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Positionnement du sujet et objectifs

Les biopesticides sont de plus en plus utilisés en lieu et place des pesticides chimiques. L'accroissement actuel de leur utilisation (4% par an contre 2% pour les pesticides chimiques) augmente leur présence dans l'environnement. Parmi les biopesticides, les bioinsecticides à base de la bactérie Bacillus thuringiensis (Bt) représentent 70% des ventes. Les souches de Bt utilisées dans le commerce (moins de 10) ont été sélectionnées pour leurs spécificités d'action contre des nuisibles. En effet, ses souches produisent un panel de toxines, nommées Cry, ayant une toxicité aigüe restreinte aux lépidoptères, coléoptères et nématodes ravageurs des cultures ainsi qu'aux moustiques. Elles respectent en termes de toxicité aigüe les autres espèces de l'écosystème, dont l'homme. Cependant, après épandage, Bt disparait seulement après 28 jours de la surface des feuilles de légumes traités et persiste plus d’un an dans le sol. Bt persiste aussi au moins 6 jours dans l'intestin de drosophiles (données de l'équipe non publiées) et jusqu'à 30 jours dans l'intestin de souris. Bt a aussi été détecté dans des échantillons fécaux d’agriculteurs manipulant le bioinsecticide. Les professionnels, les jardiniers amateurs, les consommateurs de produit "Bio" ainsi que toutes les espèces vivant dans les zones d'épandage sont donc potentiellement soumis à un contact/ingestion répété(e) à/de Bt. Bt a aussi été impliqué dans des cas de toxi-infections alimentaires. Il est alors probable qu'une utilisation intensive des bioinsecticides Bt puisse avoir une incidence sur la faune et la santé publique. Il convient donc d'anticiper les impacts potentiels sur le long terme afin d'éviter de reproduire les déboires passés causés par les pesticides chimiques. Ainsi, il est nécessaire d’analyser les risques environnementaux et sanitaires liés à l'ingestion chronique à faibles doses de Bt seul ou en association avec des pesticides chimiques (notion d'effet cocktail).

A-Sporange of Bacillus thuringiensis ; B-3D modelling of Cry toxins ; C-Apico-basal view of the Drosophila midgut ; D-Drosophila adult midgut ; E-Coomassie blue staining of Cry toxin ; F-Transversal section of the Drosophila posterior midgut ; G-Longevity curves of adult Drosophila ; H-Cell counting of the Drosophila midgut.

Modèles biologiques

Nos projets s'attachent donc à répondre à cette problématique en utilisant principalement l'excellent modèle de laboratoire Drosophila melanogaster (http://flybase.org/). La drosophile présente l'avantage de ne pas être sensible aux bioinsecticides Bt en termes de toxicité aigüe, et permet donc d'étudier les effets "non-intentionnels" ou "non-létaux" sur un organisme modèle

La conservation des mécanismes biologiques régissant le développement et la physiologie de la drosophile permet de rapidement valoriser nos résultats chez d'autres espèces animales. De plus la multitude d'outils existant chez ce modèle et nos approches combinées de biologie cellulaire et moléculaire, biologie du développement et génétique permettent de décortiquer les mécanismes sous-jacents aux effets observés et d'identifier les circuits de gènes impliqués.

Originalité scientifique de l’équipe

Notre équipe est la première à développer des recherches systématiques sur les effets non intentionnels des bioinsecticides Bt en combinant deux disciplines éloignées: l'Ecotoxicologie et la Biologie Cellulaire et du Développement. Ceci est notamment permis grâce à utilisation de la drosophile. Nous avons ainsi la possibilité de réaliser simultanément :

1. une approche finalisée, en étudiant les impacts physiologiques et physiopathologiques des bioinsecticides Bt et de ses toxines ;
2. une approche fondamentale permettant l'identification des mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués et impactés.

Cette stratégie originale nous permet de répondre à trois grandes questions:

1. Quels sont les mécanismes physiologiques, cellulaires et moléculaires potentiellement affectés par les bioinsecticides Bt et ses toxines Cry ?
2. Quels peuvent être les conséquences d'une ingestion de bioinsecticides Bt sur des organismes prédisposés à développer des physiopathologies ?
3. Quels sont les risques environnementaux et de santé publique liés à une utilisation croissante des bioinsecticides Bt ?

Nous avons ainsi établi des collaborations d'une part au sein de l'institut avec l'équipe CEA étudiant le comportement des trichogrammes (parasitoïdes utilisés en lutte biologique), et l'équipe ESIM étudiant la relation hôte/parasitoïde avec le couple Drosophile-Leptopilina. D'autre part nous collaborons avec l'équipe BioToMyc qui étudie l'impact des mycotoxines sur la santé humaine (via des études en culture de cellules) et animale (chez le porc) et avec l'équipe IMI qui étudie le développement des maladies allergiques en utilisant le modèle souris.

Problématiques actuelles

Nous étudions l'impact de l'ingestion de faibles doses de Bt sur l'homéostasie cellulaire intestinale, la réponse immunitaire, la croissance et le développement, et sur l'apparition de physiopathologies intestinales ou systémiques (cancers, pathologies métaboliques, syndrome inflammatoires chroniques, vieillissement...).

A terme, nous pourrons d'une part comprendre pourquoi et comment l'ingestion Bt interfère avec la physiologie d'un organisme. D'autre part nous pourrons identifier des marqueurs d'expression géniques, métaboliques et/ou physiologiques conservés et pertinents permettant une évaluation objective des risques consécutifs à une exposition à de faibles doses de bioinsecticides Bt, permettant ainsi l’élaboration de mesures de protection sanitaire et environnementale.

Le principal mode de contamination d'un organisme (invertébré ou vertébré) par les bioinsecticides Bt est alimentaire ce qui met le tube digestif en première place des organes potentiellement affectés par Bt. Ces insecticides biologiques sont constitués de bactéries et de toxines qui peuvent, d'une part affecter l'intégrité du tube intestinal et d'autre part, stimuler et/ou modifier sa réponse immunitaire locale. Les conséquences néfastes d'une agression sont l'apparition de désordres fonctionnels (physiologiques) de l'organe lui-même mais également de problèmes physiologiques systémiques de l'individu, mettant en péril sa croissance, sa santé voire sa survie. Suivre l'impact des bioinsecticides Bt et de ses toxines sur la physiologie intestinale est donc essentiel pour évaluer les risques potentiels à long terme liés à leurs ingestions

1. Bt et l'homeostasie cellulaire intestinale

Le tube digestif est constamment soumis à de nombreuses agressions, via l'alimentation, par des pathogènes (virus, bactéries), des toxines ou des produits chimiques (tel les médicaments). L'équilibre cellulaire et physiologique (ou homéostasie) de l'épithélium intestinal permet d'assurer le remplacement efficace des cellules endommagées tout en limitant le risque d'apparition de pathologies chroniques inflammatoires et de cancers. De fait, le taux de prolifération des cellules souches intestinales doit être étroitement lié aux besoins du tissu à un moment donné. L'activité des cellules souches est sous le contrôle de nombreuses voies de signalisations cellulaires (JNK, Hippo, Wg/Wnt, EGFR, JAK/STAT, BMP/TGFβ, Hh, Notch, InR...). L'activation ou la répression de ces voies permet ainsi l'adaptation de la composition cellulaire de l'intestin en fonctions des facteurs environnementaux. De plus, lors d’une intoxication bactérienne ou d'une agression endommageant l'épithélium intestinal, ses mêmes voies de signalisation cellulaires sont mises en jeux pour rétablir rapidement l'intégrité du tube digestif.

2. Bt et la réponse immunitaire locale

La réponse immunitaire est essentielle aux organismes pour lutter contre les pathogènes (bactéries, virus, champignons, etc...). Tout impact sur son fonctionnement altère son efficacité et donc la capacité d'un individu à se défendre dans un environnement hostile.

L'intestin moyen des drosophiles (et des insectes en général), à l'instar de l'intestin des mammifères, est doté d'une réponse immunitaire locale capable de lutter contre les pathogènes présents dans le bol alimentaire. Cette réponse est indispensable à la survie d'un organisme sans laquelle sa vie serait systématiquement en péril après l'ingestion d'un aliment. Cette défense locale se traduit par la production d'espèce réactives de l'oxygène (HOCl) et par l'expression et la sécrétion des peptides antimicrobiens (PAM) pour éliminer le pathogène. Les entérocytes chez les insectes ainsi que les cellules de Paneth chez les mammifères sont impliqués dans ces processus de défense immunitaire.

Bt est considéré comme un entomopathogène car lorsqu'il pénètre dans le milieu intérieur d'un insecte (quel qu'il soit), il provoque une septicémie tuant son hôte assez rapidement. Lorsque que Bt est ingéré par un organisme "cible" ou "sensible", ses toxines Cry lui sont nécessaires pour détériorer l'épithélium intestinal de l'hôte. En conséquence, l'intestin ne remplit plus son rôle de barrière et Bt pénètre dans le milieu intérieur, se propage via l'hémolymphe, se multiplie et tue son hôte en 2-3jours. Chez les organismes non sensibles (comme la drosophile ou l'homme), les toxines Cry n'arrivent pas à détériorer l'intestin (soit parce que les toxines Cry sont inefficaces, soit parce que l'intestin se répare plus vite que ce que les toxines l'endommagent). En parallèle, la production de HOCl et des PAMs élimine Bt. La bactérie ne pénètre pas dans le milieu intérieur et ne tue donc pas son hôte. Cependant, Bt est considéré comme une bactérie opportuniste chez les mammifères (Bt appartient au groupe de B. cereus et B. anthracis), c'est-à-dire qu'il peut engendrer des pathologies (pneumopathies et infections oculaires en autres), dans des individus immunitairement affaiblis (immunodéprimés).

3. Bt, métabolisme et développement larvaire

 Les mécanismes couplant métabolisme et croissance sont fortement conservés entre drosophile et vertébrés. Une façon pertinente d'évaluer les conséquences physiologiques de l'ingestion de Btk est de suivre la croissance et le calendrier développemental d'un organisme. En effet, il a été montré chez la drosophile que ce calendrier est couplé aux apports nutritionnels. Ainsi, les animaux adaptent leur croissance tissulaire en réponse à la nutrition grâce notamment aux « Insulin Growth Factors », appelé Dilp chez la drosophile, qui sont sécrétés par le cerveau et les organes périphériques, et aussi grâce aux peptides entéroendocrines qui sont produits par l'intestin. En conséquence, tout défaut d'absorption des nutriments par l'intestin a un impact sur la croissance et/ou le calendrier développemental. 

Enjeux scientifiques et sociétaux à long terme

• Enjeux scientifiques : Bien que les cibles aigües des bioinsecticides Bt et les mécanismes cellulaires/moléculaires sous-jacents soient assez bien caractérisés, les cibles et les modes d'action lors d'une intoxication chronique restent encore inexplorés. Notre double approche écotoxicologique et mécanistique permettra de faire le lien entre une recherche finalisée et une recherche fondamentale. Mieux comprendre les fondements d'un problème permet de mieux en évaluer les risques associés et donc de les anticiper ;

• Enjeux socio-économiques : Les bioinsecticides sont appelés à être de plus en plus utilisés et Bt en représente actuellement la majorité des applications (agriculture "biologique"; démoustication, OGM). Les sources de contact avec ces toxines sont multiples pour l'homme (alimentation, air, eau). Anticiper les risques associés à une utilisation accrue de ces bioinsecticides évitera de renouveler les déboires constatés a posteriori avec les pesticides chimiques. Ceci permettra d'une part de mettre en place une politique de prévention (sanitaire et environnementale) en informant les utilisateurs et les consommateurs, et d'autre part d'optimiser les compositions, productions et utilisations de ces insecticides.

Par ailleurs, ce sont ces mêmes toxines qui sont produites par les maïs, le riz ou le coton transgéniques. De fait nos études sur les toxines Bt auront aussi valeur d'expertise de l'impact de telles cultures dans notre pays pour l'environnement et notre santé.