) as well as in food (grills). BaP exerts its cellular effects after being metabolized by the aryl hydrocarbon receptor (AhR). CeO2 NPs are newly used for various applications such as potential pharmaceutical agents, cigarette additives and diesel fuel additive and thus emitted massively into the atmosphere. My thesis work is part of a project to assess the impact of CeO2 NPs and BaP on the integrity and functions of the human placental barrier. We were interested in the characterization of AhR during placental ontogenesis in different placental models (chorionic villi, BeWo trophoblastic cell line and human primary trophoblasts) and in the study of the effects of CeO2 NPs and BaP on human primary trophoblast differentiation and function in individual and combined exposure. We realized a cartography of the placental expression of AhR and evaluated its activity in the first trimester and at term. We showed a constitutive nuclear localization without addition of exogenous ligands. Our data suggest constitutive activation of AhR, probably by endogenous placental ligands, such as kynurenin formed from tryptophan by the enzyme IDO1 (indoleamine 2,3-dioxygenase 1). We demonstrated that IDO1 is well expressed in trophoblasts but we did not find a direct link between the presence of IDO1 in the placenta and constitutive activation of AhR. We then described for the first time that CeO2 NPs are internalized by both VCT and ST, decrease trophoblastic metabolic activity in a concentration- and time-dependent manner, acts as an anti-oxidant and affect trophoblastic differentiation by decreasing the fusion capacity of VCT and disrupting the secretion of the major pregnancy hormones (hCG, hPL, P4 and E2). Cytotoxicity study of BaP on trophoblasts indicated that BaP induces the production of reactive oxygen species (ROS) and stabilizes p53, a transcription factor stabilized in case of DNA damage and/or oxidative stress, without inducing cell death. We report no additional effect on cell viability from co-exposure of trophoblasts to BaP and CeO2 NPs compared to exposure to CeO2 NPs individually. Finally, we identified the major actors of cellular stress (p53, p21, NF-B, HIF-1, HIF-1) whose protein levels are modulated during co-exposure of VCT to BaP and CeO2 NPs versus individual exposures. Our work contributes to better characterize the biological consequences of exposure of pregnant women to these pollutants alone and in mixtures on placental development and function

Expression, Localization, and Activity of the Aryl Hydrocarbon Receptor in the Human Placenta

International audienceThe human placenta is an organ between the blood of the mother and the fetus, which is essential for fetal development. It also plays a role as a selective barrier against environmental pollutants that may bypass epithelial barriers and reach the placenta, with implications for the outcome of pregnancy. The aryl hydrocarbon receptor (AhR) is one of the most important environmental-sensor transcription factors and mediates the metabolism of a wide variety of xenobiotics. Nevertheless, the identification of dietary and endogenous ligands of AhR suggest that it may also fulfil physiological functions with which pollutants may interfere. Placental AhR expression and activity is largely unknown. We established the cartography of AhR expression at transcript and protein levels, its cellular distribution, and its transcriptional activity toward the expression of its main target genes. We studied the profile of AhR expression and activity during different pregnancy periods, during trophoblasts differentiation in vitro, and in a trophoblast cell line. Using diverse methods, such as cell fractionation and immunofluorescence microscopy, we found a constitutive nuclear localization of AhR in every placental model, in the absence of any voluntarily-added exogenous activator. Our data suggest an intrinsic activation of AhR due to the presence of endogenous placental ligands

Uptake of Cerium Dioxide Nanoparticles and Impact on Viability, Differentiation and Functions of Primary Trophoblast Cells from Human Placenta

International audienceThe human placenta is at the interface between maternal and fetal circulations, and is crucial for fetal development. The nanoparticles of cerium dioxide (CeO(2)NPs) from air pollution are an unevaluated risk during pregnancy. Assessing the consequences of placenta exposure to CeO(2)NPs could contribute to a better understanding of NPs' effect on the development and functions of the placenta and pregnancy outcome. We used primary villous cytotrophoblasts purified from term human placenta, with a wide range of CeO(2)NPs concentrations (0.1-101 mu g/cm(2)) and exposure time (24-72 h), to assess trophoblast uptake, toxicity and impact on trophoblast differentiation and endocrine function. We have shown the capacity of both cytotrophoblasts and syncytiotrophoblasts to internalize CeO(2)NPs. CeO(2)NPs affected trophoblast metabolic activity in a dose and time dependency, induced caspase activation and a LDH release in the absence of oxidative stress. CeO(2)NPs decreased the fusion capacity of cytotrophoblasts to form a syncytiotrophoblast and disturbed secretion of the pregnancy hormones hCG, hPL, PlGF, P4 and E2, in accordance with NPs concentration. This is the first study on the impact of CeO(2)NPs using human primary trophoblasts that decrypts their toxicity and impact on placental formation and functions