Géologie médicale

(Géochimie ISTerre: L. Charlet, A. Gourlan ; Volcanologie : V. Pinel)

Le groupe Géochimie Médicale est constitué de chercheurs d’horizons variés (géochimie, minéralogie, volcanologie…) d’ISTerre, d’autres institutions françaises (IGE-Grenoble, IAB-Grenoble, ILM-Lyon, ENS-Lyon, Vetagro-sup, Laboratoire écologie fonctionnelle et environnement) et étrangère (Université Berkeley, USA ; Université de Swansea, UK).

Le groupe focalise tout d’abord ses efforts de recherche sur la compréhension des processus bio-géochimiques qui contrôlent le développement de maladies (Podoconiose, KBD, cancer thyroïde) et leur traitement (ex : cancer ovaire). Comprendre l’histoire de leur développement permet d’identifier les mécanismes de transfert homme-milieu de (nano)particules (nanotubes imogolite, nanotubes d’argent, nanoparticules de sélénium), d’éléments traces (e.g., oxyanions, métaux stratégiques…), dont le transfert à l’homme via les cultures, et son rôle dans la biodiversité de la ceinture tropicale. Ces connaissances permettent, in fine, de développer des stratégies de prévention en Santé Publique avec les acteurs des territoires et les partenaires scientifiques locaux. Ces recherches pluridisciplinaires sont développées sur deux chantiers principaux Le Rift Est Africain (Rwanda, Uganda) et l’Afrique du Nord (Algérie).

Le groupe concentre ensuite son attention sur le potentiel du ∂65Cu en tant que biomarqueur du cancer et de son évolution et plus généralement en tant que marqueur d’état de santé dans le règne animal (animaux domestiqués et sauvages). Bien qu’il existe à l’heure actuelle des biomarqueurs prometteurs (transcriptomiques, métabolomiques et protéomiques) dans le domaine vétérinaire, nombreux sont ceux qui sont mal diagnostiqués et ne sont pas pathognomoniques de la maladie. La recherche sur le chien de biomarqueurs signalant l’apparition et l’évolution de la maladie est donc essentielle or les premières études utilisant l’isotopie du Cu comme biomarqueur du cancer sur l’Homme ont été très encourageantes et suggèrent donc que cette approche peut être appliquée chez les chiens. En outre, depuis quelques décennies les activités anthropiques et les changements climatiques mondiaux sont devenus des limitations géographiques de nombreuses espèces sauvages ayant aussi entrainé des modifications de leurs niches associées à des exemples visibles de goulots d’étranglement génétiques, d’expositions au stress, à des toxines ou d’agents pathogènes oncogènes et à l’immunosuppression. Tous ces facteurs ont ainsi contribué au développement de cancers chez les espèces sauvages. Il est donc devenu évident que la néoplasie pouvait être très répandue et avoir des effets considérables sur certaines espèces et qu’il était primordial de porter une attention particulière à la conservation de la faune.

Projet SeCuCo : Utilisation des nanoparticules de Sélénium et des isotopes du Cuivre pour le traitement et le suivi du cancer ovarien

(Défi ISOTOP - AAP 2018-2019, Correspondant A. Gourlan)

La médecine utilise couramment les isotopes instables en imagerie médicale (scintigraphie, TEP, TEMP) afin d’avoir un diagnostic fonctionnel d’un organe. Les isotopes stables non-conventionnels comme les métaux de transition (Cu, Zn, Fe) commencent seulement à être utilisés dans la médecine vétérinaire et humaine comme traceurs de conditions pathologiques, conduisant par exemple au cancer. Ce projet de recherche s’inscrivant dans un cadre plus grand, vise à coupler l’utilisation de Se aqueux et nanoparticulaire (Se-NP), pour leurs effets thérapeutiques sur le cancer ovarien et les isotopes du Cuivre, en tant que biomarqueur potentiel du cancer et de son évolution, pour en suivre leurs effets. Outre, tester l’efficacité du traitement par les Se-NP/Se aqueux, ce projet vise à améliorer la connaissance des mécanismes impliqués dans le fractionnement isotopique du Cu durant le développement du cancer et durant son traitement.

Projet Transgeobio: Transposition des méthodes géochimiques vers la biologie : utilisation des isotopes du cuivre comme biomarqueur d’un état cancéreux dans le domaine vétérinaire

(AAP2017-OSEZ, BQR interne 2016, correspondant A. Gourlan)

Ce projet de cancérologie comparée propose l’utilisation des isotopes du cuivre comme traceurs des lymphomes et des cancers mammaires chez les chiens, pour en étudier les mécanismes et la progression, et comme test de l’efficacité des traitements. Il visa à améliorer la compréhension de l’homéostasie du cuivre chez les mammifères et son rôle dans la biologie cellulaire, notamment pour le fonctionnement des transporteurs membranaires, des oxydoréductases, et du trafic intracellulaire. Ce projet implique une forte dynamique de collaboration d’ISTerre, du LBFA, ayant une expérience en métallomique animale (J.-M. Moulis), Vetagro-sup Lyon (F. Ponce) qui possède une importante banque d’échantillons biologiques d’animaux domestiques (CRB-ANIM) et l’ENS Lyon (P. Télouk, F. Albarède) ayant déposé un brevet sur l’utilisation des isotopes en biologie/médecine

Projet Comprendre la disponibilité et le transfert des éléments chimiques dans les chaînes alimentaires terrestres de l’Arctique et quantifier les implications sanitaires pour la faune

(ANR ATACAF 2021-2024 , PI S. Hansson, correspondante ISTerre A. Gourlan)

L’Arctique est l’une des régions étant fortement impactée par le réchauffement climatique, ce qui modifie les processus biogéochimiques impliqués dans la biodisponibilité et le transfert des éléments essentiels (e.g. Cu, Zn, Se) et non essentiels (e.g. Pb, Cd, Hg). Simultanément, la présence humaine dans la région augmente en raison d’une augmentation de l’exploration/extraction pétrolière et minière, le tout avec un risque de conséquences environnementales négatives. L’une des taches de ce projet ANR vise à étudier la composition isotopique en Cu d’échantillons sanguins de grands animaux sauvages de l’Arctique comme outil de diagnostic de la santé (par exemple néoplasie, inflammation, état corporel, agents pathogènes)

Projet Impact sociétal de l’activité volcanique au Rwanda : apport de la géophysique et de la géochimie

(BQR ISTerre, 2023-2024, correspondante V. Pinel et L. Charlet)

Le Rwanda, petit pays du rift Est-Africain, est fortement soumis à l’aléa volcanique avec trois volcans en activité sur son territoire et deux volcans très actifs situés en République Démocratique du Congo à proximité immédiate de sa frontière. Ce projet vise à caractériser l’impact potentiel de cet aléa sur la population. Il s’intéresse aux effets à long terme des dépôts volcaniques avec une étude du lien entre le développement de la maladie de type «pied d’éléphant», la podoconiose, au sein d’une population et son lieu de vie sur des sols volcaniques. Outre le Rwanda, la podoconiose touvje 4 millions de personnes dans 27 pays, dont 18 en Afrique. Il aborde aussi le risque volcanique en s’intéressant aux conditions physiques (contraintes tectoniques, topographie et bathymétrie locale et composition du magma) contrôlant la localisation de la zone d’arrivée du magma en surface à proximité de - ou sous - le lac Kivu, riche en CH4 et CO2 dont la déstabilisation potentielle représente un risque majeur d’éruption limnique. Le projet finance deux campagnes de terrain, l’une en juin par V. Pinel, l’autre en décembre 2023 par L. Charlet.

Projet E-DOOR

(UNESCO-IGCP) (correspondant : L. Charlet)

Projet UNESCO, développe un le projet axé sur l’éducation des acteurs locaux à l’impact de l’activité volcanique (dispersion des gaz et cendres volcaniques, monitoring du lac Kivu, enquête sanitaire et sociale, biodiversité an milieu Volcanique). Le projet étudiera la dynamique environnementale de la province volcanique occidentale du Rwanda. Cette région présente des interactions complexes entre l’activité volcanique du Mont Nyiragongo en R.D.Congo et ses fréquentes intrusions magmatiques, le Lac Kivu, un lac volcanique extrêmement riche en méthane dissous et en dioxyde de carbone dans ses eaux profondes, et la population locale environnante, dont les ressources sont l’agriculture et la pêche. Les défis de la population vivant dans l’ouest du Rwanda, en particulier dans la ville de Gisenyi ( 90 000 habitants) sont multiples : des risques volcaniques, notamment les coulées de lave, les tremblements de terre et les panaches volcaniques, au danger d’un dégazage massif du lac (éruption limnique alimentée par des gaz) qui provoquerait l’asphyxie et/ou la propagation de la podoconiose, un gonflement grave et débilitant des membres inférieurs. Ce projet identifiera les principaux moteurs de la dynamique dans la région en utilisant des approches différentes mais complémentaires : modélisation théorique et numérique en volcanologie physique, analyse des données des assemblages physico-chimiques et phytoplanctoniques dans le lac Kivu, étude des sols environnants et analyse socio-écologique de la relation entre la santé humaine et environnementale dans la région. Il permettra de renforcer notre partenariat au Rwanda et de déposer, avec deux instituts, de catégorie 2 UNESCO de l’université du Rwanda (le ICTP-EAIFR et le CoEB), des projets multidisciplinaires actuellement en cours de construction (projet JEAI IRD, Projet US-NSF voir ci dessous) focalisés sur les impacts sanitaire, sociétaux et écologiques de l’activité volcanique dans le Rift Est Africain.

Projet IRGA

Le projet vise à approfondir notre compréhension des mécanismes biologiques qui de l’exposition du pied aux particules volcaniques conduisant à la podoconiose. Il comprend deux volets : (1) réaliser des courbes dose-réponse d’exposition de macrophages (présents dans les nœuds du système lymphatique que ces particules obstruent) aux nanotubes d’imogolite, interprétées si possible avec de la nanotomographie synchrotron de macrophages ainsi exposés, et (2) étudier des biopsies de podoconiose provenant du Rift Africain déjà obtenues de la part de l’Université du Sussex (UK), en comparant l’imagerie élémentaire obtenue par LIBS (en collaboration avec V. Motto-Ros, ILM Lyon 1 et B. Busser, IAB-CHUG), avec celle du LA-ICPMS (plateforme analytique MEET à ISTerre). Le projet s’inscrit directement dans le cadre de la "Plateforme d’imagerie de la distribution des métaux et métalloides dans les tissus biologiques: applications biomedicales et environmentales ", stratégie développée par ISTerre et l’UGA pour cofinancer une partie de la plateforme MEET. L’objectif final est de développer une installation nationale pour utiliser la remarquable plate-forme analytique MEET en conjonction avec l’installation LIBS qui sera bientôt acquise à l’IAB-CHUG pour un diagnostic rapide de telles maladies tropicales négligées induites par des particules. L’accès à ces installations sera plus rapide que l’accès lent et difficile, mais complémentaire, aux techniques d’imagerie développées à l’ESRF.

Projet Formation and bioavailability of Imogolite in Volcanic Soils

(US-NSF, en construction)

Ce projet piloté par Dr. Ben Gilbert (Uni. Berkeley et LBLN) en collaboration avec L. Charlet vise à développer un modèle de transport réactif décrivant la formation des nanotubes d’imogolite à partir des cendres volcaniques, les zones de haute prévalence de cette maladie correspondant aux zones de retombées de cendres. La littérature sur le sujet montre que cette formation est dépendante des précipitations dans ces zones montagneuses colonisées dans les années 60 par des agriculteurs. Le modèle vise donc, au-delà de la formation de nanotubes en milieu volcanique, à évaluer l’effet du changement climatique sur cette formation, et donc sur le développement de la podoconiose dans le futur, au Rwanda et dans le monde. Entre autre l’impact de la dégradation de la matière organique des sols SOM (liée à la mise en agriculture et au changement climatique) sur la biodisponibilité à l’homme des nanotubes d’imogolite, sera évaluée par des expériences micro-calorimétriques de compétition de SOM et les phospholipides des membranes cellulaires pour leur rétention par l’imogolite. Ce projet s’appuie sur un très important développement de mesures et d’échantillonnage de terrain, en partenariat avec le département de science du sol de l’Université du Rwanda, et sur la puissance analytique de Berkeley.