Study of the effects of nanoparticles on the immune system - Inserm - Institut national de la santé et de la recherche médicale Access content directly
Theses Year : 2020

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.
Fichier principal
Vignette du fichier
Dey Arindam _ Thesis Final_17022021.pdf (31.47 Mo) Télécharger le fichier
image.png (3.17 Ko) Télécharger le fichier
Origin Files produced by the author(s)

Dates and versions

tel-03374657 , version 1 (12-10-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03374657 , version 1

Cite

Arindam K Dey. Study of the effects of nanoparticles on the immune system. Life Sciences [q-bio]. Université Grenoble Alpes, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03374657⟩

Collections

INSERM UGA CNRS
48 View
12 Download

Share

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More