Chez l’homme, de nombreux médicaments ne sont toxiques que chez un petit nombre de patients traités. Divers facteurs de susceptibilité, génétiques et autres (doses quotidiennes, stress inflammatoire, réaction immune, maladie hépatique,…), favoriseraient la survenue de ces toxicités de type idiosyncratique, non prévisibles par des études chez l’animal. Leur prédiction et la caractérisation des mécanismes impliqués représentent donc un challenge majeur. Dans ce travail, nous avons étudié in vitro l’influence d’un stress inflammatoire sur le potentiel cytotoxique, cholestatique et stéatosique de trois médicaments connus par leurs effets de type idiosyncratique au niveau du foie, le diclofenac (DCF), la trovafloxacine (TVX) et l’amiodarone (AMD) en utilisant comme modèles expérimentaux les cellules humaines HepaRG différenciées, métaboliquement compétentes, et pour comparaison les cellules HepaRG non différenciées, les cellules HepG2, les hépatocytes humains primaires ainsi qu’un autre modèle cellulaire eucaryote la levure Saccharomyces cerevisiae. Nos résultats montrent que les cellules HepaRG différenciées sont moins sensibles au DCF que les cellules métaboliquement non compétentes et que cette toxicité implique la voie intrinsèque de l’apoptose, associée à la génération de ROS et d’un stress du réticulum endoplasmique. Elle est aggravée par le TNF-α via la voie apoptotique extrinsèque. La toxicité de DCF est aussi augmentée lors d’un co-traitement avec TVX et encore plus en présence de TNF-α. En revanche, cette cytokine ne potentialise pas les effets cholestatiques des 2 molécules, caractérisés notamment par une dilatation des canalicules biliaires et une inhibition de l’activité de certains transporteurs d’acides biliaires (BSEP, NTCP). Un stress inflammatoire induit par le lipopolysaccharide bactérien aggrave aussi les effets cytotoxiques et stéatosiques de l’AMD via une production de ROS, une inhibition de l’oxydation des acides gras et une accumulation des triglycérides, aboutissant à un contexte de stéatohépatite. De plus, une aggravation de la toxicité de DCF a également été observée dans Saccharomyces cerevisiae portant une mutation au niveau de certains transporteurs de la phase III, tel que Pdr5, et surtout après co-traitement avec la N-acétyl-cystéine via une voie qui pourrait être dépendante des perturbations des ponts di-sulfure au niveau de certaines protéines clés (transporteurs, protéines de signalisation ou facteurs de transcription, ...). Au total, tous ces résultats suggèrent que des facteurs environnementaux tel qu’un stress inflammatoire, et génétiques peuvent moduler la réponse toxique à des médicaments non seulement en induisant des stress oxydants et du réticulum endoplasmique mais aussi en modifiant leur métabolisme et donc les interactions entre médicaments, et certaines voies de signalisation essentielles. / In human, many drugs are toxic for only rare patients. Genetic and various other factors (daily doses, inflammatory stress, immune reaction, liver diseases) are thought to favor such idiosyncratic toxicity that is not predictable in animals. Its prediction and mechanisms involved are very challenging. In this work, we have investigated in vitro the influence of an inflammatory stress on cytotoxic, cholestatic and steatotic effects of 3 drugs which are known to cause idiosyncratic hepatotoxicity, i.e. diclofenac (DCF), trovafloxacin (TVX) and amiodarone (AMD), using as experimental models, metabolically competent differentiated HepaRG cells, and for comparison, undifferentiated HepaRG cells, HepG2 cells, primary human hepatocytes as well as a non hepatic eukaryotic cell, the yeast Saccharomyces cerevisiae. Our results show that differentiated HepaRG cells were less sensitive than their undifferentiated counterparts and that toxicity involved intrinsic apoptosis., associated with ROS generation and endoplasmic reticulum stress and was aggravated with TNF-α via extrinsic apoptosis.. DCF toxicity was augmented by co-treatment with TVX and further by co-addition of TNF-α. By contrast, this cytokine did not potentiate cholestatic effects of either drug, typified by dilatation of bile canaliculi and inhibition of some bile acids transporters (BSEP, NTCP). An inflammatory stress induced by the bacterial lipopolysaccharide aggravated cytotoxicity and steatosis induced by AMD, via ROS generation, fatty acid oxidation and triglycerides accumulation leading to a steatohepatitis-like state. Moreover, DCF toxicity was also augmented in S. cerevisiae containing mutations of transporters of phase III, such as Pdr5, and especially after co-treatment with N-acetyl cysteine, via a pathway that is probably dependent on alterations of di-sulfure bounds in critical proteins (transporters, signaling proteins, transcription factors). Together, all the results suggest that environmental factors, such as inflammatory stress or genetic factors can modulate the toxic response to drugs by inducing oxidative and endoplasmic reticulum stress as well as by modifying metabolism, drug-drug interactions and key signaling pathways.

L’Homme est exposé tout au long de sa vie à de nombreux contaminants présents dans l’environnement et l’alimentation généralement à faibles doses et en mélanges. L’évaluation des risques pose problème dans la mesure où il est bien établi qu’il existe des différences de réponse entre l’homme et l’animal. Quelle que soit la voie d’exposition, de par son rôle majeur dans la biotransformation des xénobiotiques, le foie est considéré comme un organe cible pour de nombreuses classes de produits chimiques potentiellement cytotoxiques, génotoxiques voire cancérogènes. Nous avons utilisé la lignée de cellules hépatiques humaines HepaRG non transformées pour évaluer la toxicité chronique et/ou le pouvoir cancérogène de pesticides et de composés génotoxiques présents dans l’environnement. Cette lignée est la seule connue pour avoir conservé des propriétés proches des hépatocytes humains en culture primaire. Dans une première partie nous avons confirmé le maintien de ses capacités fonctionnelles à confluence par l’analyse du transcriptome et de la biocinétique de 4 médicaments, après traitements quotidiens pendant 14 jours. Nous avons ensuite recherché les effets de mélanges de pesticides après des expositions aiguës et répétées. Nous avons ainsi montré que : 1. l’isomalathion, une impureté majeure du malathion, joue un rôle prépondérant sur la toxicité hépatique de ce dernier et qu’il inhibe la carboxylesterase impliquée dans le métabolisme des deux composés; 2. l’endosulfan et le méthoxychlore, deux organochlorés métabolisés par les CYP3A4 et 2B6, agissent de manière synergique sur leur cytotoxicité après une exposition unique ou répétée. De plus, alors que l'activité du CYP3A4 est inhibée de manière réversible par l’endosulfan, le méthoxychlore l’augmente. En revanche, l’activité du CYP2B6 est induite par les deux pesticides. Lorsqu’ils sont en mélange équimolaire un effet additif ou antagoniste est observé sur l'activité du CYP3A4 et du CYP2B6 respectivement quelle que soit la durée de l’exposition. Enfin, dans une troisième partie, nous avons exposé des cellules HepaRG pendant une quinzaine de passages à de faibles doses de deux contaminants génotoxiques nécessitant une bioactivation, l’aflatoxine B1 et une amine aromatique hétérocyclique, le PhiP, et démontré l’acquisition de propriétés de cellules transformées (par exemple croissance sur agar, migration dans le test de griffure et surexpression de gènes associés au cancer). Au total, nos résultats démontrent tout l’intérêt que représente la lignée hépatique humaine HepaRG métaboliquement compétentes pour l’étude de la toxicité chronique et/ou le potentiel cancérogène des contaminants de l’environnement. Ils ont permis de mettre en évidence d’interactions entre des pesticides en mélanges binaires et pour la première fois d’analyser le potentiel cancérogène de contaminants génotoxiques dans une lignée hépatique humaine. / Humans are exposed throughout their life to many environmental and food contaminants, usually at low doses and in mixtures. Risk assessment remains questionable as it is well established that there are differences in the response to chemicals between humans and animals. Regardless of the route of exposure, due to its major role in xenobiotic biotransformation, the liver is considered as a target organ for many classes of chemicals potentially cytotoxic, genotoxic or carcinogenic. We used the HepaRG cell line to evaluate chronic toxicity and/or carcinogenicity of pesticides and genotoxic compounds. This cell line is the only one known to exhibit properties similar to those of human hepatocytes in primary culture. In the first part we confirmed the maintenance of functional capacities of these cells at confluence by transcriptomic and biokinetic analysis of several drugs after a 14-day treatment. We then investigated the effects of mixtures of pesticides after acute and repeated exposures. We showed that : 1. Isomalathion, a major impurity of malathion, played a leading role on liver toxicity and inhibited carboxylesterase that is involved in the metabolism of these two compounds; 2. Endosulfan and methoxychlor, two organochlorines, metabolized by CYP3A4 and CYP2B6, acted synergistically on their cytotoxicity after single or repeated exposure. Moreover, whereas activity of CYP3A4 was reversibly inhibited by endosulfan and increased by methoxychlor. By contrast, CYP2B6 activity was induced by these two pesticides while in equimolar mixtures, they caused additive or antagonistic effects on CYP3A4 and CYP2B6 activities respectively, regardless of the duration of exposure. Finally, in the third part, we exposed HepaRG cells for up to 15 passages to low doses of two genotoxic contaminants which required bioactivation, aflatoxin B1 and heterocyclic aromatic amine, PhIP, and demonstrated the appearance of properties of transformed cells (e.g. growth on agar, cell migration in the wound healing test and overexpression of a number of genes associated with cancer). Altogether, our results demonstrate the great potential interest that represents the metabolically competent human liver cell line HepaRG for the study of chronic toxicity and/or carcinogenic potential of environmental contaminants. They highlight possible interactions between pesticides in binary mixtures and for the first time, demonstrate that the carcinogenic potential of genotoxic contaminants can be analyzed in an human hepatic cell line.

La cholestase intrahépatique est une manifestation fréquente des lésions hépatiques induites par les médicaments; Cependant, les mécanismes impliqués sont peu connus. Nous avons cherché à étudier les mécanismes de la cholestase induite par les médicaments afin d’améliorer sa détection précoce en utilisant les cellules HepaRG humaines. Tout d'abord, nous avons prouvé que les canalicules biliaires (BC) subissaient des contractions spontanées, essentielles pour l'efflux d’acides biliaires et nécessitaient des séries d’alternance dans la phosphorylation/déphosphorylation de la chaîne légère de myosine (MLC2). La courte exposition à des composés cholestatiques a révélé que la modulation des BC était associée à des perturbations de la voie de signalisation ROCK/MLCK. Afin de confirmer notre étude, 12 médicaments cholestatiques et six non cholestatiques ont été analysés et nous avons démontré que tous les médicaments cholestatiques classés sur la base de résultats cliniques provoquaient des perturbations dans la dynamique des BC (dilatation ou constriction), et altéraient la voie de signalisation ROCK/MLCK, tandis que les composés non cholestatiques n'avaient pas d'effet. Nous avons également prouvé que ces changements étaient plus spécifiques que la mesure de l'inhibition de l’efflux comme marqueurs prédictifs non cliniques de la cholestase induite par les médicaments. Afin de confirmer et d’étendre ces conclusions, nous avons analysé les mécanismes impliqués dans les effets cytotoxiques et cholestatiques induits par 4 médicaments de la famille des antagonistes des récepteurs de l'endothéline: deux ayant un lien avec des cas cliniques d'hépatotoxicité (sitaxentan) et/ou cholestase (bosentan), et deux n’ayant pas été impliqués dans l’élévation de transaminases hépatiques ou de bilirubine (ambrisentan et macitentan). Les résultats montrent que le macitentan récemment commercialisé et ayant une structure chimique similaire à celle du bosentan, était capable de causer, comme ce dernier, des altérations in vitro des BC. En revanche, l'ambrisentan n’était pas hépatotoxique et le sitaxentan qui a été retiré du marché pour des cas d’hépatotoxicité, n’affectait pas la dynamique canaliculaire. / Intrahepatic cholestasis represents a frequent manifestation of drug-induced liver injuries; however, the mechanisms involved in such injuries are poorly understood. We aimed to investigate mechanisms underlying drug-induced cholestasis and improve its early detection using human HepaRG cells. First, we proved that bile canaliculi (BC) underwent spontaneous contractions, which are essential for bile acid efflux and required alternations in myosin light chain (MLC2) phosphorylation/dephosphorylation. A short exposure to cholestatic compounds revealed that BC dynamics was altered and associated with impairment of the ROCK/MLCK pathway. Then, in order to confirm our study, 12 cholestatic drugs and six noncholestatic drugs were analyzed and we demonstrated that all cholestatic drugs classified on the basis of reported clinical findings caused disturbances of both BC dynamics (dilatation or constriction), and alteration of the ROCK/MLCK signaling pathway, whereas noncholestatic compounds had no effect. We also proved that these changes were more specific than efflux inhibition measurements alone as predictive nonclinical markers of drug-induced cholestasis. To confirm and extend these conclusions, we analyzed the mechanisms involved in cytotoxic and cholestatic effects induced by the 4 main drugs from the endothelin receptor antagonists family: two related to clinical cases of hepatotoxicity (sitaxentan) and/or cholestasis (bosentan), and two that have not been reported to cause elevation of liver transaminases or bilirubin (ambrisentan and macitentan). The results showed that like bosentan, the structurally similar recently marketed drug, macitentan, could cause in vitro major BC alterations. By contrast, ambrisentan appeared as a safe drug and sitaxentan that has been withdrawn from the market for hepatotoxic cases, did not impair BC dynamics.

Les cellules de la lignée d'hépatome HepaRG sont des progéniteurs bipotents capables de se différencier à confluence en cellules biliaires et en hépatocytes exprimant un large éventail de fonctions spécifiques du foie notamment plusieurs enzymes clés de détoxication. Ce système cellulaire constitue un modèle unique pour mieux comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires régissant le processus de différenciation du progéniteur hépatique vers l'hépatocyte ou encore certains aspects de régulation du cycle cellulaire de l'hépatocyte. Par ailleurs, il offre un modèle cellulaire alternatif aux cultures primaires d'hépatocytes humains pour des applications en pharmacotoxicologie. Cependant, ces cellules expriment un niveau relativement limité d'un important cytochrome P450, le CYP2E1, restreignant leur utilisation pour les études de toxicologie des drogues métabolisées par cette voie. Nous avions comme objectif d'établir des protocoles efficaces de transfection afin d'augmenter l'expression du CYP2E1 dans les cellules HepaRG. Des protocoles de transfection efficaces ont été établis en utilisant l'électroporation et des lipides cationiques appartenant aux lipophosphonates et lipophosphoramidates. Ces approches nous ont permis d'augmenter significativement le niveau d'expression et d'activité du CYP2E1 dans les cellules HepaRG différenciées ouvrant de nouvelles perspectives pour des études de métabolisme et de toxicité des drogues dépendantes du CYP2E1. La mise au point de ces protocoles de transfection a été mise à profit pour aborder d'autres applications notamment la répression par siARN de l'expression du récepteur aux amines aromatiques hétérocycliques AhR. Nous avons pu par électroporation dans des cellules HepaRG différenciées démontrer que AhR est au moins en partie responsable de l'induction des CYP1A1 et 1A2 par les amines aromatiques hétérocycliques PhIP et MeIQx. Toujours en utilisant un protocole d'électroporation, nous avons également établi une lignée HepaRG recombinante exprimant de façon constitutive l'hepcidine en fusion avec la Green Fluorescent Protein (GFP). Cette lignée constitue un nouvel outil d'étude du processus de maturation et de sécrétion de l'hepcidine un régulateur hormonal central du métabolisme du fer. Enfin, dans une dernière partie du travail, nous avons abordé un nouveau type de vectorisation : des nanoparticules synthétisées à partir de poly-acide malique dans le but d'encapsuler des principes actifs anticancéreux pour des applications potentielles dans le ciblage du carcinome hépatocellulaire. Une première étape a consisté à étudier la toxicité in vitro de ces particules sur plusieurs lignées cellulaires puis d'évaluer leur potentiel d'encapsulation de principe actif en utilisant la doxorubicine comme molécule de référence.