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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., 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.

En raison de leur petite taille, les nanoparticules (NP) (< 100 nm) peuvent coaguler très rapidement ce qui favorise leur pénétration dans l’organisme sous forme d’agglomérats. L’objectif de cette recherche est d’étudier l’influence de l’état d’agglomération de NP de dioxyde de titane (TiO2) de trois tailles de départ différentes, 5, 10-30 ou 50 nm sur la toxicité pulmonaire chez le rat mâle (F344) exposé à des aérosols de 2, 7 ou 20 mg/m3 pendant 6 heures. Dans une chambre d’inhalation, six groupes de rats (n = 6 par groupe) ont été exposés par inhalation aiguë nez-seulement à des aérosols ayant une taille primaire de 5 nm, mais produits sous forme faiblement (< 100 nm) ou fortement (> 100 nm) agglomérée à 2, 7 et 20 mg/m3. De façon similaire, quatre autres groupes de rats ont été exposés à 20 mg/m3 à des aérosols ayant une taille primaire de 10-30 et 50 nm. Les différents aérosols ont été générés par nébulisation à partir de suspensions ou par dispersion à sec. Pour chaque concentration massique, un groupe de rats témoins (n = 6 par groupe) a été exposé à de l’air comprimé dans les mêmes conditions. Les animaux ont été sacrifiés 16 heures après la fin de l’exposition et les lavages broncho-alvéolaires ont permis de doser des marqueurs d’effets inflammatoires, cytotoxiques et de stress oxydant. Des coupes histologiques de poumons ont également été analysées. L’influence de l’état d’agglomération des NP de TiO2 n’a pu être discriminée à 2 mg/m3. Aux concentrations massiques de 7 et 20 mg/m3, nos résultats montrent qu’une réponse inflammatoire aiguë est induite suite à l'exposition aux aérosols fortement agglomérés. En plus de cette réponse, l’exposition aux aérosols faiblement agglomérés à 20 mg/m3 s’est traduite par une augmentation significative de la 8-isoprostane et de la lactate déshydrogénase. À 20 mg/m3, les effets cytotoxiques étaient plus importants suite à l’exposition aux NP de 5 nm faiblement agglomérées. Ces travaux ont montré dans l'ensemble que différents mécanismes de toxicité pulmonaire peuvent être empruntés par les NP de TiO2 en fonction de la taille de départ et de l’état d’agglomération., Given their small size, nanoparticles (NP) (< 100 nm) can coagulate quickly, which promotes their entry into the body in the form of agglomerates. The objective of this study is to evaluate the influence of the agglomeration state of three different primary particle sizes (5, 10-30 and 50 nm) of titanium dioxide (TiO2) NP on the pulmonary toxicity of male rats (F344) exposed to aerosols at 2, 7 or 20 mg/m3 for 6 hours. In an inhalation chamber, six groups of rats (n = 6 per group) were acutely exposed by nose-only inhalation to aerosols with a 5-nm primary particle size, produced in the form of small agglomerates (< 100 nm) (SA) or large agglomerates (> 100 nm) (LA) at 2, 7 and 20 mg/m3. Similarly, four other groups of rats were exposed to aerosols at 20 mg/m3 with a primary particle size of 10-30 and 50 nm. The different aerosols were generated by nebulization of suspensions or by dry dispersion. For each mass concentration, one group of control rats (n = 6 per group) was exposed to compressed air under the same conditions. The animals were sacrificed 16 hours after the end of exposure, and analysis of the bronchoalveolar lavage fluids was used to measure markers of inflammatory, cytotoxicity and oxidative stress effects. Lung sections were also analyzed for histopathology. The influence of the agglomeration state of TiO2 NP (5 nm) could not be determined at 2 mg/m3. For mass concentrations of 7 and 20 mg/m3, our results showed that an acute inflammatory response was induced following exposure to LA aerosols. In addition to this response, exposure to SA aerosols resulted in a significant increase in 8-isoprostane and lactate dehydrogenase. At 20 mg/m3, the cytotoxic effects were greater after exposure to the 5-nm NP in the SA aerosol. This study showed that TiO2 NP use different mechanisms to induce their pulmonary toxicity as a function of their primary particle size and their agglomeration state.