Élimination des nanoparticules métalliques par les cellules caliciformes : une voie in vivo accélérée par la diarrhée induite par des herbes chinoises

Résumé

Malgré l'utilisation extensive des nanoparticules métalliques en médecine, leur élimination in vivo reste mal comprise. Dans cette étude, nous démontrons que les cellules caliciformes (CC) intestinales et les cellules pariétales (CP) gastriques transportent activement une gamme de nanoparticules métalliques — nanoplats triangulaires d'argent, nanoparticules magnétiques, nanobâtonnets d'or et nanoclusters d'or — vers la lumière intestinale, où elles sont excrétées dans les fèces. En utilisant un modèle murin avec ligature du canal cholédoque commun (CCC) pour bloquer la voie hépatobiliaire, nous avons montré que ces nanoparticules s'accumulent à l'intérieur des CC tout au long du tractus intestinal et, pour les nanoplats d'argent et les nanobâtonnets d'or, à l'intérieur des CP. Aucune modification pathologique n'a été observée dans les tissus intestinaux. De plus, le taux de sécrétion des nanoparticules depuis les CC et les CP était nettement accru dans un modèle de diarrhée induit par un extrait d'herbes chinoises, suggérant un effet modulateur de la motilité gastro-intestinale sur l'excrétion des nanoparticules. Ces découvertes révèlent une voie d'élimination jusqu'alors méconnue qui pourrait orienter la conception plus sûre de thérapeutiques et diagnostics à base de nanoparticules.

Introduction

La nanotechnologie s'est rapidement étendue aux produits pharmaceutiques, au diagnostic et aux applications industrielles, mais les risques sanitaires et environnementaux des nanostructures conçues restent incomplètement définis. La nanotoxicologie, domaine multidisciplinaire, cherche à cartographier les interactions entre nanoparticules et systèmes biologiques, évaluer les dangers potentiels et établir des directives de sécurité [1–3]. Les nanoparticules métalliques — or, argent, magnétiques et points quantiques — suscitent un intérêt particulier en raison de leurs propriétés optiques, magnétiques et catalytiques, permettant imagerie ciblée, thérapie photothermique et administration de médicaments [4–10]. Cependant, les mêmes caractéristiques physicochimiques qui confèrent à ces matériaux leur fonctionnalité entravent également leur biodégradation et leur élimination ; la plupart des particules de plus de ~5 nm échappent à la filtration rénale, tandis que les assemblages plus grands sont séquestrés dans le foie, la rate ou le tissu pulmonaire [11–12]. Par conséquent, comprendre comment l'organisme élimine ces particules est crucial pour la sécurité thérapeutique et l'évaluation des risques.

Les connaissances actuelles sur les voies d'élimination in vivo sont fragmentées. Le système hépatobiliaire (SHB) achemine les particules non dégradables par le rein vers les fèces, tandis que la voie rein-urine gère les espèces de moins de 5 nm [16,21,22]. Pourtant, les deux voies présentent une efficacité limitée pour de nombreuses nanoparticules métalliques, incitant à l'investigation de mécanismes alternatifs. Des études récentes suggèrent que la paroi intestinale peut servir de voie d'excrétion : des nanoparticules de silice s'accumulent dans la muqueuse intestinale et les fèces chez la souris, tandis que des particules plus grosses (jusqu'à 500 nm) s'éliminent plus rapidement que les plus petites chez le poisson, indiquant que le SHB n'est pas la seule voie [20,23].

Les cellules caliciformes (CC) intestinales sont des cellules épithéliales polarisées sécrétant du mucus, qui tapissent tout l'intestin et protègent contre les agressions mécaniques et chimiques [24–26]. Des travaux antérieurs ont montré que les CC peuvent internaliser des nanoparticules et que des particules injectées par voie intraveineuse peuvent être retrouvées dans les CC, mais la dynamique et l'ampleur de ce processus restent inexplorées [27–28]. Cette étude vise à élucider le rôle des CC — et, dans une moindre mesure, des cellules pariétales (CP) gastriques — dans l'excrétion d'un ensemble représentatif de nanoparticules métalliques, et à évaluer comment la motilité gastro-intestinale, modulée par un modèle de diarrhée induite par des herbes chinoises, influence cette voie.

Matériaux et méthodes

Synthèse et caractérisation des nanoplats triangulaires d'argent

Les nanoplats triangulaires d'argent ont été synthétisés selon le protocole de Mirkin et al. avec des ajustements mineurs [29,30]. En bref, AgNO₃ (0,1 mM, 100 mL), citrate de trisodium (30 mM, 6 mL), PVP (30 kDa, 0,7 mM, 6 mL) et 240 µL H₂O₂ (30 % p/p) ont été mélangés à température ambiante. Après agitation vigoureuse, 0,8 mL de NaBH₄ 0,1 M fraîchement préparé a été ajouté rapidement, donnant une solution jaune qui est devenue bleue en 5 h sous exposition à la lumière. La suspension finale a été stockée à 4 °C.

Les spectres UV-vis ont été enregistrés (200–950 nm, fente 2 nm) sur un Shimadzu UV-3600. L'imagerie TEM (JEOL JEM-200CX) a confirmé des particules triangulaires monodisperses avec une longueur de bord moyenne de 44,3 nm (Fig. 1b). Le pic de plasmon caractéristique à 648,5 nm indiquait une synthèse réussie de la morphologie triangulaire [36].

Préparation des modèles animaux avec ligature du canal cholédoque commun

Des rats Wistar femelles (180–220 g) et des souris Kunming (20–22 g) ont été obtenus de Shanghai SLAC Laboratory Animal Co. Ltd. Toutes les procédures ont été approuvées par le Comité d'éthique pour l'expérimentation animale de l'Université Jiao Tong de Shanghai (No.SYXK2007-0025). Le canal cholédoque commun (CCC) a été ligaturé selon la méthode de Lee avec des modifications mineures [34]. Les souris ont été anesthésiées au pentobarbital (25 mg kg⁻¹), une incision médio-abdominale a été réalisée, et le CCC a été exposé. Deux sutures en nylon de 0,2 mm ont été placées sous le canal, créant un segment scellé qui a ensuite été sectionné. Au 14e jour post-ligature, la bilirubine sérique et l'AST ont été mesurées pour confirmer la cholestase (Fig. 2e).

Injection des nanoparticules

Après confirmation de la ligature réussie, 12 souris ont été réparties aléatoirement en quatre groupes test (nanoplats triangulaires d'argent, nanoparticules magnétiques, nanobâtonnets d'or, nanoclusters d'or) et un groupe témoin salin. Les nanoparticules étaient en suspension à 550 µg mL⁻¹ et soniquées 1 min avant injection intraveineuse (150 µL, veine caudale). Cinq souris supplémentaires sans ligature ont servi de second témoin.

Traitement des tissus et imagerie

Sept jours après l'injection, les souris ont été euthanasiées, et les tissus intestinaux et gastriques ont été prélevés. Les coupes (5 µm) ont été fixées dans du formaldéhyde 10 %, incluses en paraffine, et colorées à l'hématoxyline-éosine pour l'histologie. Pour l'analyse ultrastructurale, les tissus ont été fixés dans du glutaraldéhyde 2,5 %, déshydratés, inclus en résine époxy, et examinés par TEM haute résolution (FEI Tecnai G2 Spirit Biotwin). L'excitation bi-photonique (780 nm) a été utilisée pour visualiser les nanobâtonnets d'or dans les coupes tissulaires via un système Caliper IVIS-100.

Quantification des métaux

Les fèces ont été collectées quotidiennement pendant 7 jours, pesées, et digérées dans l'eau régale. La teneur en métal a été quantifiée par ICP-MS (Agilent 7500a). De même, les tissus intestinaux ont été digérés et analysés pour leur teneur en or afin d'évaluer la rétention.

Modèle de diarrhée induit par des herbes chinoises

Un mélange de feuille de séné (10 g), rhubarbe (2 g) et fruit de cannabis (1 g) a été bouilli dans 100 mL d'eau, filtré, et concentré à 0,3 g mL⁻¹. Les souris ont reçu 0,1 mL de cet extrait ou du salin quotidiennement pendant 7 jours par gavage oral pour induire la diarrhée.

Analyse des cellules caliciformes

Des segments intestinaux ont été inclus dans l'OCT, coupés (8 µm), et colorés au bleu d'Alcian/réactif de Schiff pour quantifier la densité des cellules caliciformes et la cavitation. Les images ont été capturées au microscope inversé.

Résultats et discussion

Synthèse et caractérisation des nanoparticules

Les nanoplats triangulaires d'argent présentaient un pic SPR fort à 648,5 nm et une distribution de taille étroite (longueur de bord moyenne 44,3 nm), confirmant une synthèse réussie (Fig. 1a–c). Les nanoparticules magnétiques (20 nm) et les nanoclusters d'or (5 nm) ont été préparés selon des protocoles établis [31–33]. Les nanobâtonnets d'or présentaient la résonance de plasmon longitudinale attendue dans le proche infrarouge.

Validation du modèle de ligature du CCC

La ligature du CCC a produit une dilatation marquée du canal et une augmentation des taux sériques de TBIL et d'AST par rapport aux témoins sham (Fig. 2d–e), confirmant l'isolement efficace de la voie hépatobiliaire et l'induction de la cholestase.

Impact histologique des nanoparticules

La coloration hématoxyline-éosine n'a révélé aucune inflammation significative ni dommage épithélial dans aucun groupe test comparé aux témoins (Fig. 3). Cela indique que les nanoparticules administrées n'ont pas compromis l'intégrité de la barrière intestinale.

Localisation des nanoparticules dans les cellules caliciformes

L'imagerie TEM a démontré que les nanoplats triangulaires d'argent étaient présents dans les CC tout au long de l'intestin grêle, de l'iléon et du côlon, souvent sous forme agrégée et dispersée (Fig. 4). Des distributions similaires ont été observées pour les nanoparticules magnétiques, les nanoclusters d'or et les nanobâtonnets d'or (Fichiers supplémentaires S4–S6). L'agrégation reflète probablement des concentrations locales élevées, tandis que la dispersion correspond à un chargement plus faible.

La quantification par ICP-MS des tissus intestinaux a confirmé que les niveaux de métaux étaient plus élevés chez les souris avec ligature du CCC que chez les témoins, alors que la teneur fécale en métal était significativement réduite dans le groupe ligaturé, soulignant la contribution des CC à l'excrétion (Fig. 8).

Mécanisme de transport vers les cellules caliciformes

Les nanoparticules ont été détectées dans les érythrocytes circulants et observées traversant la paroi vasculaire vers la lamina propria, où elles entraient dans les CC (Fig. 5). Cela suggère que la taille et la chimie de surface des particules permettent une diffusion passive à travers les membranes endothéliales vers la couche muqueuse.

Effet de la diarrhée sur l'excrétion des nanoparticules

Le modèle de diarrhée a augmenté la densité des cellules caliciformes et la proportion de cellules cavitées (Fig. 6), corrélée avec une sécrétion accélérée des nanoparticules depuis les CC. L'imagerie bi-photonique des nanobâtonnets d'or a révélé une rétention tissulaire plus faible et une teneur fécale en or plus élevée chez les souris diarrhéiques comparées aux témoins ligaturés (Fig. 7). Ces résultats démontrent que la motilité gastro-intestinale peut moduler la voie d'élimination médiée par les CC.

Sécrétion médiée par les cellules pariétales

Les nanoclusters d'or et les nanoplats d'argent ont également été détectés dans les cellules pariétales (CP) gastriques (Fig. 9). Bien que l'implication des CP semble moindre que celle des CC, ces données suggèrent que les CP pourraient fournir une voie d'excrétion additionnelle pour certains types de nanoparticules.

Conclusions

Notre étude établit une voie d'élimination in vivo jusqu'alors méconnue, médiée par les CC et les CP, pour un ensemble divers de nanoparticules métalliques. En ligaturant le CCC, nous avons isolé cette voie du SHB et démontré que les nanoparticules sont activement transportées de la circulation vers la lumière intestinale via les CC, les CP contribuant à l'excrétion gastrique. Importamment, la diarrhée induite par un extrait d'herbes chinoises accélère substantiellement ce processus, soulignant le potentiel de manipulation de la motilité gastro-intestinale pour améliorer l'élimination des nanoparticules. Ces insights ouvrent la voie à une conception plus sûre de thérapeutiques à base de nanoparticules, un suivi in vivo amélioré et des évaluations de biosécurité plus précises.

Abréviations

CCC

Canal cholédoque commun

CC

Cellules caliciformes

Nanobâtonnets d'or

Gold nanorods

SHB

Système hépatobiliaire

CP

Cellules pariétales

TEM

Microscopie électronique à transmission

ICP-MS

Spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif