Les nanoparticules (NPs) représentent un danger potentiel pour la santé des travailleurs et du grand public, notamment en cas d’exposition par voie respiratoire. Si une NP est évaluée in vivo comme toxique chez l’animal, cela peut inciter à prendre des mesures pour réduire l’exposition de l’Homme à celle-ci, avant qu’il y ait des conséquences sanitaires graves. Les études in vivo sont donc d’une importance capitale afin de diminuer les potentiels risques sanitaires des NPs pour l’Homme. Néanmoins, dans un contexte de réduction du nombre d’animaux utilisés et compte tenu du nombre important de NPs existantes et de leur grande diversité physico-chimique, la toxicologie a besoin de modèles alternatifs, comme le in vitro, permettant de prédire de manière fiable les potentiels effets pulmonaires chez l’Homme. Des progrès importants ont été faits pour développer des modèles in vitro pulmonaires plus physiologiques et des méthodes d’exposition permettant de simuler l’inhalation de NPs in vitro. Cependant, des incertitudes existent quant à la capacité de ces nouveaux modèles in vitro à prédire les réponses observées in vivo dans les poumons après exposition à des NPs. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été d’évaluer la capacité de plusieurs méthodes in vitro, de complexité différente, à prédire les effets toxiques observés in vivo chez le rat après exposition aiguë (24h) pulmonaire à des NPs métalliques faiblement solubles de TiO2 et de CeO2. Dans un premier temps, des expérimentations in vitro ont été effectuées afin d’évaluer si exposer des cellules alvéolaires à l’interface air-liquide (ALI) à des aérosols de NPs de TiO2 et de CeO2, générait des résultats différents par rapport à des expositions classiques à des suspensions en submergé. Dans un second temps, des expérimentations in vivo par aspiration intratrachéale ont été réalisées afin de comparer les réponses toxiques pulmonaires in vitro avec celles obtenues in vivo. Pour comparer les réponses pulmonaires in vivo et in vitro, des référentiels de dose similaires, notamment la masse par unité de surface ou par macrophage, ont été utilisés. Après 24h d’exposition, des réponses biologiques significatives (inflammation principalement) ont été observées in vitro à des doses inférieures à l’ALI par rapport au submergé. Nous avons par ailleurs souligné la nécessité de prendre en compte les doses réellement déposées sur les cellules ainsi que le débit de dose pour effectuer les comparaisons entre les deux méthodes d’exposition in vitro utilisées. Nous avons ensuite comparé les résultats in vitro avec ceux obtenus in vivo. Nous avons constaté que la méthode ALI générait des résultats plus prédictifs du in vivo, en termes de niveau d’activation des réponses toxiques à 24h. Finalement, nous avons établi un classement des quatre NPs utilisées dans notre étude et celles-ci ont été classées similairement in vivo et in vitro et quelle que soit la méthode utilisée in vitro. Nous avons par ailleurs montré l’importance de considérer la surface active des NPs pour établir ce classement. En conclusion, notre approche nous a permis de mieux évaluer le fossé existant entre le in vivo et le in vitro. Nos résultats soulignent l’intérêt d’utiliser des méthodes in vitro plus réalistes et plus proches de la physiologie humaine dans le but de modéliser les potentiels effets indésirables des NPs pour l’Homme. Cela ouvre des perspectives quant à l’utilisation et au développement de méthodologies in vitro de plus en plus représentatives des conditions d’exposition in vivo. / Nanoparticles (NPs) represent a potential danger for workers and public, especially after inhalation. When a NP is shown toxic for the lungs in vivo in animals, this can incite regulators to implement measures to reduce human exposure risks. The in vivo studies are thus of utmost importance in reducing the potential health risks for humans. However, in a context of a diminution in the number of animals used in experimentations and considering the high number of NPs used and their physicochemical diversity, there is an urgent need for alternative methods, like the in vitro, which could be used to predict the potential health effects of NPs in human. Many progresses have been made recently to develop more physiological cell models and exposure methods simulating the inhalation of NPs in vitro. Nevertheless, uncertainties remain regarding the capacity of these new in vitro methods to predict the biological responses observed in vivo into the lungs after exposure to NPs. In this context, the aim of our study was to assess the ability of several in vitro methods, differing in complexity, to predict the adverse responses observed in vivo in rat lungs after acute exposure (24h) to several metallic and poorly soluble TiO2 and CeO2 NPs. For this, in vitro experimentations were first performed to assess if exposing alveolar cells in monoculture or in co-culture at the ALI interface to aerosols of NPs, generated different results compared to classic exposure in submerged conditions to suspensions. In a second step, rats were exposed by intratracheal aspiration of NP suspensions to compare the biological responses in vitro to those obtained in vivo. To compare the pulmonary responses in vivo and in vitro, similar dose metrics were selected, including the mass per surface unit or per macrophage. After 24h of exposure, significant biological responses (mostly inflammation) were observed at lower doses at the ALI compared to in submerged conditions. Moreover, we highlighted the necessity to take into account the deposited dose on the cells and the timing of the dose delivery in order to compare the two exposure methods used in vitro. When we compared the responses in vitro to those observed in vivo, we noticed that the ALI methods generated more predictive results than the submerged one, in term of biological activation levels after 24h of exposure. Finally, a ranking of the four NPs used in our study was provided and the NPs were ranked similarly both in vivo and in vitro and whatever the exposure method used in vitro. We also showed the importance of the surface area when ranking the poorly soluble NPs. In conclusion, the gap existing between the in vivo and the in vitro has been evaluated in our study. Our results highlighted the relevance of using more realistic in vitro exposure methods to model the potential adverse effects of NPs for human. This brings perspectives about using and developing in vitro methods mimicking more closely the in vivo exposure conditions.

Dans un solvant aqueux, la caséine beta est composée des monomères hydrophiles et hydrophobes et forme des structures micellaires sphériques, dont à partir nous pourrions extraire les caractéristiques principales, exemples la taille et les interactions entre agrégats. Les expériences précédentes ont montré qu'en présence dans la solution d'un agent dénaturant, comme le chlorure de guanidinium (GdmCl), la caséine beta passe d'un état micellaire vers un état de monomère. En présence de 3 et 4M de GdmCl, nous avons remarqué une légère différence entre les valeurs de c/I(0,c) cela traduit par le fait que les solutions de caséine beta ne présentent pas le même contraste. Donc lorsque la concentration du GdmCl augmente le contraste augmente et vise versa. La mesure du second coefficient du viriel nous a permis d'estimer les interactions intermoléculaires lorsque la protéine est dénaturée par une forte concentration de GdmCl. A fortes concentrations de GdmCl les interactions sont répulsives et que les effets de concentrations ne peuvent pas être négligés. Or nous avons remarqué encore que le second coefficients de viriel est très faible et la valeur obtenue ne prouve pas l'aspect d'un état d'une protéine dépliée, mais peut être c'est un état intermédiaire entre un régime où la caséine beta est considérée comme une chaîne gaussiènne et un autre régime où elle est considérée comme une chaîne à volume exclu. La détermination du préfacteur P et de l'exposant alpha permet encore de connaître la nature des interactions. Les valeurs obtenues montrent que la caséine beta en présence de 3M de chlorure de guanidinium se comporte comme un polymère à volume exclu. Donc à partir de ce résultat on peut confirmer l'existence des répulsions à longue distance à l'intérieure de la chaîne polypeptide, interdisent le contact entre les segments d'acides aminés. Nous avons remarqué une contradiction en comparant ce dernier résultat à celui obtenu par l'étude de A2. En fait dans la seconde étude la gamme des q, (3 < qRg < 2 Rg/b) est faible et on ne peut pas confirmer l'état de la protéine si elle est considérée comme une chaîne guaussienne ou à volume exclu. 116 La détermination de L et b met en évidence l'existence de structures résiduelles le long de la chaîne dénaturée. Mais le problème qui se pose, c'est que le modèle de Pedersen et. al n'est pas bien applicable pour la faible zone de q (qb < 3.1). L'effet de concentrations joue un rôle très important. La caséine beta en présence d'une forte concentration de chlorure de guanidinium a un rayon de giration guaussien presque égale au rayon de giration à concentration nulle. Ce résultat prouve que la protéine n'est pas dans état totalement déplié et confirme nos résultats obtenus par l'étude du second coefficient de viriel. 4M de chlorure de guanidinium ne change pas la qualité du solvant. Mais, désormais augmente de façon significative la CMC. Toujours, cette étude prouve que la physique des polymères et l'étude des protéines sont deux aspects complémentaires. Nous avons vu par une approche plutôt simple, une description de la structure des agrégats d'une protéine spécifique. Le modèle de copolymère a pu décrire la caséine beta. Les études expérimentales de la caséine beta, proche d'une interface air / liquide, qui seront présentées plus loin, indiquent également des similitudes avec l'approche théorique..87 L'effet du GdmCl sur l'adsorption de la caséine beta a été étudié par des mesures de la structure et des propriétés de surface des couches formées à l'interface air/tampon. Les mesures de réflectivité des neutrons ont montré que la quantité de protéine adsorbée diminue quand la concentration en GdmCl augmente. Ceci était prévisible du fait que le GdmCl est un agent qui dénature et augmente la solubilité des protéines. Une élévation de la température augmente la concentration de surface totale de la protéine. L'effet hydrophobe semble donc impliqué dans l'énergie d'adsorption. Aux concentrations volumiques élevées de la solution protéique, l'interprétation des résultats laisse à penser qu'une partie de la protéine adsorbée se trouve dans l'air. Ce phénomène a déjà été observé à partir de résultats obtenus par réflectivité des rayons X dans le cas de la caséine beta et par réflectivité des neutrons dans le cas de copolymères multiblocs synthétiques. Il semble donc que l'existence d'une partie de la molécule dans l'air devrait être prise en considération dans tout modèle d'adsorption de copolymères multiblocs à l'interface gaz/liquide. Les propriétés de surface des couches d'adsorption de caséine ont été interprétées à partir du modèle thermodynamique d'un polymère multibloc asymétrique..87 Ainsi, l'effet de la concentration en GdmCl est de changer la conformation des blocs bidimentionnels à partir 117 d'une structure à deux dimensions modérément écroulée vers une structure de chaîne 2 D à volume exclu. Ce changement de structure correspond à la rupture de liaisons non covalentes entre les monomères des blocs bidimentionnels, comme on peut l'attendre des propriétés du GdmCl. Une augmentation de la température semble rompre également des liaisons non covalentes et mène à un gonflement des molécules adsorbées. Ainsi, la conformation des molécules adsorbées dépend fortement d'interactions non covalentes qui ne semblent pas uniquement de nature hydrophobe. Finalement, on peut conclure que de nombreuses liaisons non covalentes contribuent à la structure des blocs solvophobes de la caséine-beta lorsque cette protéine est adsorbée à l'interface tampon/air à partir d'un milieu non dénaturant. La présence d'un concentration suffisante de dénaturant semble rompre ces intéractions et induire des comportements de polymère à volume exclu.