Nanoparticules de manganite de lanthane-strontium : toxicité sur cellules épithéliales des voies respiratoires et impact sur la sécrétion de mucus

Résumé

La recherche sur la toxicité des nanoparticules s'est intensifiée à mesure que ces matériaux deviennent omniprésents dans les produits quotidiens. Certaines nanoparticules peuvent stimuler la sécrétion de mucus, potentiellement nuisant à l'intégrité des voies respiratoires. La manganite de lanthane-strontium (LSM) est une nanoparticule pérovskite largement utilisée dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en raison de sa haute conductivité électrique, de son activité électrochimique robuste pour la réaction de réduction de l'O₂, de sa stabilité thermique et de sa performance à long terme. Cependant, peu de données existent sur les effets biologiques du LSM. Dans cette étude, des cellules épithéliales trachéales primaires ont été exposées à des concentrations de LSM jusqu'à 500 µg mL⁻¹. Les résultats indiquaient seulement des effets modérés sur la viabilité cellulaire, la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), la libération de cytochrome C et l'expression de caspase-3. Bien que les marqueurs d'apoptose restent largement inchangés, le LSM inhibait significativement la sécrétion de mucus de manière dose-dépendante. Ainsi, bien que le LSM montre une faible cytotoxicité envers les cellules des voies respiratoires, sa capacité à réduire la production de mucus pourrait compromettre le nettoyage des voies respiratoires.

Introduction

La manganite de lanthane-strontium (LSM) possède une structure cristalline pérovskite de formule générale La₁₋ₓSrₓMnO₃, où x reflète le niveau de dopage au strontium. Ce matériau peut être traité en poudre pour le coulée de bande, la projection air/thermique/plasma, et les applications de piles à combustible. La haute surface spécifique et la performance électrochimique du LSM en font un candidat d'électrode majeur pour les SOFC, qui sont centrales pour l'économie d'hydrogène émergente. Malgré des études approfondies sur les propriétés mécaniques et électriques du LSM, ses interactions biologiques restent sous-explorées. De nombreuses nanoparticules sont connues pour augmenter la sécrétion de mucus et contribuer aux troubles respiratoires. Des preuves émergentes suggèrent que le LSM pourrait également servir de vecteur de médicament ou d'agent de contraste d'imagerie, mais sa toxicité potentielle doit être clarifiée avant tout déploiement biomédical. Cette investigation évalue le profil cytotoxique du LSM dans des cellules épithéliales trachéales primaires, évaluant la génération de ROS, l'intégrité mitochondriale, l'apoptose et la sécrétion de mucus.

Résultats et Discussions

Caractérisation des Nanoparticules et Viabilité Cellulaire

La morphologie de surface a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les nanoparticules LSM présentaient une surface grossière et s'aggloméraient en amas allant de ~35 nm à >200 nm (Fig. 1). La viabilité cellulaire a été mesurée par le test CCK-8. La viabilité diminuait fortement entre 50 et 100 µg mL⁻¹ mais se stabilisait ensuite, restant stable à des concentrations plus élevées (Fig. 2).

Production de ROS et Libération de Mucine

Les niveaux de ROS étaient quantifiés par fluorescence CM-H₂DCFDA. L'augmentation de la concentration en LSM n'élevait pas significativement les ROS ; le point à 250 µg mL⁻¹ montrait la plus grande déviation, mais restait statistiquement non significatif (Fig. 3). La sécrétion de mucine, mesurée par dosage enzymatique lié à la lectine (ELLA), diminuait progressivement avec des doses plus élevées de LSM, chutant à ~40 % du témoin à 500 µg mL⁻¹ (Fig. 4).

Intégrité Mitochondriale et Apoptose

La coloration JC-1 révélait une dépolarisation mitochondriale à des concentrations ≥100 µg mL⁻¹ (Fig. 5). Malgré cela, la libération de cytochrome C et l'activation de la caspase-3 ne montraient que des réductions modestes, indiquant une induction limitée de l'apoptose (Fig. 6).

Conclusions

Cette première évaluation de la toxicité du LSM dans des cellules épithéliales des voies respiratoires démontre une cytotoxicité et une apoptose négligeables, mais une inhibition prononcée de la sécrétion de mucus. Bien que la génération de ROS et les dommages mitochondriaux étaient minimes, la libération réduite de mucus peut altérer le nettoyage des voies respiratoires et justifie une évaluation prudente pour de futures applications dans les domaines de l'énergie et du biomédical.

Matériaux et Méthodes

Culture de Cellules Primaires Trachéales

Des cellules épithéliales trachéales primaires bovines étaient isolées selon des protocoles établies, cultivées en milieu sans sérum (SFM) supplémenté avec EGF 1–53 et extrait pituitaire bovin (BPE), et maintenues sur des plaques enduites de collagène à 37 °C, 5 % CO₂. La densité cellulaire était surveillée par exclusion au bleu de trypan.

Préparation des Cellules et Test de Viabilité

Les cellules étaient ensemencées dans des plaques 96 puits enduites de collagène (5 × 10⁴ cellules/puits) pour les tests de viabilité et dans des plaques 4 puits (5 × 10⁵ cellules/puits) pour les études de calcium, ROS et mitochondriales. Après 24 h d'incubation, les milieux étaient remplacés par PBS, puis par des suspensions de LSM. La viabilité cellulaire était quantifiée par le test CCK-8 (conversion WST-8 en formazan) et exprimée en pourcentage du témoin non traité.

Nanoparticules de Manganite de Lanthane-Strontium

LSM (La₀.₁₅Sr₀.₈₅MnO₃, 35 nm, 99,5 %) était soniqué et testé à 500, 250, 100 et 50 µg mL⁻¹. Les concentrations étaient choisies pour correspondre aux expositions typiques aux nanoparticules TiO₂ rapportées dans la littérature.

Microscopie Électronique à Balayage

Les particules étaient déposées sur wafers de silicium, séchées à l'air, et imagées avec un MEB Zeiss Gemini pour confirmer la distribution de taille.

Test des Espèces Réactives de l'Oxygène

La production de ROS était évaluée par fluorescence CM-H₂DCFDA après 15 min d'exposition au LSM. L'intensité de fluorescence était comparée aux témoins non traités.

Mesure des Dommages Mitochondriaux

Le colorant JC-1 était utilisé pour évaluer le potentiel de membrane mitochondriale ; les rapports de fluorescence rouge/verte étaient mesurés par microscopie de fluorescence à intervalles de 10 min.

Sécrétion de Mucine et ELLA

Après 15 min d'exposition au LSM, les surnageants étaient collectés, centrifugés, et dosés pour la mucine via ELLA utilisant WGA-HRP et substrat TMB. L'absorbance était lue à 450 nm.

Tests des Marqueurs d'Apoptose

Les lysats cellulaires étaient préparés avec tampon RIPA et sondés pour le cytochrome C et la caspase-3 active utilisant des protocoles ELISA. Des anticorps secondaires conjugués HRP facilitaient la détection.

Analyse Statistique

Les données sont présentées comme moyenne ± ET d'au moins trois expériences indépendantes. L'ANOVA à un facteur déterminait la significativité (p < 0,05).

Abréviations

BPE

Extrait pituitaire bovin

ELISA

Immunodosage enzymatique

LSM

Manganite de lanthane-strontium

ROS

Espèces réactives de l'oxygène

SFM

Milieu sans sérum

SOFCs

Piles à combustible à oxyde solide