Impact du colorant alimentaire E171 et de nanoparticules de dioxyde de titane sur des modèles cellulaires, in vitro, d'épithélium intestinal

Abstract

Micro-sized titanium dioxide (TiO2) particles are used for years by industrials for their attractive physical and chemical properties. The use of TiO2 nanoparticles (NPs) is also constantly increasing, because the nanometric size gives new interesting properties to particles which industrials are looking for. In some daily-life products including paints, plastics, paper, medicines and food, micro-sized TiO2 particles are used as a pigment for their opacifying and whitening capacities. The use of TiO2 as a food additive, i.e. E171 in the EU, has been authorized in most countries since the 60ies, without any established acceptable daily intake, because of their low toxicity and intestinal absorption. However, it was recently shown that E171 can contain up to 43% of particles with diameter ranging from 1 to 100 nm, i.e. NPs. Still, E171 is not a nanomaterial as described in the European recommendation of definition because it contains less than 50% of NPs (in number). Food grade TiO2 is present in a wide range of food products while little is known about its toxicological impact to human health. The toxicity of ingested TiO2, either nano- or micro-sized, is increasingly documented, still E171 itself is rarely used in these studies.According to in vivo and in vitro studies, TiO2 particles were proven relatively safe for intestinal cells, no cytotoxicity neither genotoxicity were reported. Nevertheless, particles were often reported to increase reactive oxygen species (ROS) cell content, to impair autophagic processes and modulate gene expression and the content of proteins involved in oxidative stress, endoplasmic reticulum stress and inflammatory response regulation. Interestingly, their reported impact on intestinal cells suggests alteration of almost all the components of the intestinal barrier function, i.e. microbiota, mucus, cell junctions and transporters. This intestinal barrier function is altered in patients suffering from intestinal bowel diseases, these persons are thus possibly more sensitive to mineral particulate in food.The present study aimed at improving knowledge on the toxicity of food-grade TiO2. To this purpose, the impact of E171 was evaluated on in vitro cell models representative of the human intestinal epithelium, i.e. a model of differentiated Caco-2 enterocytes, a model of mucus-secreting epithelium obtained by coculture of Caco-2 and HT29-MTX mucus-secreting cells and a model of the follicle-associated epithelium, which lines Peyer patches, obtained by coculture of Caco-2(C1) and RajiB cells. These cell models were either acutely exposed for 6 h, 24 h and 48 h or chronically exposed for 21 days to E171. In parallel, they were exposed to two model TiO2-NPs, A12 which has the same crystalline structure as E171 and P25, a well-documented TiO2-NPs. Our results show that E171 and TiO2-NPs induced no overt cell mortality but significant oxidative stress, and that they oxidatively damage DNA. They modulate the expression of genes involved in oxidative stress and endoplasmic reticulum stress regulation. They also modulate the expression of genes, as well as the content of proteins from mucus, ABC transporters and inflammatory markers, which are the main players of the intestinal barrier function and presumably increase epithelium sensitivity to xenobiotics. These data suggest that they may be implicated in the development or aggravation of inflammatory bowel diseases.Les particules de dioxyde de titane (TiO2) sont utilisées dans de nombreux secteurs industriels du fait de leurs propriétés physiques et chimiques intéressantes. Depuis une dizaine d’années, elles sont également utilisées sous forme nanoparticulaire car la taille nanométrique leur apporte de nouvelles propriétés, recherchées dans certaines applications industrielles. Elles sont par exemple utilisées comme colorant blanc dans le secteur de la cosmétologie, de la pharmacologie et dans les industries agroalimentaires. Dans ces dernières, l’utilisation de ces particules est autorisée car le TiO2 est un composé insoluble et relativement inerte. Le colorant alimentaire E171, autorisé depuis 1966, est ainsi constitué de particules de TiO2, initialement sous forme micrométrique, mais il s’avère que selon les procédés de fabrication, entre 10 et 43 % (selon les études) de ces particules présentent un diamètre inférieur à 100 nm, i.e. sont sous forme nanométrique. Ce n’est pas un nanomatériau du point de vue de la définition européenne, il n’est donc pas soumis à l’obligation d’étiquetage dans les produits alimentaires. Le E171 est présent dans de nombreux aliments sans que son impact sur la santé humaine, après ingestion, n’ait été clairement documenté. De plus en plus d’études s’intéressent à la toxicité des nanoparticules (NPs) après leur ingestion, mais peu d’entre elles ont été menées avec le E171 à proprement parler. Les études in vivo et in vitro publiées à ce jour démontrent que les NPs de TiO2 sont peu toxiques. Leur absorption intestinale et leur translocation vers le système sanguin puis des organes secondaires est faible. Les principaux effets décrits sont une augmentation des espèces réactives de l’oxygène associées à un stress oxydant, l’induction de marqueurs de l’inflammation, et plus récemment l’induction du stress du réticulum endoplasmique. Des effets sont également rapportés sur différents paramètres de la barrière intestinale, i.e. le microbiote, le mucus, les transporteurs membranaires, les jonctions cellulaires et l’immunité intestinale. Chez certaines personnes, cette barrière est compromise, elles sont donc potentiellement plus sensibles aux micros et nanos-particules contenues dans l’alimentation. Leur épithélium intestinal est enflammé, et à long terme, ces personnes peuvent développer des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin et dans les cas les plus graves, des cancers.L’objectif de cette thèse est d’étudier la toxicité du colorant alimentaire E171 et d’approfondir les connaissances relatives à l’impact des NPs de TiO2 sur le système gastro-intestinal. Pour cela, nous avons travaillé avec différents modèles cellulaires d’épithélia intestinaux humain, un modèle d’épithélium jointif composé d’entérocytes Caco-2, un modèle d’épithélium sécrétant une couche de mucus, composé de cellules Caco-2 et HT29-MTX et enfin un modèle d’épithélium bordant les plaques de Peyer, composé des cellules Caco-2(C1) et RajiB. Ces modèles cellulaires ont été exposés de façon aigüe (6 h, 24 h et 48 h) ou chronique (21 jours), au colorant E171 ainsi qu’à deux NPs de TiO2 : A12, qui a la même structure cristalline que le E171 et P25, une NP très documentée dans la littérature. Nos résultats montrent que le E171 et les NPs de TiO2 sont modérément toxiques, ils n’engendrent pas de mortalité cellulaire ni de dommages à L’ADN. Néanmoins, ils provoquent une accumulation d’espèces réactives de l’oxygène intracellulaires et modulent certains marqueurs impliqués dans le stress oxydant, le stress du réticulum endoplasmique et l’inflammation. Ils impactent également la sécrétion et la composition de la couche de mucus, l’expression des transporteurs ABC, qui sont des paramètres impliqués dans la fonction de barrière de l’épithélium intestinal, le rendant possiblement plus vulnérable aux agressions extérieures