Prof. Michaela AUFDERHEIDE
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La Prof. Aufderheide travaille depuis plus de 30 ans dans le domaine des méthodes alternatives à base de cellules biologiques et ses recherches se concentrent sur la toxicologie par inhalation, c'est-à-dire, l'effet des substances actives de l’atmosphère sous forme d’aérosols sur les cellules épithéliales des voies respiratoires. Avec ses collaborateurs, elle a développé pour cela des appareils spéciaux, les modules CULTEX RFS brevetés, qui permettent de traiter les cellules cultivées directement avec ces substances actives. La pollution croissante de l'air ambiant extérieur et du lieu de travail rend nécessaire ce type de méthodes d'essai nouvelles afin de pouvoir prédire le risque de mise en danger avec de telles substances. La haute sensibilité des systèmes d'essais biologiques nécessite un montage technique stable et précis pour tester l’air ambiant en question, sachant qu'outre la technologie CULTEX, les régulateurs de débit massique sont essentiels pour ajuster et contrôler les débits d'aérosols sur les cellules.

La cigarette électronique

L'histoire de l'être humain est marquée par la sensibilité aux excitants. Depuis des temps immémoriaux, les substances toxiques comme l'alcool et le tabac en font partie. Bien que les risques pour la santé soient connus de nous tous, "la plupart des gens n'abandonnent leurs vices que lorsque ceux-ci leur causent des soucis" (William Sommerset Maugham).

Le tabagisme colle particulièrement à cette devise. On sait généralement que le tabagisme excessif augmente le risque de maladies cardio-vasculaires et notamment de cancer des poumons et pourtant nous cédons à la tentation de la "bouffée de fumée bleue". Les études épidémiologiques nous ont montré maintes fois la nocivité de cette dépendance au plaisir mais le renoncement promis à la cigarette échoue bien souvent, en dépit de la certitude que chaque cigarette peut être celle de trop.

L'industrie de la cigarette propage alors la cigarette électronique comme alternative. La combustion du tabac produit des milliers de substances nocives que le fumeur inhale aussi bien évidemment. Avec la cigarette électronique, on inhale un brouillard qui est censé ne contenir aucun produit dangereux pour la santé issu d'une combustion. Cette "vapeur" est produite à partir d'un liquide aromatisé (principaux ingrédients : propylène-glycol, glycérine, éthanol, divers arômes et selon les besoins, nicotine) à l'aide de ce que l'on appelle un atomiseur.

La cigarette électronique est ainsi prisée par l'industrie de la cigarette comme alternative "plus saine" à la cigarette conventionnelle et pour le sevrage du tabac. De grosses sommes d'argent sont investies pour prouver scientifiquement que les produits de la cigarette électronique ne sont pas aussi nocifs que ceux du tabac. Cette déclaration est correcte en principe. Cependant, elle ne répond pas à la question de l'effet de la "vapeur" en soi. Des études épidémiologiques sur la fumée de cigarette par exemple ne sont pas disponibles et par conséquent, personne ne peut exclure qu'une consommation excessive ou à long terme ne puisse mettre notre vie en danger.

Illustration 1 - CULTEX®RFS Compact avec Transwell 6 positions

Cultex RFS

Études in vitro

Comment puis-je maintenant aborder une telle problématique ? Il ne reste qu'à réaliser des études in vitro. Pour cela, nous utilisons la culture de cellules vivantes comme alternative aux essais sur les animaux.

Les substances inhalées rencontrent d'abord l'épithélium qui les tapissent dans les poumons. Celui-ci est constitué d'une multitude de cellules qui, du fait de leurs fonctions spéciales, servent à se défendre contre les substances inhalées ou à les inactiver. On trouve les cellules produisant du mucus qui, avec leur sécrétion, "piègent" de telles substances nocives, mais aussi des cellules porteuses de cils qui peuvent évacuer ce mucus. D'autres cellules servent à désintoxiquer et dans un corps sain, nous disposons de suffisamment de cellules de remplacement qui peuvent remplacer les cellules endommagées ou nécrosées.

Dans le domaine de la recherche basée sur les cellules, nous pouvons disposer de ce genre de populations de cellules humaines pour nos travaux (voir illustration 2). Les cellules sont cultivées sur des membranes microporeuses dans ce que l'on appelle des transwells où elles sont alimentées en nutriments par leur face inférieure par le biais de la membrane, tandis que la partie apicale (extérieure) de la culture peut réagir à l'air environnant.

Coupe transversale de membranes d'insert de culture de cellules avec cellules NHBE (CL-1548) immortalisées colorées à l'HE (hématoxyline et éosine). Après 21 jours de mise en culture à l'interface air-liquide, les cellules ont été soumises de manière répétée (quotidiennement pendant cinq jours et après une phase de récupération de deux jours, de nouveau durant trois jours consécutifs, temps d’exposition maximal : 8 répétitions de l'exposition à la fumée) à de l'air propre (CA), de la fumée de cigarette ordinaire (CS ; 4x K3R4F cigarettes par passage conf. à la norme ISO 3308, University of Kentucky, Lexington, KY, USA) et à de la vapeur de liquide électronique (EC) sans nicotine (Tennessee Cured, Johnsons Creek, Hartland, WI, USA). K3R4F cigarettes ont été fumées par une machine à fumer et comme suit : 24 bouffées avec un volume de 35 mL en 2 s, une durée de soufflage de 7 s et une distance entre les bouffées de 10 s. Le type de cigarette électronique InSmoke Reevo Mini (InSmoke Shop, Suisse) a été traité de manière comparable : 50 bouffées (volume 35 mL, durée de la bouffée 2 secondes, durée de soufflage de 7 secondes) et un intervalle entre les bouffées de 10 s.

Membrane microporeuse culture cellulaire

Les régulateurs de débit massique – les gardiens de l'exposition des cellules

Avec les années, nous avons développé des systèmes d'exposition efficaces pour les cellules, les modules CULTEX®RFS, qui permettent une exposition directe, stable et reproductible de cellules pulmonaires cultivées à l'interface air-liquide (Air-Liquid Interface – ALI) (voir illustration 1). Cette stabilité est notamment le garant de résultats probants et est assurée d'une part par la conception coordonnée physiquement des aérosols des modules CULTEX®RFS mais aussi par l'emploi de régulateurs de débit massique pilotés par ordinateur (séries IQ+FLOW et EL-FLOW Select de la société Bronkhorst) qui, en termes de commande et de conception, sont adaptés aux besoins d'une exposition des cellules. La régulation de débit produit une atmosphère précise et reproductible pour l'exposition des cellules aux gaz d'essai. Seule cette fiabilité dans le montage expérimental nous fournit des résultats qui permettent de tirer des conclusions sur l'effet de chaque atmosphère d'essai. Dans ce cas, la vapeur de cigarette électronique (50 bouffées par traitement) et la fumée de cigarette normale en comparaison (24 bouffées par traitement) a été tirée sans pression sur les cellules différenciées, sachant que les cellules ont été soumises à la dose de traitement respective pendant 8 jours. Des cellules traitées à l'air sain ont été utilisées comme référence du test.

Les résultats sont regroupés sur l'illustration 2 et sont surprenants. La comparaison des préparations histologiques des cellules traitées avec la fumée et la vapeur de cigarettes électroniques avec celles de référence de l'air sain a montré que la fumée de cigarette – comme on s'y attendait - a produit une nette réduction tant dans la production de mucus que dans le nombre et la forme des cils. Cependant, un effet comparable bien que moins marqué a pu être observé également pour le liquide aérosol après cette période de traitement. En comparaison aux cellules traitées à l'air sain, nous avons là un effet significatif qui nous donne à réfléchir dans tous les cas. L'affirmation "la vapeur est moins active que la fumée" ne doit pas être associée à la conclusion que la vapeur n'a aucun effet. Il faudra s'attaquer à cette problématique à l'avenir, afin de pouvoir contrer les dégâts sur le long terme de façon prophylactique.

Apprenez-en plus sur les régulateurs de débit massique thermiques utilisés : séries IQ+ FLOW et EL-FLOW Select