Soutenance de thèse : Emma Theerens

Titre : Impact de l'exposition aux particules ultrafines dans la maladie de Parkinson : application in vivo et in vitro sur les mécanismes de mort neuronale

Impact of ultrafine particles exposure as environmental factors involved in Parkinson’s disease: In vivo and in vitro application on how ultrafine particles lead to neuronal cell death

Membres du jury :

• Rapporteur : Dr. Katja KANNINEN (University of Eastern Finland)                     
• Rapporteur : Pr. Karen SMEETS (UHasselt)
• Rapporteur : Dr. Roel SCHINS (Maastricht University)
• Examinateur : Dr. Luc BUEE
• Directrice de thèse : Dr. Lydia NIKASINOVIC
• Directeur de thèse : Pr. David DEVOS 

Résumé :

La maladie de Parkinson (MP), deuxième trouble neurodégénératif lié à l’âge, se caractérise par une perte progressive des neurones dopaminergiques de la Substantia Nigra pars compacta, via des voies de mort cellulaire régulée (MCR). Si le vieillissement reste le principal facteur de risque, l’étiologie complexe de la MP inclut des facteurs environnementaux et gène-environnement. Parmi ceux-ci, les particules ultrafines (PUF) issues de la pollution atmosphérique restent peu étudiées, malgré leur potentiel neurotoxique. La ferroptose, une MCR fer-dépendante impliquant la peroxydation lipidique, est un mécanisme clé dans la pathologie de la MP.

L’objectif de cette thèse était d’évaluer les effets neurotoxiques des PUF, en se concentrant sur les altérations motrices, cognitives, le stress oxydatif neuronal, la neuroinflammation et les voies de MCR.

Étude in vivo
Des souris BALB/c ont été exposées par instillation intranasale à des doses croissantes de PUF (0, 10, 30 µg) sur 12 semaines. Malgré l’absence de déficits comportementaux significatifs, les PUF ont été détectées dans le cerveau entier, notamment dans le cortex préfrontal et la Substantia Nigra (SN), grâce à la TEM et à la microscopie laser femtoseconde. Une augmentation du stress oxydatif (oxydation du glutathion, activité GPx, voie Nrf2) et de la neuroinflammation (NFκB, cytokines pro-inflammatoires) a été observée, traduisant des réponses adaptatives. Cependant, les marqueurs de MCR (apoptose, ferroptose, autophagie, nécroptose, parthanatose) étaient inhibés, et aucune perte neuronale n’a été détectée dans la SN (TH) ou le striatum (NeuN). Ces résultats indiquent une résilience cellulaire.

Étude in vitro
Des cellules LUHMES différenciées en neurones dopaminergiques ont été exposées à des PUF (2 et 10 µg/cm²) pendant 24 h. L’exposition a révélé une régulation de l’absorption et du stockage du fer (TfR, ferritine), une perturbation du glutathion (baisse du rapport GSH/GSSG, diminution de cGPx4) et une peroxydation lipidique accrue (4-HNE). L’inhibition par la liproxstatine-1 (LPX) et la défériprone (DFP) a confirmé un mécanisme ferroptotique impliquant l’axe P53/xc-/GSH/cGPx4. Une exposition comparative au MPP+ a montré des effets neurotoxiques similaires, renforçant l’hypothèse que les PUF induisent un stress oxydatif et une ferroptose dopaminergique.

Ces travaux, premiers à démontrer l’impact ferroptotique des PUF sur les neurones dopaminergiques, soulignent l’urgence de réglementer les PUF et d’explorer leur rôle dans l’augmentation de la MP, particulièrement en zones urbaines.

Résumé en anglais:

Parkinson’s disease (PD), the second most prevalent age-related neurodegenerative disorder, involves progressive dopaminergic neuronal loss in the Substantia Nigra pars compacta, driven by regulated cell death (RCD) pathways. While aging is the primary risk factor, PD’s etiology is complex, with over 90% of cases being sporadic and linked to environmental factors and gene-environment interactions. Although genetic variants (e.g., PARK2, GBA, LRRK2, SNCA) contribute to familial PD, environmental influences such as air pollution-derived ultrafine particles (UFP) remain underexplored. Ferroptosis – an iron-dependent RCD involving lipid peroxidation – has emerged as a prevalent mechanism in PD pathology. The objective of this PhD research was to evaluate whether UFP exposure induces PD-related features, such as oxidative stress, neuroinflammation, and ultimately neuronal RCD, and to assess the contribution of UFP to PD-etiopathology using in vitro and in vivo models.

In vivo analysis
Male BALB/c mice (n=12/group) were intranasally exposed to UFP (0, 10, or 30 µg) twice weekly for 12 weeks, with an additional group undergoing a 12-week recovery. Behavioral testing (open field, Y-maze, passive avoidance) revealed no significant motor, anxiety, or cognitive impairments. However, brain metal analysis and gene expression (AhR, Mt) confirmed UFP presence, with TEM and femtosecond laser microscopy showing UFP accumulation in the prefrontal cortex and Substantia Nigra (SN). Increased glutathione oxidation, GPx activity, and upregulation of Nrf2/NfκB, alongside pro-inflammatory cytokine release, indicated oxidative stress and neuroinflammation defenses. Markers of RCD, including apoptosis (caspase-3), autophagy (LC3b), ferroptosis (FTH1, 4-HNE), necroptosis, and parthanatos were suppressed, showing robust adaptive resilience. No neuronal loss was detected in key neurodegenerative regions such as the SN or striatum.

In vitro analysis
LUHMES cells, differentiated into mature dopamine-like neurons, were exposed to UFP (2 and 10 µg/cm²) for 24 hours. Effects on iron metabolism (TfR, ferritin), glutathione status (GSH/GSSG ratio, GPx activity, cGPx4, xc-/SLC7A11, P53), and lipid peroxidation (4-HNE) were assessed, alongside inhibition using ferroptotic inhibitors (liproxstatin-1, deferiprone). Selective autophagy (NCOA4), autophagic death (LC3b), and apoptosis (BAX, caspase-3/7, -8, -9) were also analyzed. Comparative exposure to MPP+ (5 µM), a toxin used in PD models, revealed similar outcomes to UFP, including oxidative stress, GSH disruption, and GPx activation. Acute UFP exposure led to dopaminergic alterations via the P53/xc-/GSH/cGPx4 axis. LPX inhibition supports the hypothesis that chronic UFP exposure could contribute to neurodegeneration.

This PhD research, the first to show ferroptotic effects of UFP in dopaminergic neurons, highlights the urgent need to address UFP neurotoxicity, particularly in urban areas, given rising PD incidence, lack of effective therapies, and absence of regulations on UFP exposure.

Mots clés en français : Particules ultrafine,Modèle murin,Cerveau,Ferroptose,LUHMES,Maladie de Parkinson
Mots clés en anglais :  Ultrafine particles,Mouse model,Brain,Ferroptosis,LUHMES,Parkinson's disease