L'utilisation des nanoparticules (NPs) métalliques en nanotechnologie entraîne un risque de contamination de l'environnement qui est difficile à évaluer en raison du manque de connaissance toxicologique sur les NPs. La compréhension des mécanismes de toxicité des NPs peut favoriser leur utilisation sécuritaire. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre la toxicité des NPs métalliques. Le premier objectif visait à évaluer les effets des NPs de CuO sur la photosynthèse à l'aide de bioindicateurs basés sur la fluorescence chlorophylienne. Les NPs de CuO encapsulées dans un polymère, modèle des NPs pouvant être libérées des peintures antisalissures, induisent une inhibition de la photosynthèse du macrophyte aquatique Lemna gibba. L'imagerie de fluorescence chlorophyllienne est montrée comme une approche utile pour évaluer la toxicité des NPs. De plus, en utilisant deux approches complémentaires de fluorescence chlorophyllienne, le cuivre ionique et les NPs de CuO ont montré des effets similaires sur l'activité photosynthétique. La solubilisation des NPs de CuO est donc proposée comme principal mécanisme d'action des NPs de CuO sur la photosynthèse. Le deuxième objectif consistait à déterminer comment l'encapsulation dans un polymère modifie la toxicité des NPs. La toxicité de NPs de CuO nues ou encapsulées a été évaluée chez l'algue Chlamydomonas reinhardtii. L'encapsulation augmente la toxicité des NPs encapsulées en augmentant leur pénétration dans la cellule, ce qui indique que la toxicité des NPs de CuO est associée à des interactions intracellulaires. Les mécanismes cellulaires d'action des NPs ont été étudiés chez L. gibba en évaluant la toxicité en relation avec l'accumulation de cuivre dans l'organisme. Cette relation indique que les NPs de CuO nues et encapsulées n'ont pas le même mode d'action au niveau cellulaire. La modification des propriétés de surface des NPs par l'encapsulation modifie le mécanisme d'action cellulaire en augmentant la formation d'espèces réactives de l'oxygène. Les NPs métalliques peuvent donc avoir des mécanismes d'action différents selon leurs propriétés physico-chimiques. Le dernier objectif était de caractériser la toxicité des NPs métalliques chez différents modèles biologiques. Pour les NPs d'or stabilisées par un dendrimère poly(amidoamine) (PAMAM), la toxicité était liée au changement des propriétés physico-chimiques des NPs dans le milieu. Ces NPs étaient toxiques pour l'algue C. reinhardtii et la bactérie Vibrio fischeri alors que les cellules animales Neuro-2A et Vero n'étaient pas affectées. La différence de sensibilité était liée à l'altération des propriétés des NPs dans le milieu, soulignant ainsi le besoin de caractériser les NPs dans le milieu utilisé pour évaluer la toxicité. Pour les NPs de CuO, la toxicité a été étudiée en conditions in vitro chez la lignée cellulaire Neuro-2A. Les NPs de CuO ont montré des effets cytotoxiques et génotoxiques sur ces cellules. La formation de micronoyaux était l'indicateur de toxicité le plus sensible, ce qui montre que la génotoxicité est un aspect important de la toxicité des NPs de CuO. Cette thèse permet de conclure que l'évaluation du risque toxicologique des NPs métalliques doit être réalisée en considération du changement de leurs propriétés physicochimiques selon le milieu utilisé et les modifications apportés aux NPs. La compréhension des liens entre les propriétés des NPs et leur toxicité peut permettre une utilisation plus sécuritaire des nanomatériaux dans les applications issues de la nanotechnologie. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : nanotoxicologie, génotoxicité, photosynthèse, fluorescence chlorophyllienne.

Le dioxyde de titane (TiO2) compte parmi les nanoparticules (NP) les plus produites dans le monde. Ce constat soulève la question de sa toxicité, en particulier par inhalation, voie d'exposition la plus probable en milieu professionnel. Il a été montré précédemment in vitro que ces NP induisent des dommages à l'ADN et réduisent l'activité de réparation de l'ADN. L'objectif est ici d'étudier les mécanismes de toxicité sous-jacents à l'aide de cellules épithéliales alvéolaires humaines A549 exposées à 1-100 µg/mL de NP de TiO2 pendant 4-48 h. L'expression de 40 gènes et de 6 protéines de réparation de l'ADN a été étudiée par RT-qPCR et western-blot. L'impact des NP de TiO2 sur des régulateurs amont comme la méthylation des promoteurs de certains de ces gènes, l'activité du protéasome et la signalisation cellulaire par phosphorylation a également été investigué. De plus les profils de cyto-/géno-toxicité et d'expression des gènes de réparation de l'ADN ont été comparés avec ceux des cellules épithéliales bronchiques BEAS-2B. Les résultats montrent une répression globale des gènes et des protéines dans l'ensemble des voies de réparation de l'ADN. Cette répression pourrait être due en partie à la répression de régulateurs transcriptionnels et à l'augmentation de la méthylation de certains promoteurs et de l'activité caspase du protéasome. Les NP de TiO2 engendrent par ailleurs une perturbation du phosphoprotéome. Invisible à l'échelle du phosphoprotéome entier, celle-ci impacte de nombreuses protéines impliquées dans divers processus cellulaires, reflétant les effets toxiques connus de ces NP. On note en particulier un impact sur le cycle cellulaire, mais pas sur la prolifération, ainsi que la dérégulation du niveau de phosphorylation de quelques protéines liées à la réparation de l'ADN. Enfin on relève des profils de cyto-/géno-toxicité et d'expression des gènes de réparation de l'ADN similaires dans les cellules A549 et BEAS-2B, ce qui renforce la pertinence de ces modèles dans le cadre de l'étude de la génotoxicité des nanomatériaux. Dans l'ensemble, ces données apportent de nouvelles pistes d'explication des mécanismes de toxicité des NP de TiO2, qui pourraient notamment expliquer la chute précédemment observée des capacités cellulaires de réparation de l'ADN. / Titanium dioxide (TiO2) belongs to the top nanoparticles (NPs) most produced worldwide. This raises the question of their impact on human health, especially through inhalation, which is the main exposure route in occupational settings. It was previously shown in vitro that these NPs induce DNA damage and impair DNA repair activity. The aim here is to study the underlying toxicity mechanisms, in human A549 epithelial alveolar cells exposed to 1-100 µg/ml TiO2 NPs during 4-48 h. The expression of 40 genes and 6 proteins involved in DNA repair was investigated by RT-qPCR and western-blotting. The impact of TiO2 NPs on upstream regulators such as the methylation rate of some corresponding gene promoters, proteasome activity and cellular signaling through phosphorylation was assayed as well. Moreover cyto-/geno-toxicity and DNA repair gene expression patterns were compared with those of BEAS-2B bronchial epithelial cells. Results show a global down-regulation of genes and proteins in all DNA repair pathways. This could be partly explained by the down-regulation of transcriptional regulators and increased gene promoter methylation and caspase-like proteasome activity. TiO2 NPs also scramble the phosphoproteome. While invisible on a global scale, this dysregulation affects numerous proteins involved in diverse cellular processes, which reflect the toxicity pathways reported for these NPs. Although cell proliferation is unaffected, a significant impact is observed on cell cycle, as well as on a few proteins involved in DNA repair. Finally cyto-/geno-toxicity and DNA repair gene expression profiles are similar in both A549 and BEAS-2B cells, thereby strengthening the relevance of using any of these cell lines in nanomaterial genotoxicity studies. On the whole these data bring novel insights into TiO2-NP toxicity mechanisms, which could especially explain the previously observed impairment of DNA repair activity.

Les nanoparticules (NP) figurent aux premiers rangs des contaminants émergents prioritaires dans le champ de surveillance des grands organismes de santé et sécurité du travail. Parmi les NP les plus utilisées, on peut citer les NP d’argent (Ag). L’exposition humaine aux NP d’Ag augmente alors inévitablement avec l’accroissement de leur production et leur utilisation généralisée ce qui suscite des préoccupations sur les risques à la santé. L'objectif du projet est de mieux documenter le devenir des NP d’Ag dans l’organisme, à partir d’études expérimentales chez l’animal exposé sous différentes conditions par inhalation, la principale voie d’exposition des travailleurs. Ces informations sont nécessaires pour le développement sécuritaire de ces nouvelles technologies. Dans un premier temps, le profil toxicocinétique des NP d’Ag inhalées a été documenté. Les rats ont été exposés « nez seulement » à des NP de 20 nm pendant 6 h à une concentration cible de 15 mg/m3. L'évolution temporelle de l'élément Ag dans les poumons, le sang, les tissus et les excrétas a été déterminée pendant 14 jours après le début de l'inhalation. La cinétique des NP d’Ag inhalées a été ensuite comparée avec la cinétique d’une forme soluble de l’élément Ag suite à l’exposition au nitrate d’argent (AgNO3) dans de mêmes conditions expérimentales pour mieux comprendre leur comportement, principalement, en raison de leur dissolution et leur capacité à libérer progressivement des ions Ag+ en milieu biologique. Ainsi, dans un dernier temps, dans le but de déterminer la meilleure métrique à utiliser pour mieux évaluer les risques associés à ces NP d’Ag, nous avons étudié l’impact de la cinétique entre un nombre plus faible et un nombre plus élevé de particules. Les profils cinétiques des NP d’Ag inhalées ont montré que la fraction de la dose inhalée qui a atteint les poumons est rapidement éliminée au cours des 72 premières heures suivant l'inhalation, puis la fraction restante de la dose est lentement éliminée par la suite. La dose inhalée éliminée des poumons semble être transférée dans la circulation systémique et atteint un maximum entre 48 et 72 h après l'inhalation. Cependant, les niveaux d'Ag dans le sang étaient faibles, ce qui suggère une biodistribution rapide dans les tissus tels que le foie, l’organe cible des NP d’Ag chez le rat après inhalation. Une translocation vers le bulbe olfactif et les ganglions lymphatiques était évidente durant l'exposition par inhalation de 6 h jusqu'à 6 h après la fin de l'exposition, démontrant l’occurrence d’un transport direct des NP d’Ag via le nerf nasal par le transport axonal et via la circulation lymphatique après la clairance pulmonaire, respectivement. Les profils d'excrétion ont également révélé que l'excrétion fécale est la voie d'excrétion dominante pour les NP d’Ag. Les résultats obtenus après l'inhalation d'AgNO3 ont montré des différences dans la cinétique de l’Ag sous la forme soluble par rapport à la forme insoluble (nanoparticulaire) avec des niveaux plus élevés dans le sang, le tractus GI et les tissus extrapulmonaires, mais des niveaux plus faibles dans les poumons. En plus de ces observations, l'évolution temporelle de l’Ag dans le tube digestif et les fèces après l'exposition à la forme soluble était associée à une réabsorption intestinale de l'Ag. Une fraction plus élevée de la dose a été également récupérée dans les reins et l'urine pour les formes solubles d’Ag; en effet, la filtration glomérulaire des agrégats de NP d’Ag peut être limitée alors que le cation monovalent dissous peut plus facilement passer dans le filtrat du sang. Notre étude a également révélé des différences significatives dans les profils temporels de l'Ag dans les poumons, le sang, les ganglions lymphatiques et le tractus gastro-intestinal entre les rats exposés à des aérosols de NP d'Ag avec un nombre faible et un nombre élevé de particules, mais dont la concentration massique est identique. Certaines similitudes entre les deux conditions ont également été notées, telles que la distribution tissulaire relative, le temps jusqu'aux niveaux de pointe (Tmax) et les profils d'excrétion. Cependant, pour confirmer si le modèle de biodistribution des NPs d'Ag est conditionné par le nombre de particules, des investigations supplémentaires sont nécessaires. / Nanoparticles (NPs) are among the top priority emerging contaminants in the monitoring field of the major occupational health and safety organizations. Among the most widely used nanoparticles, we can cite silver nanoparticles (Ag). Human exposure to Ag NPs inevitably increases with the increase in their production and their widespread use which raises concerns about the health risks. The objective of the project is to better document the fate of Ag nanoparticles in the body, based on experimental studies in animals exposed under different conditions by inhalation, the main route of exposure for workers. This information is necessary for the safe development of these new technologies. First, the toxicokinetic profile of inhaled Ag NPs was documented. Rats were exposed "nose only" to 20 nm NPs for 6 h at a target concentration of 15 mg/m3. The temporal evolution of the Ag element in the lungs, blood, tissues and excreta was determined for 14 days after the start of inhalation. Thus, to better understand their behavior, mainly because of their dissolution and their capacity to progressively release Ag+ ions in the biological medium, the kinetics of inhaled Ag NPs were compared with the kinetics of a soluble form of the element Ag following exposure to silver nitrate (AgNO3) under the same experimental conditions. Thus, as a last step, in order to determine the best metric to use to better assess the risks associated with these Ag NPs, we studied their kinetic from inhalation studies by comparing the effect of a lower -number with a higher- number of particles. The kinetic profiles of inhaled Ag nanoparticles showed that the fraction of the inhaled dose that reached the lungs is rapidly eliminated during the first 72 hours after inhalation, and the remaining fraction of the dose is slowly eliminated thereafter. The inhaled dose cleared from the lungs appears to be transferred to the systemic circulation and reaches a maximum between 48 and 72 hours after inhalation. However, Ag levels in the blood were low, suggesting rapid biodistribution to tissues such as the liver, the target organ of Ag nanoparticles in rats after inhalation. A translocation of Ag NPs in olfactory bulbs and lymph nodes was apparent, demonstrating the occurrence of direct transport of Ag NPs through nasal nerve by axonal transport and via lymphatic circulation after lung clearance, respectively. The excretion profiles also revealed that fecal excretion is the dominant excretion route for Ag nanoparticles. The results obtained after inhalation of AgNO3 showed differences in the kinetics of soluble AgNO3 compared to insoluble Ag NPs, with higher levels in blood, GI tract and extrapulmonary tissues, but lower levels in lungs. In addition to these observations, the time courses of Ag elements in the GI tract and feces following ionic form exposure were compatible with an intestinal reabsorption of Ag. A higher fraction of the dose was further recovered in kidneys and urine after AgNO3 inhalation compared to Ag NP inhalation. Indeed, filtration of Ag NP aggregates may be restricted while the dissolved Ag+ monovalent ion can more easily pass into the filtrate from blood. Our study also revealed significant differences in the time profiles of Ag element in lungs, blood, lymphatic nodes and GI tract between rats exposed to Ag NPs aerosols of lower- and higher-total particle number counts, but with the same mass concentration. Some similarities between the two conditions were also noted, such as the relative tissue distribution, time-to-peak levels (Tmax) and excretion profiles. However, to confirm if the biodistribution pattern of Ag NPs is conditioned by the particle number, further investigations are needed.