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Deux images de microscopie confocale
Des cellules de poumon humain cultivées in vitro répondent au stress environnemental (vivantes et saines à gauche et exposées à un poison à droite), et changent de forme et de motifs de connexion. ©Sophie Charrasse / CNRS-ISEM, Fourni par l'auteur

Pollution chimique et effet cocktail: une piste vers des tests toxicologiques sans expérimentation animale

Voici une image où apparaissent des mitochondries en rose : ce sont les poumons et « centrales énergétiques » qui permettent aux cellules (en vert, avec leurs noyaux en bleu) de respirer, de vivre et d’assurer leurs fonctions.

Dans les cellules saines à gauche, les mitochondries sont plutôt longues et interconnectées, à l’image d’un réseau routier vu du ciel ; tandis que dans des cellules stressées et endommagées à droite, leur réseau est éclaté en une constellation de mitochondries solitaires, qui produisent moins d’énergie et finiront par précipiter les cellules dans la voie du suicide.

Ainsi, les mitochondries sont un bon baromètre de la santé de nos cellules, l’architecture de leurs réseaux allant même jusqu’à varier dans les tissus provenant d’individus malades. Grâce à l’imagerie confocale en temps réel, à l’aide notamment de robots d’imagerie à haut contenu, nous pouvons révéler en moins d’une seconde les contours d’une cellule vivante, son noyau ainsi que des « organites » uniques (les éléments d’une cellule qui assurent des fonctions spécifiques, comme les mitochondries justement), afin d’étudier les effets de différents polluants sur les cellules et leur santé.

L’imagerie rapide des mitochondries comme « lanceur d’alerte » en santé environnementale

Contamination de l’air, de l’eau, des produits alimentaires, pollution des sols, pollution sonore : mesurer l’impact des risques environnementaux sur la santé des organismes et des écosystèmes n’est pas une mince affaire.

Les images générées par les plates-formes d’imagerie sont traitées informatiquement pour livrer de précieux renseignements sur l’effet des nombreux polluants qui nous entourent.

C’est un pas en avant pour décrypter l’« exposome », une notion introduite par le britannique Christopher Paul Wild en 2005 et qui se définit comme la totalité des expositions auxquelles un individu est soumis tout au long de sa vie (de la conception à la mort).

En effet, les pollutions extérieure (air, eau, sols) et intérieure (foyer, bureau, voiture) engendrent non seulement des effets négatifs sur notre santé (avec le déclenchement de maladies chroniques) et celle des écosystèmes (qui accusent une chute sans précédent de la biodiversité et des rendements agricoles), mais également un coût socio-économique énorme.

Un décès sur six lui serait imputable chaque année, soit trois fois plus que le sida, la tuberculose et le paludisme réunis. Nous évoluons par ailleurs en permanence dans une « chimiosphère » (un mélange de substances) dont les risques sont très mal connus : épidémiologistes et toxicologues n’ont pu évaluer la toxicité que d’une fraction minime des 350 000 produits chimiques enregistrés depuis les années 1960 dans les principaux inventaires chimiques nationaux et régionaux (pour production et utilisation commerciale).

L’impact sanitaire et écologique de ces composés, qui risquent de mettre en péril l’intégrité du système Terre, reste peu caractérisé lorsqu’on les étudie séparément. Qui plus est, leurs potentiels « effets cocktails » (les effets résultant d’une exposition à plusieurs substances en même temps, qui sont parfois plus délétères qu’une exposition « simple ») ne sont quasiment jamais testés, faute de technologies ad hoc.

Comment traduire la réalité de ces expositions multiples à l’échelle des cellules d’un organisme ?

Une nouvelle génération de tests toxicologiques sans expérimentation animale

C’est à ce niveau que les mitochondries ont leur mot à dire. La fragmentation des mitochondries et du réseau mitochondrial constitue en effet un reflet précoce de leur perte de fonctionnalité et donc un marqueur du danger environnemental.

Le principe de la méthode consiste à peindre (avec des colorants vitaux) les mitochondries et autres constituants des cellules cultivées in vitro. Ces dernières sont des cellules humaines primaires, ou de lignées, de diverses origines tissulaires (peau, poumon, rein, intestin par exemple) et que l’on va exposer à des substances toxiques retrouvées dans notre environnement, par exemple des pesticides ou des particules fines. Nul besoin ici de sacrifier un animal à chaque expérience.

Grâce à un logiciel, une batterie de paramètres est calculée à partir des images de microscopie confocale : la taille des mitochondries, leur circularité et leur degré de connectivité font partie de la centaine de descripteurs possibles qui permettent de mettre en évidence l’effet délétère de substances toxiques, seules ou combinées (effet cocktail).

L’objectif est de mettre en relation des évènements moléculaires initiateurs, tels que l’exposition à ces substances chimiques, avec une nocivité ou une toxicité, à différentes échelles biologiques au niveau des cellules, tissus, organes jusqu’aux individus. Si les mitochondries connectent les toxicités et altérations s’exprimant à l’échelle microscopique (cellules) et les effets adverses et les pathologies observées à l’échelle tissulaire, l’incertitude concerne l’extrapolation des données toxicologiques obtenues in vitro aux effets possibles sur les organismes et les écosystèmes.

À terme, ce système pourrait aussi permettre d’identifier des ingrédients capables de protéger ou de restaurer les « mitochondriomes » (l’ensemble des mitochondries) des cellules exposées à des polluants.

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