TOXICOLOGIE

Ruben FLORIBERTO  NKUNA MBALA

Index des concepts clés

Index des concepts clés ……………………………………………..……2

Première partie : Résumé analytique

Chapitre I. Introduction : sur le chemin d’une nouvelle toxicologie

1.1 Un peu d’histoire …………………………………………………………………………………4

1.2 Les scandales sanitaires et l’évolution de la toxicologie …………………………..….4

1.3 Vers une nouvelle toxicologie …………………………………………………………….…..4

Chapitre II : Principales voies d’entrée des toxiques et mécanismes d’absorption

2.1 Mécanismes d’échange membranaire …………………………………………….5

2.2 La superfamille des transporteurs Solute Carrier (SLC) ………………………6

2.3 La superfamille des transporteurs ATP-dépendants binding cassette (ABC)….6

2.4 Les voies d’absorption …………………………………………………………….6

Chapitre III. La distribution des xénobiotiques dans l’organisme

3.1 Espaces corporels et physiologiques ………………………………………………7

3.2 Répartition sang-tissus des xénobiotiques………………………………………..7

3.3 Volume de distribution d’un xénobiotique ………………………………………..7

3.4Le volume de distribution d’un xénobiotique (Vd) et ses conséquences ……….7

3.5 Facteurs de variabilité du volume de distribution ……………………………….7

3.6 Notion de clairance de distribution et les barrières internes de l’organisme ….8

3.7 Les barrières internes de l’organisme …………………………………………….8

Chapitre IV. Le métabolisme et l’élimination des xénobiotiques

4.1Les enzymes de phase I…….………………………………………………………8

4.2 Les enzymes de phase II ………….………………………………………………..9

4.3 Les transporteurs de phase III ……………………………………………………9

4.4 Production de métabolites toxiques par le métabolisme des xénobiotiques ……9

4.5 Un métabolisme plus ou moins protecteur : l’apport des modèles KO ……….10 4.6 Différences intra et inter-espèces ………………………………………………..10

Chapitre V. Mécanismes d’action et voies de signalisation activées

5.1 Mécanismes généraux modulés par les xénobiotiques ………………….………11

5.2 Voies de signalisation modulées par la réactivité des xénobiotiques ………….11

5.3 Voies de signalisation modulées par la liaison à des récepteurs ………………11 Chapitre VI. Approches méthodologiques

6.1 Modèle in vivo : utilisation des animaux de laboratoire ………………………13

6.2 Modèles in vitro : utilisation de culture de cellules ……………………………14

6.3 Modèle in silico : Approche expérimentale ……………………………………..15

6.4 Toxicologie prédictive …………………………………………………………….16

Chapitre VII. Pathologies toxiques tumorales

7.1 Introduction ………………………………………………………………………16

7.2 Cancers liés aux xénobiotiques ………………………………………………….16

7.3 Processus impliqués dans le mécanisme des carcinogènes …………………….17

Chapitre VIII. Pathologies toxiques non tumorales

8.1 Neurotoxicité ………………………………………………………………………18

8.2 Pneumotoxicité …………………………………………………………………….19

8.3 Dermatoxicité .…………………………………………………………………….20

8.4 Hématotoxicité …………………………………………………………………….21

8.5 Nephrotoxicité ……………………………………………………………………..22

8.6 Hépatotoxicité …………………………………………………………………….22

8.7 Reprotoxicité et toxicité du développement …………………………………….23

Chapitre IX. Évaluation du risque et réglementations

9.1 Valeurs de référence hors cadre réglementaire …………………………………24

9.2 Définition des relations dose-réponse ……………………………………………24

9.3 Réglementations REACH et des effets phytosanitaires et biocides ……………25

9.4 Conclusion et perspectives ……………………………………………………….25

Deuxième partie : Cas pratique 

Cas pratique ……………………………………………………………..26

Troisième partie : Pour ne pas conclure

1. Autres opinions et commentaires …………………………………………….31
2. Limites des approches classiques étudiées (selon nous) .……………….….31
3. Importance de la mesure de l’exposition (individuelle et collective) ………32
4. Toxicologie des mélanges ….…………………………………………………33

Première partie : Résumé analytique

Chapitre I. Introduction: sur le chemin d’une nouvelle toxicologie

1.1 Un peu d’histoire

Le mot « Toxicologie » vient du grec « Toxicon », et fait allusion aux flèches empoisonnées dont les extrémités étaient imprégnées d’extraits des baies toxiques que les anciens utilisaient dans la chasse. Si le mot « toxicologie » en tant que science paraît nouveau pour le grand public, les substances toxiques et les poisons végétaux et animaux eux, sont très anciens et marquent le début de l’histoire de la toxicologie. On peut dire qu’ils font partie intégrante de l’existence car c’est très tôt dans l’histoire de l’humanité que l’homme a conscience des effets délétères des poisons naturels et métauxjusqu’au 19º et 20º siècle où l’on verra naître et se développer une discipline scientifique digne de ce nom ; la toxicité du cuivre, soupçonnée depuis des siècles, est associée à ses formes oxydées ; la relation entre l’intoxication au plomb chez les jeunes enfants et les graves déficits intellectuels est établie et les méfaits du plomb ne cessent d’être découverts. Nous constatons même que les anciens avaient tenté de chercher des solutions, comme l’étamage, mais en tâtonnant.

Les scientifiques antiques, en l’occurrence Pythagore et Hippocrate ont introduit un avant-goût de toxicologie en se focalisant sur l’observation d’effets que produirait une exposition ou une dose, notion qui constitue le fondement de l’approche scientifique développée 2000 ans plus tard. « Une substance médicinale pouvant devenir un poison en fonction du mode d’administration et de la dose » est une notion tirée des écrits d’Hippocrate. Au 15º Siècle, Paracelse reprit ce principe de la relation dose-effet :

« toutes les choses sont poison et rien n’est sans poison, seule la dose fait qu’une chose n’est pas un poison », notion qui créa une relation entre la substance chimique et l’effet biologique et physiologique bénéfique ou toxique. Au 19º S, les physiologistes et médecins contribuèrent fortement par l’exploration des mécanismes toxiques, ce qui fait que de nos jours, une bonne compréhension des mécanismes de la toxicité est indissociable d’une bonne connaissance de mécanismes physiologiques.

La connaissance de la relation dose-effet a servi de soubassement au développement de la pharmacologie et de la toxicologie et reste le fondement même de la toxicologie règlementaire (toutes les réglementations se fondent sur ces principes) à partir des expérimentations réalisées au 20º siècle. Les protocoles établis scientifiquement dans les laboratoires de recherche ont aidé la toxicologie moderne à se développer, appuyée par la physiologie, la biologie cellulaire et des nouveaux outils développés pour la recherche expérimentale, ce qui oblige les usines pharmaceutiques et chimiques, à tester la toxicité de leurs produits avant leur mise sur le marché. Les essais sont basés sur la relation dose-effet. Nous pouvons donc dire que la toxicologie moderne est une discipline scientifique du 20º Siècle.

1.2Les scandales sanitaires et l’évolution de la toxicologie

Près de 20 000 bébés étaient nés malformés sans cause apparente. Il a été découvert qu’un médicament, la Thalidomide, tératogène, était la cause, en même temps abortif, pourtant commercialisé dans près de 46 pays depuis, prescrit comme sédatif et anti nauséeux pour les femmes enceintes. Cela contribuera aux avancées de la toxicologie au 20^e siècle car, ce « scandale » a conduit à la révision au plan international des essais toxicologiques des médicaments et le développement de la pharmacovigilance. Les dégâts occasionnés par l’amiante et des problèmes liés à la santé créés par les gaz et particules dans des villes et des métaux lourds comme le mercure ont été à l’origine de la prise de conscience qui a guidé aux nouvelles règlementations protectrices qui sont actuellement en vigueur. Il est clair que les autorités politiques et les populations prennent conscience quand prévalent des conséquences sérieuses, mais le toxicologue reste sensibilisé car, les petites doses régulières deviennent parfois plus dangereuses et mortelles par la chronicité qu’elles engendrent. Heureusement, les outils les plus sensibles pour les détecter apparaissent.

Donc c’est à la suite de scandales sanitaires que se sont développés ces avancées.

1.3Vers une nouvelle toxicologie

Pour cela la toxicologie se doit d’intégrer des connaissances de la biologie cellulaire et moléculaire pour appréhender les mécanismes d’action des systèmes biologiques, les effets des xénobiotiques et leurs interactions avec ces systèmes afin d’introduire des tests adaptés dans les règlementations. Elle doit pousser ses recherches en affinant de plus en plus les données et définitions des LOAEL, NOAEL et VTR…mettant de côté la routine ayant servi de bases aux règlements actuels dont les études sont basées sur les animaux, et tendant vers des données du niveau moléculaire, cellulaire, tissulaire, systémique et de données globales sur les populations. Cela permettra la maîtrise d’étapes les plus importantes d’une AOP permettant de dire en avance quel effet pour quelle dose, grouper les xénobiotiques qui ont des effets et/ou mécanismes d’action analogues ou comparables et déterminer scientifiquement les nouveaux tests pouvant remplacerles plus anciens qui soutiennent la règlementation actuellement en vigueur.

Ces quelques notions fondamentalescaractérisent cette nouvelle toxicologie:

 La biologie systémique: considère en même temps la cellule, le tissu, l’organisme et l’écosystème. Le modèle quantitatif prend en compte les relations entre les différents éléments cellulaires et les informations les concernant. La capacité de prédire les résultats finaux d’une perturbation sur le système organique étant mise en avant, étant donné qu’une même dose ne produira toujours pas les mêmes effets chez tout le monde. Il y a alors lieu de prédire que les règlementations seront sujettes à des révisions.

 La toxicologie des cocktails: au bureau, dans la rue ou chez soi, par voie digestive, respiratoire ou cutanée, les vivants sont exposés à des doses, même infimes, de toxiques difficiles à étudier une à une ou par leurs combinaisons les unes avec les autres. Projet TOX 21 propose l’approche mécaniste utilisant la biologie systémique, compliquant les combinaisons pour faire des prédictions précises, ne s’intéressant qu’aux principales voies de toxicité (une vingtaine ou une trentaine) et non aux composés chimiques.

La toxicologie des temps longs consiste à évaluer les effets produits par les expositions après plusieurs années ou décennies ou prédire ce qui arrivera après plusieurs décennies d’exposition. Il s’agit de comprendre des mécanismes de toxicité à long terme.

La toxicologie des cibles vulnérables est le fait de s’intéresser à la cible, c’est-à-dire le même toxique peut produire les effets différents selon la vulnérabilité de la cible, selon qu’il s’agit d’un fœtus, un enfant ou un adulte…   

L’ambition actuelle consiste à s’orienter vers une toxicologie systémique prenant en compte l’ensemble des perturbations d’un organisme en réponse à son environnement.

 

 

Chapitre II : Principales voies d’entrée et mécanismes d’absorption  Après pénétration dans l’organisme les xénobiotiques doivent passer les membranes des barrières physiologiques. Il y a trois principales voies d’absorption: orale, pulmonaire et cutanée. Les xénobiotiques peuvent être synthétiques ou naturels, végétaux ou animaux ou provenant des microorganismes. On connait trois phases du devenir d’un xénobiotique : Absorption (A), la distribution (D) et l’élimination (E). Il y a un temps d’évolution et de concentration dans les compartiments du corps pour un xénobiotique ou son métabolite.

Absorption: c’est le parcours du xénobiotique du site d’administration ou d’exposition à la circulation générale après passage des barrières: gastro-intestinale et hépatique (voie orale) ; alvéolo-capillaire (voie pulmonaire) et cutanée (voie cutanée). Ces mécanismes d’entrée entrainent des mécanismes de passage à travers ou entre les cellules qui forment ces barrières. Ici les propriétés physicochimiques du toxique et les propriétés anatomiques, biochimiques et physiologiques des tissus interagissent et sont interdépendantes.

2.1 Mécanismes d’échange membranaire

2.1.1 Principales phases toxicocinétiques au niveau cellulaire: la Phase 0 est l’entrée du xénobiotique dans la cellule après passage de la membrane plasmique favorisé par certains transporteurs SLC (d’entrée). Dans la cellule, s’il y trouve les enzymes du métabolisme des xénobiotiques, il peut être métabolisé par des enzymes dites de phase I

(phase de métabolisation par les CYP450, FMO…) et de phase II (métabolisation par les enzymes de conjugaison), selon son affinité (Km) et sa vitesse de métabolisation (Vmax). À la sortie de la cellule, le xénobiotique a pris la forme de métabolite, connue au cours des phases I ou phase II ; cette sortie est sous contrôle des transporteurs (type ABC) spécifiques aux métabolites de phase I et/ou phase II afin de permettre et faciliter leur expulsion. C’est la phase III.

2.1.2 Principaux mécanismes de passage des composés à travers les barrières: les barrières sont la présence des jonctions serrées des cellules rendant difficile le passage entre les cellules. Malgré cela, les xénobiotiques tentent de passer à travers même de la cellule. Ils peuvent s’échanger au travers des barrières physiologiques par différents mécanismes allant de A à F: Diffusion passive (A), diffusion facilitée à l’aide d’un transporteur (B), transport actif secondaire (C), transport actif primaire (D), transcytose assurée par un récepteur (E), transcytose par adsorption (F).

2.1.3 Les descripteurs physicochimiques du passage membranaire passif: dans la diffusion passive, le xénobiotique va d’un compartiment plus concentré vers un compartiment moins concentré à travers une membrane semi perméable selon la seconde loi de Fick. Ici la diffusion est simple, le composé reste identique et il n’y a ni transport facilité ni transport actif; si les caractéristiques physicochimiques le permettent, il traverse la bicouche lipidique de la membrane et cela n’est possible que pour les gaz (CO2, O2, N2), les molécules avec poids moléculaire inférieur à 500 Da solubles dans l’eau et les petites molécules polaires (H2O et urée); les glucoses, acides aminés, les ions (Na+, Cl, HCO, H+, Ca2+) et les lipophiles de haut poids moléculaire ont une diffusion passive  rare ou impossible. En cas d’acides ou des bases, c’est la lipophilie et la charge en fonction du pH qui compte.

2.1.4 Les mécanismes de transport de composés à travers les membranes: dans la diffusion facilitée, le composé passe au travers d’une membrane suivant son gradient de concentration et c’est une protéine qui forme un canal ou agit comme un transporteur indirect. La diffusion facilitée permet le passage au travers des membranes biologiques de plusieurs molécules hydrophiles qui ne peuvent pas traverser la bicouche lipidique, comme certains sucres…Dans la transcytose, il y a passage des molécules de haut poids moléculaire (peptides, polypeptides) à travers les membranes biologiques. Il y a la transcytose par adsorption et celle dont les récepteurs agissent comme médiateurs. Le transport actif s’exerce contre le gradient de concentration très intéressant, pour cela il est dit énergie-dépendant, on distingue deux systèmes de transport primaires (nécessitant l’hydrolyse d’ATP par le système qui le réalise et secondaires qui tirent son énergie à l’existence préalable d’un gradient de concentration ou du potentiel de la membrane.

2.2 La superfamille des transporteurs Solute Carrier (SLC)

Il existe des molécules hydrophiles et chargées qui sont incapables de traverser les membranes cellulaires et qui ont besoin de transporteurs SLC afin d’y parvenir. Des ions, acides aminés, métaux, sucres, nucléotides, vitamines, hormones, neurotransmetteurs et divers cations ou anions organiques. Les transporteurs SLC appartiennent à la superfamille de Protéines comptant 395 membres identifiés en 2016 chez l’homme avec 52 familles. Selon la nomenclature, ils sont identifiés comme suit : Superfamille, famille, sous -famille, membre. Exemple : SLC1A1 : SLC=superfamille ; 1=famille ; A=sous-famille et 1=membre. Certains transporteurs SLC sont des transporteurs actifs secondaires tandis que d’autres sont des transporteurs facilités. Ils sont chargés de l’influx, puis de l’efflux cellulaire de nombreux substrats inorganiques et organiques : nutriments, neurotransmetteurs et certains xénobiotiques.

2.3 La superfamille des transporteurs ATP-dépendants binding cassette (ABC)

Avec 49 membres, la nomenclature s’est inspirée de CYP450, la première lettre après le mot ABC indique la sous famille et le chiffre après cette lettre indique le membre de la sous famille. En somme, ces gènes sont regroupés en sept sous-familles baptisées d’ABCA à ABCG selon leurs homologies de séquences d’acides aminés et phylogénies.

2.4Les voies d’absorption

2.4.1 Les voies digestives: une fois dans l’organisme, le xénobiotique traverse l’épithélium intestinal constitué en majorité d’entérocytes. La voie orale comporte une étape stomacale où peuvent être inactivés certains composés par l’acidité gastrique pour son pH très acide surtout à jeun. Dans l’intestin grêle (très favorable à l’absorption des toxiques), si les propriétés physicochimiques ne permettent pas la diffusion passive, les transporteurs SLC permettent leur absorption dans la circulation sanguine au niveau des intestins par les mécanismes de diffusion facilitée ou actifs secondaires. L’entrée des toxiques lipophiles est limitée, bien qu’ayant des propriétés physicochimiques favorables à leur diffusion passive; Les transporteurs ABC limitent l’entrée des composés lipophiles cytotoxiques.Dans la circulation sanguine des villosités intestinales, le xénobiotique rejoint la circulation portale, retourne dans les capillaires du foie. L’entrée dans la cellule du foie peut se faire par diffusion passive ou par les transporteurs SLC. Dans la cellule hépatique, il est métabolisé par les enzymes et lui-même ou ses métabolites peuvent être excrétés dans la bile ou revenir dans la circulation sanguine par les transporteurs ABC.

2.4.2 La voie respiratoire: la plus concernée par les particules solides ou liquides dans un gaz, fumée, poussières des métaux lourds, amiante, aérosols, allergènes, médicaments…la pénétration dépend de la concentration, de la dose inhalée, du temps de contact, et du type de substance… Il existe trois niveaux respiratoires: Voies aériennes extra thoraciques, thoraciques, région alvéolaire. Les fines particules (1 à 5nm), les gaz et vapeurs, moins hydrosolubles pénètrent jusque dans les alvéoles. Se déposant dans les bronches, bronchioles et alvéoles. Les très fines particules (inférieur à 0,1 nm) causant les pneumoconioses (amiante, silice). Les xénobiotiques inhalés sont distribués dans l’organisme avant d’atteindre le foie. Le métabolisme au niveau du poumon peut induire des systèmes enzymatiques et contribuer à leur effet toxique et au développement des pathologies pulmonaires(fibrose, cancers).

2.4.3 La voie cutanée: La peau se structure en trois couches : Epiderme: composé à 85% de kératinocytes, protège la peau contre les attaques extérieures; Derme : région innervée et vascularisée avec des glandes sudoripares et sébacées et follicules pileux. Ce sont les vaisseaux dans cette région qui transportent les toxiques vers les différents organes. Le derme est facilement traversé par différentes substances. Hypoderme: très vascularisé, il contient des réserves énergétiques. Un toxique peut exercer un effet local (irritation, nécrose, eczéma…) ou être absorbé. Une substance déposée sur la peau peut traverser la couche cornée et diffuser dans toutes les couches ou être résorbée dans les capillaires. Plusieurs facteurs déterminent l’absorption cutanée entre autres: Propriétés physicochimiques, solvant ou du véhicule utilisé,l’importance de la surface cutanée…

Chapitre III. La distribution des xénobiotiques dans l’organisme

3.1 Espaces corporels et physiologiques

L’homme adulte pesant 70kg avec un indice de masse corporel entre 18 et 25/m² possède un espace hydrique d’environ 60% du poids corporel total (PCT) comprenant: sang: 5 litres dont 3 litres de plasma environ; liquide interstitiel: 15 litres; espaces intracellulaires:

25 litres. Le volume hydrique total: 45 litres et c’est le volume qu’occupera le xénobiotique qui ne se sera distribué que dans l’eau totale sans se fixer sur les tissus; ainsi que 40% d’espace tissulaire qui sont en grande partie protéiques (18% du PCT), lipides (15%) du PCT et minéral (7%). Cette composition peut varier en quantité et en qualité avec les facteurs de la vie (âge, poids, maladie).

3.2 Répartition sang-tissus des xénobiotiques

 La distribution du xénobiotique dans les tissus dépend de sa capacité à occuper les espaces corporels surtout des espaces protéo-lipidiques partant des espaces hydriques ; capacité qui dépend de son coefficient de partition entre l’eau et les graisses, évaluable par coefficient de partition octanol/eau log P et le coefficient de distribution log DpH. Un log P négatif signifie que le xénobiotique est très concentré dans l’eau que dans l’Octanol et vice versa.

3.3 Volume de distribution d’un xénobiotique

Le volume fictif exprimant le rapport de la quantité du xénobiotique présente dans l’organisme à sa concentration dans un site d’exploration bien déterminé se nomme volume de distribution (Vd). Il exprime la capacité d’un xénobiotique à se distribuer de façon plus ou moins intense dans les tissus de l’organisme. Si la concentration en xénobiotique est très faible dans le sang par rapport à la quantité présente dans l’organisme, le xénobiotique est très concentré dans le tissu. Plus une molécule est de haut poids moléculaire, plus son Vd est faible en raison de sa faible diffusion tissulaire, son incapacité de franchir les membranes cellulaires sauf au niveau du système réticuloendothélial présentant des récepteurs. Une molécule de faible poids moléculaire, facilement diffusible dans l’espace hydrique intra ou extracellulaire, aura un Vd identique à celui qui occupe l’espace hydrique total (45 litres), par exemple, la théophylline. Les xénobiotiques ayant des caractéristiques favorables pour leur diffusion dans le tissu et une forte capacité à se fixer auront des Vd plus élevés.

3.4 Le volume de distribution d’un xénobiotique (Vd) et ses conséquences

Le Vd exprime la capacité d’un xénobiotique à se distribuer plus ou moins intensément dans les tissus de l’organisme. Le Vd, en fonction du temps, est l’un des paramètres primaires avec impact sur les formes des courbes de concentrations. Plus le Vd d’un xénobiotique sera important, plus son Cmax sera faible. La demi-vie d’élimination d’un xénobiotique dépend de sa capacité à être éliminé de l’organisme. La grande clairance correspond une courte demi-vie d’élimination.  Il faut distinguer le rôle du Vd lors d’administration/exposition unique ou réitérée à un toxique.

3.5 Facteurs de variabilité du volume de distribution

1. Perfusion des organes: généralement, Plus la perfusion d’un organe est intense, plus la Vd est grande au travers de l’organe. Il suffit de faire la différence entre le Vd lorsque le xénobiotique entre dans le tissu et sa concentration dans le tissu lorsque l’équilibre entre le sang et le tissu exposé est atteint. Le xénobiotique sera vite capté si sa concentration artérielle et le débit du sang dans le tissu concerné sont élevés. C’est pourquoi le toxique lipophile se distribue lentement dans les graisses qui sont faiblement perfusées, mais qui occupe un espace tissulaire important. La distribution dans les graisses est lente, de même que sa redistribution dans le sang. Pendant son élimination et c’est cela qui conditionnera sa très longue demi-vie d’élimination observée dans le sang. La dioxine, hautement lipophile et dont les propriétés physicochimiques sont très favorables à sa diffusion passive est d’une distribution lente, le facteur limitant sa distribution n’étant pas sa perméabilité membranaire mais bien la perfusion tissulaire.
2. Perméabilité membranaire: le xénobiotique doit être capable de franchir les membranes biologiques et faire intervenir les mécanismes de passage par diffusion passive ou facilitée, par transport actif primaire ou secondaire. Échanger un xénobiotique entre le sang et le liquide extracellulaire est rapide tandis que celui entre le sang et le liquide intracellulaire est retardé car il dépend de leur vitesse de franchir les membranes biologiques. Leur distribution dans les tissus sera encore plus lente parce qu’elle est conditionnée à leur affinité pour les protéines et les lipides cellulaires.
3. Liaison aux protéines sanguines et tissulaires: capacité de se fixer aux protéines sanguines et tissulaires, principalement l’albumine (40g/litre chez l’homme sain), lorosomicoide ou alpha-1-glycoprotéine acide (environ 1g/litre) et les lipoprotéines. Les protéines plasmatiques ont un haut poids moléculaire. Un xénobiotique fixé à ces protéines franchira difficilement les membranes biologiques mais sa fraction libre les franchira au nom de ses propriétés physicochimiques. Dans le tissu, le xénobiotique sous sa forme libre pourra interagir par les protéines/lipides tissulaires et s’y lier. Le Vd d’un xénobiotique dépend de la liaison aux protéines plasmatiques et de sa capacité de fixation aux tissus. Liaison restrictive : le xénobiotique avec forte fixation à l’albumine et faible fixation aux tissus ; son Vd sera faible à cause de son incapacité à diffuser dans les tissus. Liaison permissive: le xénobiotique fortement fixé dans le sang aux lipoprotéines et aux cellules sanguines, aux lipides et aux protéines tissulaires = Vd élevé. On constate qu’en dépit d’une forte fixation aux protéines plasmatiques, sa forte affinité pour les tissus permet néanmoins une forte distribution tissulaire.

3.6 Notion de clairance de distribution

Il s’agit de la capacité à diminuer la concentration de xénobiotique pendant son trajet dans les capillaires pour se distribuer dans les tissus. La notion de clairance permet de comprendre les facteurs limitant la distribution des xénobiotiques dans les tissus soit en fonction du débit sanguin de l’organe en question, soit de sa perméabilité membranaire.

3.7 Les barrières internes de l’organisme

Il existe 4 barrières internes de l’organisme qui empêchent le passage des molécules par voie paracellulaire: la barrière hémato-encéphalique (BHE): entre le sang et le parenchyme cérébral (la substance blanche et grise) ; la barrière hémato-liquidienne (BHL): entre le sang et le liquide céphalo-rachidien (LCR); la barrière hématotesticulaire (BHT) : entre le sang et les testicules et la Barrière fœto-placentaire. La spécificité de ces dernières est qu’elles sont constituées des cellules à jonctions serrées et permettant de former des barrières étanches pour les échanges entre le sang et leurs compartiments respectifs. Le passage transcellulaire est le seul mécanisme possible pour un xénobiotique d’atteindre le cerveau.

Chapitre IV. Le métabolisme et l’élimination des xénobiotiques

Le rôle primordial du métabolisme des xénobiotiques est de protéger l’organisme en cas d’exposition. Il comprend trois phases principales qui transforment le xénobiotique en métabolites hydrophiles pour son élimination. Mais ce système n’est pas parfait et peut se révéler dans certains cas comme une source de toxicité, en engendrant des métabolites toxiques. Il existe des différences inter et intra-espèces qui doivent être prises en compte lors des évaluations surtout quant à l’utilisation des modèles animaux. Pour cela des mesures et thérapies individualiséess’imposent.

4.1 Les enzymes de phase I

–Les cytochromes P450 est le groupe le plus important de cette phase en plus des époxydes hydrolases. Il existe 57 gènes codants des CYP chez l’homme et ¼ concerné par le métabolisme des xénobiotiques. À partir de ces 107 gènes, 18 familles (1, 2,3…) et 45 sous-familles (A, B, C…) ont été définies en se basant sur le pourcentage d’homologie et 57 enzymes ont été caractérisées. Dix CYP sont concernées dans les réactions hépatiques et métabolisent 90% des médicaments. Dans son cycle catalytique, le CYP450 utilise 3 éléments obligatoires qui rendent ses réactions possibles: la présence d’un hème, la présence d’un dioxygène (O2) et un apport d’électrons qui dépend de la CYP réductase (coenzyme : NADPH, H+).

–Les époxydes hydrolases sont également les enzymes de phase I, restent dans le cytoplasme, convertissent les groupements époxydes. Le principal rôle est de permettre la détoxication des molécules portant des époxydes réactifs qui peuvent former des adduits sur les protéines ou les acides nucléiques comme l’ADN.

4.2 Les enzymes de phase II

Utilisent le groupement réactif formé par les enzymes de la phase I pour former un composé soluble dans l’eau et pour être éliminé dans les urines, sueur…plusieurs variétés de ces enzymes existent (GST, UGT, SULT, NAT et MT) dans le foie et peuvent produire des intermédiaires toxiquesà l’instar des enzymes de phase I. Au niveau de la cellule, les EMX de phase II sont surtout cytoplasmiques et pour réagir les substrats de nature variée, comme glutathion, Acétyl-coA, etc.

–Les glutathion-S-transférases: Les GST sont une famille d’enzymes majoritaires des protéines hépatiques, cytoplasmiques et parfois localisées dans les microsomes, mitochondries et même le noyau. Elles peuvent jouer le rôle de transporteursdes xénobiotiques. La formation de glutathion conjugué sert dans la détoxication des composés aromatiques halogènes, des peroxydes lipidiques et des composés à groupement époxyde produits par les CYP.

–Les UDP-glucuronosyltransférasesau nombre de 16 chez l’homme, sont un relais des CYP dans le réticulum endoplasmique. Permet la production rapide d’un métabolite conjugué qui limite la toxicité de se produire dans la cellule et autres compartiments.

-Les sulfotransférase: les SULT (11 enzymes) provoquent le transfert de sulfate d’une molécule donneuse (PAPS) vers un groupement amine ou hydroxyle.

–Les N-acétyltransférase: les NAT sont une exception de cette catégorie, elles sont catalyseurs d’une acétylation créant un composé peu soluble dans l’eau que leur substrat. NAT1 et NAT2 sont des enzymes amplement polymorphes.

4.3 Les transporteurs de phase III

Permettent le transfert des xénobiotiques ou de leurs métabolites produits par les phases I et II au travers des membranes biologiques. Ils sont classés en deux familles:

–Famille des ABC (ATP Binding Cassette) qui utilisent l’énergie fournie par l’ATP hydrolysé au cours du transport du métabolite;

–Famille des SLC (Solute Carrier) qui réalisent un transport facilité, transport selon le gradient ou sont des transporteurs actifs secondaires (transport contre le gradient, résultant d’un transport actif d’un composé co-transporté.

4.4 Production de métabolites toxiques par le métabolisme des xénobiotiques

L’intensification des réactions des enzymes et transporteurs du métabolisme a pour but l’élimination du xénobiotique et la protection de la cellule contre les effets de celui-ci. Mais ces protéines créent par moment des processus toxiques comme dans le cas de cytochromes P450 qui induit le benzo(a)pyrène, pouvant contaminer l’air ou la nourriture et pourtant classé parmi les quinze carcinogènes définis par l’OMS et dont certains métabolites sont hautement mutagènes.

–L’activité des CYP1: génératrice de stress oxydant: le benzo(a)pyrène est un ligand du AhR et un substrat des CYP1, mais la cohabitation intracellulaire de benzo(a)pyrène avec des CYP dont il provoque l’induction peut être à la base d’un stress oxydant toxique.

–L’activité des CYP : génératrice des métabolites toxiques: Le principal facteur de risque de cancer du poumon étant l’exposition au benzo(a)pyrène contenu dans la fumée de la cigarette; le benzo(a)pyrène est rarement lié à l’ADN alors qu’on le retrouve paradoxalement lié à l’ADN sous forme d’adduits mutagènes et ce, suite à la production des métabolites réactifs du benzo(a)pyrène par les enzymes du métabolisme des xénobiotiques, à leur tour induite par le benzo(a)pyrène.

– L’activité des CYP1: rôle biologique des molécules toxiques: Ces molécules permettent un bon équilibre entre les activités des enzymes des phases I et II, ce qui est utile à la voie du métabolisme et empêche les intermédiaires toxiques de s’accumuler.  Les DRO doivent être produits de façon équilibrée pour bien jouer leur rôle physiologique plutôt que toxique. Une seule CYP peut métaboliser des centaines de molécules ; dans certains cas, les produits de CYP interagissent avec d’autres cibles que les enzymes de phase II, ce qui provoque la toxicité, ceci est un de ses effets secondaires.

4.5 Un métabolisme plus ou moins protecteur : l’apport des modèles KO « Le métabolisme des xénobiotiques pourrait être plus délétère que bénéfique ». Cette hypothèse est née de l’exemple de benzo(a)pyrène; elle s’appuyait sur des exemples des métabolismes aboutissant à la formation de métabolites toxique. L’hypothèse a été testée par le modèle des souris « (Knock-out) (KO) » de nombreux modèles KO ont été produits pour chaque récepteur, enzyme ou transporteur du métabolisme des xénobiotiques. Pour le paracétamol, le modèle CYP1A2 ou CYP2E1 KO sont beaucoup moins sensibles concernant la toxicité. Le métabolisme est protecteur pour un grand nombre des xénobiotiques testés. En termes de connaissance sur les mécanismes des xénobiotiques, les souris KO apportent des résultats élémentaires, garantissent que les animaux peuvent être utilisés en pharmacologie et en toxicologie, en dépit des différences en termes de prise en charge des xénobiotiques inter-espèces mais aussi intra-espèces.

4.6 Différences intra et inter-espèces

4.6.1 Différences intra-espèces:les différences dans les niveaux d’expression d’EMX signifient que les conditions physiologiques, un traitement médicamenteux en cours ou l’existence d’un polymorphisme dans le promoteur peut faire que des différences dans la quantité d’EMX intracellulaire concernant les niveaux basaux et les niveaux induits. L’activité induite du CYP1A1 peut, selon les individus, varier dix fois et cela entraine les différences de métabolisme.

4.6.2 Différences inter-espèces: les différences ont été rencontrées aussi lors des tests précliniques de médicaments liés aux différences inter-espèces portant sur le récepteur

(AhR, PXR, CAR), sur les transporteurs et les enzymes avec un nombre très variable de 101 CYP chez la souris et 57 chez l’homme.

4.6.3 Les souris humanisées: produire des animaux possédant les mêmes stocks enzymatiques que chez l’homme afin de parvenir à des études plus fidèlespour le métabolisme des xénobiotiques comme ce qui peut s’observer en clinique est le point visé. L’intérêt de ce modèle en pharmacologie est plus grand mais aussi en toxicologie et pour des généralisations des études mécanistiques. Trois grandes approches sont possibles:

1. Production d’une souris transgénique portant pour transgène, l’ADN complémentaire (ADNc) de l’enzyme que l’on souhaite exprimer sous la dépendance d’un promoteur activé dans un ou plusieurs types cellulaires 2. Production d’une souris transgénique portant pour transgène un clone génomique humain (BAC, PAC, phage, lambda)
2. Production d’une souris « Knock-in » (dont le gène murin est remplacé par le gène humain correspondant.

Les enzymes de phase I, II ou les transporteurs de phase III étant suffisamment connus dans les organismes modèles et permettant de comprendre les métabolismes spécifiques de chaque individu du point de vue pharmacologique et toxicologique ; le développement des modèles humanisés constitue une première solution pour contourner ces problèmes, mais il existe déjà d’autres techniques qui permettent d’éviter ces problèmes, comme les méthodes de toxicologie prédictive in silico.

Chapitre V. Mécanismes d’action et voies de signalisation activées

-La voie adaptative spécifique: détecte certains xénobiotiques et enclenche un mécanisme de signalisation permettant d’activer leur élimination (Voies AhR, PXR et CAR), voie biologique essentielle permettant à l’organisme de survivre dans un environnement ayant des dizaines de milliers de molécules différentes.

-Deuxième voie adaptative plus générale qui active des systèmes communs à tous les stress cellulaires comme la régulation du cycle et de la mort cellulaire ou processus inflammatoires (voies P53, NF-KB, Nrf2…)

-La troisième catégorie: voie ciblée par les xénobiotiques en dehors de tout rôle adaptatif, par exemple, lorsqu’un médicament est utilisé pour perturber telle ou telle voie biologique ou lorsqu’un polluant perturbe un système hormonal…

5.1 Mécanismes généraux modulés par les xénobiotiques

Les mécanismes liés à leurs propriétés réactives qui amènent à des modifications chimiques de leur cible moléculaire avec des liaisons covalentes parfois irrémédiables à court terme ;

Les mécanismes liés à leurs propriétés de liaison vis-à-vis de certaines cibles ou récepteurs impliquant des liaisons non covalentes et réversibles sur un délai court. L’affinité des xénobiotiques pour ces cibles est un élément essentiel;  Les mécanismes liés à leur capacité à perturber l’environnement cellulaire sans affecter une cible particulière. On trouve ici des composés capables de moduler le pH ou de perturber les gradients électrochimiques.

5.2 Voies de signalisation modulées par la réactivité des xénobiotiques

-Différentes formes de réactivité: les nucléophiles (ADN, ARN, protéines) réagissent avec des composés électrophiles produits par des réactions d’oxydation ou par départ d’un groupe. Ils réagissent également avec des DRO formés au cours de réductions.

-Le stress oxydant: lorsque le système basal qui régule la quantité de DRO dans la cellule est débordé, cela provoque un risque de toxicité. De nombreux xénobiotiques sont capables de provoquer un stress oxydant dans la cellule, par une production trop importante de DRO ou une déplétion de molécules antioxydantes.

-Une voie de signalisation en lien avec le stress oxydant: Nrf2:c’est une voie de signalisation qui régule une part importante de l’expression d’enzymes antioxydantes:

Enzymes de phase II : NAD(P)H quinone oxydoréductase I (NQOI), hème oxygénase-I (HO-I), glutathion-S-transférase (GST) microsomal ou non;

Enzymes ou molécules antioxydantes: thioredoxine (Trx), gammaglutamylsystéine synthétase (gamma GCS), glutathion reductase (GR), superoxyle dismutase-1(SODI), glutathion peroxydase (GPx);

Transporteurs de phase III.

Enfin, le complexe Nrf2-Maf est un facteur de transcription qui se lie à des éléments de réponse appelés ARE ou EpRE (Anti-oxydant Responsive)

-L’Adductome: est un ensemble des adduits présents dans un milieu biologique. Un adduit est un composé lié de manière covalente à une macromolécule cellulaire. L’ADN est la macromolécule cible la mieux étudiée concernant les adduits.  5.3 Voies de signalisation modulées par la liaison à des récepteurs

5.3.1 Mécanismes généraux activés par les xénobiotiques à la suite de la liaison à une protéine cible : les modes d’action sur les cibles comme les enzymes par plusieurs effecteurs d’origine étrangère à l’organisme sont variés. Dans la catégorie des enzymes michaeliennes, les inhibiteurs compétitifs, incompétitifs et non compétitifs ont été caractérisés de même que les enzymes allostériques qui peuvent lier les polluants agissant sur les paramètres d’affinité ou de catalyse selon le mode d’action des effecteurs allostériques.

L’acétylcholine estérase (neurotransmetteur) est une enzyme très importante pour le fonctionnement des synapses cholinergiques au niveau desquels il est libéré et qui active les récepteurs (également cholinergiques) pour permettre la transmission de messages électriques entre deux neurones ; L’acétylcholinestérase localisée au niveau de la zone post-synaptique, catalyse la dégradation de l’acétylcholine, empêchant ainsi l’accumulation du neurotransmetteur dans la fente et une suractivation. Les inhibiteurs de l’acétylcholinestérase bloquent le fonctionnement du siège de l’activité de l’enzyme.  5.3.2 Mécanismes généraux d’activation des récepteurs de xénobiotiques: La régulation EMX: Ici la cellule n’induit la voie de détoxication d’un xénobiotique que lorsqu’elle y est exposée. Les récepteurs des xénobiotiques, qui sont aussi des facteurs transcriptionnels détectent la présence des xénobiotiques et transmettent l’information au niveau des gènes des EMX ; ceux-ci par le biais de leurs liaisons à ces protéines réceptrices, activent leur propre métabolisme et donc leur propre élimination.

5.3.3 Les différents récepteurs des xénobiotiques: AhR: appartient á la famille PAS comprenant les protéines Per, ARNT, Sim et de nombreuses protéines impliquées dans la régulation des rythmes circadiens chez la drosophile. Son expression plus marquée au poumon, le foie et le placenta, mais aussi basiquement dans les tissus. Les dioxines, furanes, PCBs, hydrocarbures aromatiques polycycliques sont des ligands du AhR avec une structure plane et sont très hydrophobes, d’autres sont des POPs. Le dimère AhRARNT fixe les XRE et régule par le recrutement de coactivateur et du complexe basal de transcription, l’expression de ces gènes cibles.

Gènes cibles identifiés:

• MX avec les cytochromes P450 de la famille 1 (CYP1A1, 1A2, 1B1 et enzymes de phase II et III)
• Cytokines pro-inflammatoires;
• Gènes impliqués dans la migration, la prolifération et la différenciation cellulaire.

PXR et CAR : sont des protéines de la famille des récepteurs nucléaires, comme ceux des œstrogènes ou des androgènes, ils possèdent une structure protéique en six domaines.

Contrairement aux AhR, PXR et CAR sont exprimés seulement dans le foie et l’intestin où ils assurent le rôle de barrières primaires face aux ligands présents dans l’alimentation.Le partenaire des deux récepteurs, RXR joue également un rôle régulateur car il est luimême activé par les ligands des rétinoïdes, ce qui signifie que les concentrations de ces molécules influencent la sensibilité de la réponse des deux voies.

PXR et CAR jouent aussi un rôle dans la régulation de métabolismes endogènes, c’est le cas pour CAR de celui:

de la bilirubine, produit de la dégradation de l’hème et responsable de l’ictère en cas de surconcentration en raison de sa couleur jaune. Chez le nourrisson, la faible expression de CAR contribue souvent à l’apparition de l’ictère du nourrisson car la bilirubine en excès n’est ni détectée par CAR, ni éliminée par les EMX régulé par celui-ci.

Du glucose avec une interaction croisée avec le métabolisme hépato-spécifique néoglucogénique.

Le PXR est constitué par la présence des acides biliaires en fortes concentrations.

5.3.4 Perturbations endocriniennes et récepteurs nucléaires: les PE sont des xénobiotiques capables de porter atteinte à la quantité ou au fonctionnement des hormones et par conséquent sur la santé de l’homme et sur l’environnement. Il y a des PE avérés et des PE suspectés en grand nombre, les plus importants sont des pesticides, des plastifiants, des retardateurs de flamme bromés, les dioxines et PCB…

Les principales cibles de PE sont des œstrogènes et les androgènes mais des forts arguments existent à propos des systèmes thyroïdien et insulinique.

Système œstrogénique: activation partielle (souvent associé à un effet inhibiteur en présence de l’hormone) du récepteur de l’œstradiol. L’effet peut porter sur les enzymes de sa synthèse ou de sa dégradation.

Pour les androgènes: le cas le plus fréquent est celui de l’inhibition du récepteur de la testostérone, avec parfois un effet sur la quantité d’hormone.

Les PE ont mis en évidence des modes assez nouveaux de toxicité. Certains présentent des relations dose-effet inattendues puisque les courbes correspondantes ne sont pas répétitives. Il existe de PE ayant des effets à dose faible ou modérée qui se réduit à dose forte. L’autre propriété concerne les périodes de vulnérabilité des organismes.

5.3.5 Des voies de signalisation alternatives: les signaux secondaires caractérisés postérieurement, activés par certaines voies de signalisation, revêtent une importance majeure comme le cas de Kinases.

-Un nouveau mécanisme d’action a été récemment mis en évidence au niveau membranaire: le benzo(a)pyrène (BAP) lie et active un récepteur membranaire de catécholamines appelé β2ADR conduisant à l’activation séquentielle d’une protéine G et d’une adénylate cyclase puis à la production de seconds messagers comme l’AMPc et à l’entrée d’ion calcium (Ca2+) dans les cellules endothéliales.

Chapitre VI. Approches méthodologiques 

S’assurer que les gens qui vivent dans un environnement, travaillent dans une industrie, utilisent les cosmétiques, aliments ou médicaments le font en toute sécurité est le rôle du toxicologue. Il caractérise les effets nocifs de ces substances pour l’humain quelle qu’en soit la forme (gaz, liquide, solide) afin d’identifier la nature des effets indésirables induits par l’exposition à la substance et établit la relation de la dose d’exposition et la réponse induite. Le risque sur la santé est lié à l’ampleur, à la fréquence, à la voie et à la durée d’exposition.  Mais ce qui permet de réaliser l’évaluation des risques, c’est l’évaluation des dangers combinée à la caractérisation de l’exposition. Ces approches visent à établir le profil toxicologique d’une substance et détermine des doses seuils pour les médicaments, limites d’exposition aux pesticides, contaminants alimentaires, ingrédients cosmétiques, des mesures de protection pour les personnes travaillant avec les produits toxiques. Ces approches ne se limitent pas aux aspects réglementaires de la toxicologie, elles s’appliquent au domaine de la recherche pour investiguer comment agissent des toxiques, se référant aux protocoles et procédés d’analyses jusqu’aux plus innovantes afin de répondre aux questions de recherche.

6.1 Modèle in vivo: utilisation des animaux de laboratoire

6.1.1 Les différents modèles d’animaux sont utilisés surtout la souris et le rat, peu encore le lapin et le cochon d’Inde, mais par moment le chien et le cochon nain pour des raisons économiques et de similitudes physiologiques et moléculaires proches de celles trouvables chez l’homme.

6.1.2 Les modalités d’exposition: voies et durée/fréquence (voie orale, voie respiratoire et voie cutanée). Peuvent aussi s’ajouter d’autres voies pour les médicaments (IM. IV etc.). Si la voie orale est étudiée de façon systématique, l’étude des autres voies dépend des propriétés et des usages de la substance à évaluer. Le produit peut être administré par sondage gastrique ou en ajoutant le produit à l’eau de boisson ou dans la nourriture et on détermine les quantités bue ou ingérées afin de savoir quelle est la dose administrée. Il faut s’assurer qu’il n’y a pas de modification de la biodisponibilité de la substance par interaction avec les composés nutritifs.

Pour la voie dermique, la substance est appliquée sur la peau rasée, saine et scarifiée avec l’application d’un pansement plus ou moins occlusif qui favorise sa pénétration.

L’exposition par voie respiratoire: l’évaluation se fait en général par inhalation en minant aux mieux l’exposition pulmonaire qui se produit en conditions naturelles. L’animal placé en chambre d’inhalation où est introduite la substance à tester (exposition « corps entier »); il existe aussi « nez seulement » où l’animal est placé en chambre de contention afin que son nez soit au contact de la substance diffusée dans une enceinte ouverte au niveau du nez. Permet le contrôle de l’exposition et évite une exposition secondaire par voie orale si l’animal léchait les poils, bonne pour des expositions de courte durée.

Quatre protocoles d’exposition existent: l’exposition aigue (moins de 24h et unique); l’exposition subaiguë (exposition répétée et prolongée, inférieure à un mois) ; l’exposition subchronique (répétée comprise entre 1 et 3 mois) et l’exposition chronique(répétée plus de 3 mois et allant jusqu’au 2/3 de la vie de l’animal).

6.1.3 Les paramètres toxicologiques étudiés sont la toxicocinétique de la substance et l’identification des effets et leurs gradations selon les doses et le temps d’exposition.

Les études de la toxicité aiguë: réalisées pour déterminer la dose qui représente un danger immédiat pour l’organisme. Elles conduisent à la détermination de la dose effective médiane (DE50), ce qui signifie la quantité qui affecte la moitié d’un groupe d’animaux d’une espèce donnée dans des conditions définies. Si le critère de toxicité est la mortalité, permet de calculer la dose létale médiane (DL50), sert d’établir la toxicité relative à la substance. A cette évaluation de la toxicité aiguë systémique, se joignent des études de toxicité aiguë localevisant à évaluer le caractère irritant, corrosif, sensibilisant de la substance pour la peau, les yeux et les voies respiratoires.

Les études d’expositions répétées (aigue, subaiguë, subchroniques et chroniques) évaluent les effets indésirables résultant d’une exposition à long terme à la substance. Se basent sur les effets systémiques possibles de la substance testée pour déterminer des valeurs critiques de doses. Nécessité de répétition de mesure de divers paramètres cliniques, physiologiques, biochimiques pour déceler les effets de la substance sur l’organisme et identifier les organes toxico-sensibles. Après l’exposition, les animaux sont sacrifiés et l’organisme entier est exploré pour détecter des atteintes structurales et fonctionnelles des organes.

L’évaluation de l’impact sur la reproduction et le développement du fœtus pour déterminer l’effet toxique sur les organes reproducteurs, la fertilité chez le male et la femelle, le fœtus et le nouveau-né afin d’identifier des molécules tératogènes et un éventuel effet sur le développement prénatal et post-natal est dotée des protocoles spécifiques. L’évaluation du potentiel tératogène nécessite d’exposer des femelles gestantes pendant toute la durée de la gestation. La toxicité pour la reproduction est testée en exposant des mâles et des femelles à la substance avant et après l’accouplement, l’exposition est poursuivie jusqu’à ce que la progéniture ait atteint la maturité

6.1.4 Intérêt et limites des études de toxicité chez l’animal: êtres vivants avec tissus ayant une physiologie apparentée à ceux des humains, possibilité de réaliser les études de toxicité systémique à long terme pour évaluer la cancérogénicité; évaluation la toxicité pour la reproduction et le développement possible, mais avec plusieurs limites: les réponses peuvent varier entre espèces et cela limite les extrapolations à l’homme. Recul sur l’évaluation des médicaments, ces évaluations précliniques chez l’animal ne sont pas plus prédictives des effets cliniques; différences toxicocinétiques métaboliques de régime alimentaire font partie des raisons rendant difficile l’extrapolation inter-espèce; leur coût reste très élevé…

6.2 Modèles in vitro : utilisation de culture de cellules

Ici on voit croître sous contrôle les cellules ou tissus issus d’un organisme multicellulaire (animal ou homme), en un milieu artificiel appelé milieu de culture où ils sont à mesure de se multiplier, se diviser, exprimer leur métabolisme et des fonctions spécifiques, comme si ces derniers étaient contenus dans leur tissu du départ.

6.2.1 Types de cellules: Cellules primaires-lignées cellulaires: les tests se réalisent sur les cultures primaires ou des lignées cellulaires. Les cultures cellulaires résultent directement des cellules prélevées dans un organisme dont la durée de vie est limitée, ce qui réduit leur expansion in vitro; leur culture est associée à leur différenciation. Étant amputées de leur milieu naturel, leur prolifération se fait en même temps que leur perte des fonctions spécifiques. Certaines s’adaptent dans ce nouvel environnement et pas d’autres. L’obtention de certaines cellules humaines d’organes internes est possible en opération chirurgicale, transplantation ou en post-mortem, donc, posent problèmes.

Les lignées cellulaires dérivent des cellules cancéreuses ou ils sont devenus immortels par transfection d’un oncogène viral réalisée au laboratoire à partir de cellules primaires. Dans ces lignées, les cellules sont homogènes et normalement stables au cours des ensemencements successifs tandis que les Cellules souches sont une alternative aux cellules primaires et lignées cellulaires. La mise au point de la technique qui permet de créer des cellules souches pluripotentes (dites iPS) à partir d’une cellule humaine somatique normale offre l’opportunité d’utiliser ces cellules pour obtenir les différents types de cellules nécessaires à une investigation toxicologique provenant du même gène, elle ouvre même la porte à une toxicologie personnalisée.

6.2.2 Méthodes de culture: 2D – 3D – Co-culture: certaines cellules pour survivre, se diviser et exprimer leurs fonctions spécifiques ont besoin de s’attacher à une surface. La croissance en deux dimensions c.à.d. une monocouche des cellules cultivées sur une surface plane et submergée de milieu de culture, empêche la plupart de cellules de maintenir la différenciation cellulaire qui proviendrait du manque d’informations structurales. Ce mode de culture favorise la prolifération; ce qui implique de repiquer régulièrement les cellules empêchant d’étudier les effets à long terme sur une même population cellulaire. La culture en 2D est facile du fait que beaucoup d’études toxicologiques sont toutefois réalisées dans ces conditions. De plus la possibilité de miniaturiser les dispositifs de culture et d’automatiser les ensemencements, traitements et analyses permettent des études à haut débit dans un but de criblage rapide de substances. Pour préserver la différenciation des cellules, des cultures en trois dimensions se développent, permettant l’interaction des cellules avec leur environnement en trois dimensions. Des options sont proposées pour améliorer la différenciation et les performances des hépatocytes en culture et permettre de perdre la clairance hépatique in vivo pour une évaluation du métabolisme in vitro.

6.2.3 Paramètres toxicologiques étudiés: la cytotoxicité basale est appréciée par des observations morphologiques et par des évaluations de la viabilité basée sur la mesure de l’intégrité membranaire (test du réglage de l’enzyme cytosolique, lactate déshydrogénase, incorporation de bleu tympan ou d’iodure de propidium) ou encore le maintien du métabolisme énergétique (niveau d’ATP, test au sel de tetrazolium). En cas de mort cellulaire, des tests spécifiques permettent de déterminer s’il s’agit d’une mort par nécrose ou apoptose. Les différents mécanismes de toxicités peuvent être étudiés par les tests dédiés. La réalisation d’une batterie de tests permet de réaliser des paramètres phénotypiques et fonctionnels.

6.3.4 Intérêts et limites des cultures cellulaires : avantages: utilisation des cellules humaines facilite l’extrapolation à l’homme et évite les différences inter-espèces; études de l’effet direct d’une substance sur une cellule cible sans interférence hormonale, nerveuse et métabolique, les conditions physicochimiques de réalisation bien contrôlées garantissant que les effets observés sont directement reliés à l’exposition à la substance testée. Possibilité de tester une large gamme de dose et de temps d’exposition pour une caractérisation complète de la toxicité d’un composé par l’analyse d’un nombre important de paramètres; la miniaturisation des dispositifs expérimentaux permet de n’avoir besoin que d’une faible quantité de substance; possibilités d’automatisation et de robotisation qui permettent d’avoir des données à haut débit et donc de trier rapidement de nombreux composés sur la base d’une série de critères de toxicité ciblant les fonctions cellulaires clés…Limites: conditions de cultures pas physiologiques en ce qui est de matrice extracellulaire, de densité cellulaire, en particulier pour les cultures 2D, utilisant un seul type de cellule, ne tient pas compte d’interaction cellulaire, les cellules sont généralement d’origine monoclonale et peuvent dégénérer au cours de la culture, conditions de cultures pas homéostatiques: changement brusque de milieux de culture , déplétion continue des éléments nutritifs et accumulation de déchets du métabolisme; de cellules cancéreuses utilisées pouvant affecter l’interprétation des résultats…

6.3 Modèles in silico: approche non expérimentale

6.3.1 SAR et QSAR: La relation entre structure chimique et activité pour une série de composés pouvant concerner la liaison à un récepteur, la sensibilité au métabolisme de CYP450, la toxicité aiguë…est décrite par les relations structure à activité (SAR), terme qui recouvre différentes approches allant de similarité ou de diversité des molécules à l’établissement de modèles mathématiques liant les caractéristiques structurales et les propriétés physicochimiques d’un composé à un effet toxicologique donné pouvant se mesurer.

Quant au QSAR, ce sont des données toxicologiques expérimentales ou issues de base de données qui servent de base pour le développement d’un modèle prédictif. Les modèles RSA (SAR), peuvent aider à prédire les propriétés toxicologiques de substances non encore évaluées sur la base de propriétés connues des substances chimiques apparentées qui présentent ces aspects et permettent de se faire une idée du mécanisme par lequel le composé peut interagir avec les systèmes biologiques.

6.3.2 Les modèles toxicologiques classiques et PBPK: les modèles de compartiments de type classique et les modèles physiologiques décrivant le devenir des substances toxiques dans un organisme vivant au cours du temps se basent sur la subdivision de l’organisme en compartiments dans lequel la substance est supposée se distribuer de façon homogène. Seuls quelques compartiments liés par des échanges de substance définissent un modèle toxicologique classique. Selon ce modèle, un compartiment central est défini et des compartiments périphériques sont ajoutés jusqu’à l’obtention d’un ajustement correct du modèle aux données.

Modèles toxicologiques classiques: le plus simple est le modèle mono-compartimental où l’organisme est représenté en un seul volume de distribution homogène. La concentration du produit dépend uniquement de la dose d’exposition, elle-même fonction de la voie d’administration et de la clairance métabolique et/ou urinaire du produit. En général, le processus d’absorption et d’élimination sont des processus de premier plan, la vitesse dépendant de la concentration. Les compartiments sont liés entre eux à l’aide de constante de transfert exprimant là encore des réactions d’ordre 1.

Pharmacocinétique basée sur la physiologie ou PBPK: améliore la caractérisation des relations dose-réponse pour sa capacité à extrapoler entre différentes conditions expérimentales et à donner des informations sur des cinétiques locales (tissulaires). Le modèle PBPK permet une connaissance réelle du système, subdivise l’organisme en compartiments représentant des tissus ou organes et les relie entre eux par l’intermédiaire d’un fluide circulant (souvent le sang). Les paramètres du modèle correspondent à des entités physiologiques et biochimiques spécifiques de l’organisme de la substance étudiée, telles que les volumes des organes, la perfusion tissulaire, les affinités de la substance pour les tissus ou encore les vitesses du métabolisme. Les objectifs du modèle sont de réaliser des simulations afin de tester des hypothèses et des extrapolations d’une espèce à l’autre ou encore de l’in vitro à l’in vivo.

Étapes nécessaires: sélection des compartiments, définition de l’architecture, l’écriture mathématique, les estimations des paramètres et l’utilisation du modèle dans d’autres conditions. Seuls les organes ou tissus nécessaires à la description des processus pharmacocinétiques sont inclus. Ainsi, les sites d’absorption et les sites du métabolisme et d’élimination sont toujours présents et sont ajoutés en complément, d’autres compartiments représentant des groupes généraux de tissus.

 

6.4 La toxicologie prédictive

Il est question de profiter des progrès de la biologie cellulaire et moléculaire associé à celui de la technologie qui ont permis d’améliorer les systèmes de cultures, de les rendre automatisablespour les études à haut débit, d’obtenir des données à haut contenu par imagerie, de disposer, grâce aux approches omiques d’une vision élargie et la mise en œuvre de nouvelles stratégies dévaluation intégrant des méthodes alternatives à l’expérimentation animale.

6.4.1 Concept d’AOP (voie impliquée dans des effets indésirables): une AOP décrit un lien causal entre un événement moléculaire initiateur provoqué par le toxique, des événements clés intermédiaires et les effets indésirables pour l’individu ou la population. L’idée est que si les voies de réponses cellulaires sont suffisamment perturbées, des effets sanitaires néfastes en résulteront. Sa construction repose sur des données mécanistiques pour identifier les voies biologiques qui sous-tendent une toxicité donnée et l’estimation du niveau de perturbation que chaque voie peut tolérer sans l’induction de voies spécifiques de toxicité. L’identification d’événements clés dans une voie de toxicité doit aboutir à la conception des nouveaux tests in vitro pour mesurer spécifiquement cet événement et peut orienter le développement des biomarqueurs spécifiques de l’événement impliqué.

6.4.2 Stratégie d’analyses intégrées: compiler toutes les données préexistantes sur l’expérimentation in vivo sur la substance et celles structurellement apparentées ainsi que celles acquises par les méthodes in vitro et in silico pour décourager peu à peu la conception des nouvelles expérimentations in vivoreste l’idée centrale de la stratégie d’analyses intégrées…

Chapitre VII. Pathologies toxiques tumorales

7.1 Introduction

Il existe trois catégories d’agents cancérogènes selon la classification réglementaire de l’Union européenne (catégorie 1A, catégorie 1B et la catégorie 2).

Catégorie 1A: substance que l’on sait être carcinogène pour l’homme, les éléments établissant la relation entre l’exposition à la substance et l’apparition d’un cancer existent et sont suffisamment prouvés;

Catégorie 1B: substance devant être assimilée à un carcinogène, les éléments pour justifier une forte présomption de causalité entre l’exposition et la survenue d’un cancer, généralement fondée sur des études à long terme sur l’animal et d’autres informations appropriées, existent. Les résultats positifs sur deux espèces animales ou éléments indiscutables sur une espèce animale, avec des éléments secondaires sont exigés. Catégorie 2: substance préoccupante pour l’homme en raison d’effets carcinogènes possibles, il existe deux cas de figure ou la substance est suffisamment étudiée, mais il n’existe pas d’effets tumorigènes suffisants pour le mettre dans la catégorie 1B, soit la substance est suffisamment étudiée mais les données présentées sont inadéquates.

D’autres classifications existent comme celle du CIRC qui donne une liste des agents carcinogènes avérés (groupe 1), ou probable (groupe 2A) … pour l’homme.             

7.2 Cancers liés aux xénobiotiques

Tous les toxiques ne génèrent pas le cancer chez l’homme. Les agents carcinogènes pour l’homme sont de trois origines: professionnel (soudeur, verrier, travailleur de l’industrie, etc.) et environnemental (pollution atmosphérique); comportemental (fumée du tabac, alcool, habitudes alimentaires, etc.), selon que l’on dispose d’indications suffisantes ou indications limitées de leurs effets carcinogènes.Certains sites de cancers sont fortement liés à une exposition à un carcinogène. Un xénobiotique induit une transformation néoplasique préférentiellement de certains types cellulaires.

L’identification de carcinogènes a pour fondements des analyses épidémiologiques (études de cohorte comparant les exposés aux non exposés et des études cas-témoins), des études expérimentales sur l’animal, ainsi que des études mécanistiques (sur cellules in vitro qui confortent les données recueillies in vivo, comme les études de génotoxicité.

7.3 Processus impliqués dans le mécanisme des carcinogènes

7.3.1 Mécanismes d’action des cancérogènes: il s’agit des mécanismes à plusieurs étapes depuis l’entrée du toxique dans l’organisme jusqu’à son interaction avec les cellulesà l’origine du développement de la tumeur. Après dépôt dans l’organisme par l’une des voies étudiées (orale, pulmonaire, cutanée) constituant les interfaces avec les milieux environnants, les agents présentent une biodistribution dans l’organisme qui dépend de la voie d’entrée, de leur nature physicochimique, des mécanismes d’épuration et de rétention. Ainsi, de nombreux paramètres modulent le devenir des xénobiotiques dans l’organisme. Les réactions locales qu’ils engendrent et les cellules cibles qu’ils endommagent engagent un processus néoplasique (carcinogenèse)

7.3.2 Mécanisme de cancérisation des cellules: la carcinogénèse a plusieurs étapes et prend du temps. Les cellules ont lentement et en continu des caractéristiques nouvelles qui les différencient de cellules normales. Elles se divisent et se multiplient anarchiquement en échappant aux mécanismes de contrôle interne et externe.

Oncogènes et gènes suppresseurs de tumeur sont définis par leurs fonctions: Les oncogènes sont des proto-oncogènes qui sont les gènes cellulaires normaux qui se définissent quand s’observe dans le génome de certains virus animaux la présence de proto-oncogènes altérés, capables de provoquer des tumeurs. Ils sont activés par mutation, translocation, fusion avec un autre gène. Les gènes suppresseurs de tumeur sont des gènes cellulaires qui sont inactivés par mutation ou délétion. Ils concernent les gènes régulateurs négatifs de la prolifération cellulaire intervenant par exemple pour bloquer la prolifération cellulaire, activer l’apoptose ou contrôler l’intégrité de l’ADN.

Stress cellulaire: Le stress oxydant est un déséquilibre de la balance entre les systèmes de défense Anti-oxydants et les pro-oxydants en faveur de ces derniers occasionné le plus souvent par les principaux acteurs qui sont les espèces réactives de l’oxygène (ERO) ou de l’azote (ERN) qui exercent une réaction sur l’ADN ou génèrent des molécules plus stables qui interagissent avec l’ADN. L’oxygène produit au niveau des mitochondries des

ERO affectent l’intégrité des cellules lorsqu’elles sont en excès. Le stress mécanique: la forme de cellules, l’interaction entre celles-ci avec la matrice extracellulaire et les contacts cellule-cellule sont pris en charge par les forces mécaniques.Donc, les xénobiotiques sont capables d’engendrer ces stress et des réponses cellulaires jusqu’à l’évolution d’un cancer, en favorisant la prolifération.

L’homéostasie cellulaire est ce processus qui vise l’équilibre entre la croissance et la mort cellulaire par apoptose, anoïkis, nécrose, nécroptose, nécrose programmé, ferroptose… et la sénescence est une réponse au stress oncogénique, une propriété des cellules normales. En cas de dommages cellulaires trop importants, les mécanismes de mort cellulaire entrent en jeu pour une protection contre la cancérisation surtout par apoptose, ce qui se solde par une destruction de cellules dont les débris sont pris en charge par les cellules résidentes. La dérégulation physiopathologique est un processus d’adaptation aux nouvelles conditions métaboliques ayant fait suite à des altérations des gènes et des voies de signalisation. L’évolution clonale dans les cancers est l’acquisition par les cellules des altérations somatiques génétiques et épigénétiques et la modification de leur environnement.

Il existe, selon Hanahan, dix caractères que les cellules acquièrent au cours du processus tumoral : 1) Une instabilité génétique et des mutations géniques 2) une prolifération autosuffisante, 3) l’échappement au contrôle des gènes suppresseurs de tumeur, 4) une dérégulation du métabolisme énergétique, 5) une résistance á la mort cellulaire, 6) une capacité à se diviser sans limitation, 7) l’induction d’angiogenèse, 8) l’activation des mécanismes de métastase et d’invasion, 9) l’inflammation local à l’effet promoteur potentiel et 10) l’échappement au contrôle immunologique.

Les modèles d’oncogenèse : les altérations de l’ADN et de chromosomes engendrent une instabilité du génome qui est un facteur important de la dégénérescence cancéreuse. Les mutations génétiques, les remaniements chromosomiques et aneuploïdie sont des changements majeurs intervenus dans les cellules cancéreuses. Le concept de phénotype mutateur propose que les mutations provoquées par les mutagènes peuvent engendrer une cascade de mutations ; l’aneuploïdie est proposée être à la base de l’évolution tumorale et en être le mode prédominant. Le processus métastasique et transition épithéliomésenchymateuse (TEM) permet l’envahissement par les cellules cancéreuses et tumeurs primitives des ganglions ou des organes à distance. Ils comportent des étapes d’invasion et de migration. La TEM provient d’une modification phénotypique des cellules épithéliales qui acquièrent un phénotype mésenchymateux.

7.3.3 Association mode d’action et cancer : des changements dans l’information génétique des cellules somatiques sont provoqués par les agents génotoxiques par le biais d’altérations génétiques qui conduisent à la transformation maligne de ces cellules. Le type d’altération induit par chaque agent génotoxiques dépend de son mode d’action.  Les altérations qui peuvent être des réarrangements chromosomiques ou des mutations ponctuelles constituent des signatures moléculaires ou empreintes spécifiques présentes dans le génome des cellules tumorales.  Il est maintenant possible de séquencer le génome entier des cellules et d’identifier les mutations avec une grande sensibilité avec le progrès technologique de séquençage et l’avènement des NGS.

Chapitre VIII. Pathologies toxiques non tumorales

8.1 Neurotoxicité

8.1.1 Organisation du système nerveux: a) Les cellules nerveuses sont de deux classes: les neurones (cellules excitables qui reçoivent, conduisent et transmettent des informations) et les cellules gliales (non excitables, plus nombreux au SNC que les neurones et y joue leur rôle). Le neurone possède un corps cellulaire de 10 à 100 μm (où sont produits les neuromédiateurs et sont stockés les déchets du fonctionnement neuronal avant leur élimination), avec un noyau et un cytoplasme contenant des organelles et un axone de 10 à 10 000 fois plus long que le corps et contenant des mitochondries et un réticulum endoplasmique lisse qui peut métaboliser les substances endogènes et les xénobiotiques qui ont pénétré le neurone. Les cellules gliales : astrocytes, microglie et oligodendrocytes dans le SNC, les cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique. Les astrocytes sont deux types : protoplasmiques (abondants dans la substance blanche du SNC) et fibreux (prédominent dans la substance grise). Les oligodendrocytes myélinisent les neurones du SNC. Chacun d’eux myélinise plusieurs segments d’un axone ou d’axones différents. Les cellules de Schwann myélinisent des axones du SN périphérique et ne myélinisent qu’un seul segment de neurone

1. La barrière hémato-encéphalique: certaines substances ne pénètrent pas ou diffusent mal dans le SNC que dans d’autre tissus. Au niveau cérébral, les cellules de l’endothélium capillaires sont étroitement jointes que dans d’autres régions, limitant le passage des substances hydrosolubles dans le SNC et au niveau du pôle glial composé d’astrocytes enveloppant les capillaires cérébraux et empêchant le passage des substances liposolubles; toutefois, la barrière hémato-encéphalique n’est pas parfaite face aux substances lipophiles.
2. Fonctionnement des neurones: le corps cellulaire s’occupe de la synthèse et la dégradation macromoléculaire et des organelles et l’axone s’occupe de leur transport vers le site d’utilisation et celui des déchets vers le site de dégradation. Quatre modes de transport existent: transport antérograde rapide, transport antérograde lent, transport antérograde intermédiaire et le transport rétrograde.

8.1.2 Méthodes d’étude des effets neurotoxiques: a) Évaluation clinique chez l’homme, l’évaluation neurologique clinique débute par un interrogatoire à la recherche d’antécédents médicaux personnels et familiaux, en particulier les antécédents neurologique, ses expositions à des agents chimiques, en particulier ceux ayant des effets neurologiques connus; l’évaluation de la conscience, de l’orientation, de la parole, des capacités de concentration, de la mémoire, de l’humeur et de l’affectivité, des capacités motrices et sensitives de membres, un testing des paires crâniennes, de l’équilibre, de la coordination et de la dextérité. Le test psychométrique: les performances psychomotrices, les capacités verbales et visuo-spatiales, la mémoire, l’attention et les fonctions exécutives peuvent être testés en utilisant diverses batteries. Les tests neurosensoriels: l’audition, l’odorat et la vue sont ciblées et profondément explorés.

1. Examens électrophysiologiques: l’examen de référence est l’électromyographie associée à la mesure des vitesses de conduction nerveuse. L’électroencéphalographie a une utilité limitée et les potentiels évoqués visuels, somesthésiques, auditifs du tronc cérébral et cognitifs informent sur le fonctionnement des voies de conduction du SNC.

L’imagerie cérébrale aide à l’évaluation d’effets neurotoxiques centraux sévères.

1. Chez l’animal : des batteries de tests neurocomportementaux très divers prennent en compte les effets neurotoxiques sensitif, moteurs, sensoriels, sur les fonctions supérieures. Les études In vitro testent les hypothèses spécifiques liées aux effets neurotoxiques, utilisant des techniques de toxicologie analytique…).

8.1.3 Mécanismes des effets neurotoxiques : les toxiques fonctionnels conduisent à des dysfonctionnements régressifs à l’arrêt de l’exposition tandis que les toxiques lésionnelssont capables de créer des lésions irréversibles de leurs cellules cibles.

1. Altération de l’excitabilité des neurones et de la conduction axonale: effets provoqués par des substances modulatrices des canaux ioniques dont ils bloquent l’ouverture ou la fermeture.
2. Modulation de la transmission synaptique: certains agents chimiques comme l’isoniazide interfèrent avec la neurotransmission en inhibant la synthèse du neuromédiateur, la toxine botulique ou tétanique inhibe la libération du neuromédiateur…
3. Neuropathies: sont des pathologies neurotoxiques entrainant la mort du neurone, avec conséquences sévères et irréversibles causées par les substances ayant des effets neurotoxiques lésionnelles pouvant conduire à une crise énergétique cérébrale par effet hypoglycémiant comme l’insuline, ou hypoxie tissulaire en empêchant l’utilisation tissulaire de l’O² comme l’acide cyanhydrique et cyanure alcalins…
4. Axonopathies: atteinte dégénérative de l’axone et la gaine de myéline, quand le neurone est myélinisé
5. Myélinopathies: l’œdème ou dégénérescence des cellules productrices de myéline sont incriminés, eux-mêmes provoqués le triéthylétain, avec une hypertension intracrânienne (céphalée, nausées, troubles de la vision, confusion, coma et convulsion).

8.2 Pneumotoxicité

8.1.1 Rappels anatomiques et histologiques de l’appareil respiratoire : subdivisé en deux zones : extra-thoracique comprenant les voies aériennes supérieures (cavités nasales, nasopharynx, larynx et trachée extra-thoracique) et thoracique qui comprend la trachée intrathoracique, qui se divise et donne deux bronches, l’une pour le poumon gauche et Lattre pour le poumon droit. Le poumon gauche est fait de deux lobes (supérieur et inférieur) et le poumon droit est fait de trois lobes (inférieur, moyen et supérieur). L’enveloppe du poumon est la plèvre composée de deux feuillets (pariétal et viscéral). Les bronches se divisent 23 fois et aboutissent aux bronchioles terminales puis aux bronchioles respiratoires et enfin aux alvéoles (3000000).

8.1.2 Physiopathologie des atteintes respiratoires: après exposition, une substance (gaz, vapeur, aérosol, particule métallique, minérale fibreuse ou non, médicaments…) peut exercer, selon le cas, une action directe et/ou indirecte sur l’appareil respiratoire.

1. Pénétration et dépôt des substances chimiques dans l’appareil respiratoire: le site et la sévérité dépendent des caractéristiques physicochimiques de la substance, de sa concentration dans l’air et de la dose inhalée; les particules d’un diamètre aérodynamique supérieur à 5μm se dépose au niveau des VAS et celles de plus petite taille (<5μm) se déposent en profondeur (bronchioles et alvéoles). Les nanoparticules (<100 nm) se déposent surtout au niveau du nasopharynx. Si la substance est hydrosoluble, elle est absorbée par les milieux liquidiens (VAS), y causent une rhinite, une pharyngite, une trachéite ou une bronchite aigue…; si elle est moyennement hydrosoluble, peut irriter les VAS et le poumon profond et causer l’OAP lésionnel ; si elle est peu hydrosoluble ou liposoluble, elle a un faible pouvoir irritant et va atteindre le poumon profond, causant un OAP lésionnel retardé.
2. Seuil d’olfaction: les notions de danger et de toxicité pour certaines substances chimiques sont parfois associées à des seuils de détection olfactive mais la non perception d’une odeur ne signifie pas forcément que l’agent chimique est sans risque; les facteurs physiologiques et pathologiques peuvent expliquer une partie de la variabilité de la perception olfactive inter et intra-individuelle.

8.2.3 Pathologies respiratoires aiguës d’origine toxique: cette catégorie, comprend des fièvres d’inhalation qui regroupent trois syndromes pseudo-grippaux: la fièvre des métaux ou fièvre des fondeurs ou des soudeurs causée par l’inhalation de fumée d’oxydes métalliques, fièvre des polymères causée par l’inhalation de fumées des produits de dégradation thermique des polymères fluorés et le syndrome toxique des poussières organiques, pathologie fréquente dans certaines professions (fermiers) et survenant après une exposition unique et importante des poussières d’origine agricole souvent contaminées par des spores fongiques et des endotoxines. Les pneumopathies aigues d’origine toxique (toux, enrouement, expectorations blanchâtres parfois avec filets du sang, sifflement laryngé ou stridor et douleur rétrosternale). Les pathologies respiratoires d’origine toxique et pneumopathie organisée caractérisée par le dommage alvéolaire diffus, un œdème alvéolo-interstitiel lésionnel hémorragique et une desquamation du revêtement épithélial alvéolaire remplacé par un exsudat fibrineux; séquelles possibles suite à l’inhalation aigue d’un agent chimique;

8.2.4 Pathologies respiratoires chroniques d’origine toxique: il s’agit ici des pneumoconioses (résultant de l’inhalation de particules minérales ou organiques en excluant l’asthme, la bronchite et l’emphysème), bronchopneumopathies chroniques obstructives (BPCO) (à 80% due au tabagisme actif, parfois au tabagisme passif et/ou à la pollution de l’air intérieur liée à la combustion de matières organiques comme le bois)

; asthme professionnel (asthme de novo causé par l’exposition à un allergène sur le lieu de travail soit d’un asthme préexistant aggravé par le travail), immunologique ou non immunologique; six professions représentent la moitié de cas de l’asthme professionnel : boulangers-pâtissiers, métier de santé, coiffeur, peintres au pistolet, travailleurs du bois et les métiers de nettoyage; et des pneumopathies d’hypersensibilitédues à l’inhalation d’antigène d’origine organique réalisant un tableau d’insuffisance respiratoire aiguë ou subaiguë récidivant à chaque exposition.

8.3 Dermatoxicité

8.3.1 Rappel anatomo-histologique de la peau: l’ensemble de la peau et phanères (cheveux, poiles, ongles) constitue le tégument. De la surface à la profondeur, la peau est faite de trois couches superposées: l’épiderme non vascularisé, en constant renouvellement, représenté à 90% par les kératinocytes formant la barrière cutanée; le derme qui assure à la peau sa résistance, son élasticité et sa souplesse grâce aux fibroblastes qui produisent des fibres élastiques et collagènes. Le tout baigne dans la substance fondamentale faite de mucopolysaccharides, le derme est une réserve d’eau, soutien, résistance physique de la peau et encrage du réseau vasculaire et de glandes sudoripares et sébacées et l’hypoderme qui est couche la plus profonde constituée de tissu adipeux, les adipocytes sont contenus dans des lobules séparés par des fibres, il intervient dans la thermorégulation et l’amortissement des chocs.

8.3.2 Éléments de toxicocinétique : l’absorption percutanée peut se faire par la voie intracellulaire, transcellulaire ou pilo-sébacée (transannexielle). La pénétration transcutanée, dépendant de la nature physicochimique et de l’affinité des substances chimiques, se fait couche par couche : épiderme, derme et hypoderme et la biotransformation dont dans les cosmétiques, certains ingrédients jouent le rôle de véhicules transporteurs.

8.3.3 Méthodes d’études de la toxicité cutanée: le potentiel irritant, corrosif et/ou sensibilisant des substances chimiques doit faire l’objet d’une évaluation et des réglementations afin d’établir une classification et un étiquetage des substances dangereuses et de certifier leurs autorisation et condition d’utilisation. Les méthodes de mesure d’absorption cutanée: in vivo chez l’homme ou l’animal et in vitro (tester la tolérance cutanée ou l’efficacité des produits cosmétiques, chimiques ou pharmaceutiques afin de quantifier les effets des produits et de sélectionner les matières premières les mieux tolérées (modèle Epiderm*, Episkin*, SkinEthic*). Les examens complémentaires en clinique chez l’homme permettent de déterminer une sensibilisation cutanée chez un présumé allergène, uniquement chez le malade.

8.3.4 Pathologies toxicologiques cutanées non tumorales : les dermites de contact: brûlures chimiques pouvant être causées par les caustiques entraînant une coagulation des protéines formant une barrière qui limite l’extension des lésions et les bases; les dermatoses professionnelles provoquées ou aggravées par l’activité professionnelle. Les allergies de contact: eczéma de contact ou dermite de contact et urticaire de contact qui peut être immunologique ou non immunologique; la dermite aux protéines. Les photodermatoses: les rayonnements solaires ultraviolets (UV) les UVA (320-400 nm) traversent le verre des vitres et leur quantité est identique au cours de la journée, ils pénètrent profondément dans l’épiderme et le derme et sont impliqués dans les photosensibilisations et dans la photocarcinogenèse ; les UVB (280-320) sont arrêtés par le verre des vitres, leur quantité varie selon la saison, l’heure et l’attitude. Les plus énergétiques sont une activité directe sur l’ADN; et les UVC (100-280) arrêtés par le verre des vitres, peuvent être produit par des opérations de soudage à l’arc et au voisinage de lampes germicides de sources lumineuses artificielles. Ils sont très énergétiques dangereux sur le plan de la cancérogenèse

8.3.5 Acné: la présence dans l’environnement de substance chimique comédogène est la cause exclusive de l’acné professionnelle; l’acné vulgaire elle, est d’origine endogène. Les comédons exogènes s’enflamment et s’infectent et minent l’acné vulgaire.

8.3.6 Troubles de la pigmentation: il existe l’hyperpigmentation leucodermie due à une exposition professionnelle accidentelle soit à l’application des cosmétiques utilisés dans un but dépigmentant et la dyschromie (résultant de la présence anormale d’un pigment endogène ou exogène), secondaire à des dépôts d’argent (argyrie cutanée), d’or (chrysocyanose), de fer (sidérose cutanée), de mercure (hydrargisme cutané) ou du charbon.

8.3.7 Granulome: les granulomes sont soit à corps étranger (présence de nombreux macrophages et cellules géantes autour du corps étranger), soit immunogénique (réaction à corps étranger complétée d’une réaction d’hypersensibilité retardée induite par une substance. 8.4 Hématotoxicité

8.4.1 L’Hématopoïèse: c’est le processus qui assure la formation et renouvellement du sang par les cellules souches hématopoïétiques. Les cellules sanguines sont produites dans la moelle osseuse. Dans le compartiment sanguin on retrouve les leucocytes comprenant les monocytes (macrophages dans les tissus) et cellules dendritiques; les lymphocytes B et T (CD4+ et CD8+) et les cellules NK (Natural killer); les polynucléaires (ou granulocytes) neutrophiles, éosinophiles et basophiles; les globules rouges (appelées hématies ou érythrocytes) et les plaquettes (ou thrombocytes) fragments cellulaires issus des mégacaryocytes.

8.4.2 Cellules sanguines circulantes: la constitution est d’environ 50% de plasma et 50% de cellules sanguines. Le réticulocyte est précurseur immédiat de l’hématie. Les valeurs normales de l’hémogramme sont : Hématies: 4 500 000 à 6 500 000/mm³; réticulocytes: 25 000 à 100 000; hémoglobine: 12 à 18gr/dl (on parle d’anémie si elle est inférieure à 12gr/dl. Elle est microcytaire, si le volume globulaire moyen est <80μm³ ou macrocytaire, si le VGM est <100μm³ et elle est normochrome si la teneur d’Hb dans les hématies est normale ou hypochrome, en cas de déficit d’Hb dans les hématies. Les Leucocytes polynucléaires neutrophiles (PNN) (valeur normale: 2 000-7 500/mm³) ; le déficit de leur nombre dans le sang est la neutropénie. Les polynucléaires éosinophiles (VN: 40 à 800/mm³); Les polynucléaires basophiles (VN: 10 à 200/mm³), leurs granules contiennent de l’histamine, de l’héparine et des leucotriènes, jouent un rôle dans la défense parasitaire. Les monocytes (VN: 200 à 1000/mm³); les lymphocytes (VN: 1000 à 4000/mm3), représentent 60 à 80% de lymphocytes circulants. Les plaquettes (VN : 150

000 à 500 000/mm³), associées à l’endothélium vasculaire et aux facteurs de la coagulation, assurent l’hémostase.

8.4.3 Hématoxicité: il est question d’effets toxiques sur l’hématopoïèse causés par certains médicaments comme des cytostatiques, les éthers monométhylique et monoéthylique; de l’éthylène glycol et acétates et le plomb. Il faut distinguer les effets sur les cellules souches, sur les précurseurs et ceux sur les éléments circulant ; hémolyses toxiques: destruction des hématies entrainant une baisse de l’Hb, Hct…de la hausse de la bilirubine libre, et de l’hémoglobinémie; les effets toxiques sur la fonction de transport d’O2 comme dans le cas de carboxyhémoglobine (HbCO) quand le CO se lie à l’Hb et entraine l’anoxie tissulaire qui peut endommager le SNC et le myocarde et les effets sur les plaquettes qui peuvent être d’origine périphérique (immunoallergique) exemple quinine, quinidine, héparine, sels d’or…) ou centrale (due à une dépression médullaire). 8.5 Nephrotoxicité

8.5.1 Anatomie et fonctions physiologiques du rein: Avec une zone externe, le cortex et une zone interne, la médulla subdivisée en médullas externe et interne, les reins sont des glandes mixtes: épurent électivement les déchets azotés: urée, créatinine et acide urique; les métabolites hormones, vitamines ou certains médicaments et ont d’autres rôles dans l’homéostasie hydroélectrolytique et acidobasique plasmatique de l’organisme; volume hydrique, molécule Na+, K+, cl+, M+…, protons H+ avec un pH urinaire qui varie 4,4-8, la filtration glomérulaire) et produit la vitamine D³ à partir du précurseur hépatique, érythropoïétine, système rénine-angiotensine-aldostérone: régulation rapide et lente.

8.5.2 Évaluation de la fonction rénale: l’évaluation globale utilise plusieurs marqueurs biologiques comme la créatininémie (μmol/L), la clairance de la créatinine (en ml/min/1,73 m²); l’évaluation spécifique des différents compartiments, exemple l’évaluation de l’atteinte glomérulaire par protéines à haut poids moléculaire, protéinurie…et l’évaluation de l’atteinte tubulaire, comme la recherche de protéines dans l’urine, enzymurie…et les tests de dépistage calorimétriques d’une atteinte rénale(bandelettes urinaires) pour estimer la protéinurie, l’hématurie, leucocyturie, et certaines bandelettes évaluant la microalbuminurie.

8.5.3 Pathologies rénales d’origine toxique: il existe plusieurs types d’insuffisance rénale Aigue : fonctionnelle liée à une hypovolémie le plus souvent médicamenteuse

(anti-inflammatoires non stéroïdiens inhibiteur de l’enzyme de conversion, diurétiques, produits de contraste radiologique chez un sujet insuffisamment hydraté ou par obstacle sur les voies excrétrices urinaires avec une lithiase urinaire (certains analgésiques et cadmium) ou s’il existe une fibrose rétropéritonéale; ou encore organique.

8.6 Hépatotoxicité

8.6.1 Rappels sur le foie: anatomiquement le foie est situé dans l’hypochondre droit, irrigué par la veine porte et l’artère hépatique, il présente quatre lobes (caudé, droit, gauche et carré). Histologiquement, les cellules du foie sont les hépatocytes qui assurent nombreux métabolismes ; des cellules de Kupffer, macrophages, phagocytent certaines particules pour les empêcher de gagner la circulation sanguine générale et les cholangiocytes et les cellules étoilées du foie qui stockent la vitamine A ; physiologiquement c’est un organe de synthèse de fer, cuivre, des lipides et de beaucoup de protéines plasmatiques, des facteurs de la coagulation, des protéines ; assure la formation de la bile et joue un rôle essentiel dans la digestion des substances liposolubles. Organe principal du métabolisme : les substances absorbées par voie digestive sont transformées dans les hépatocytes. Un organe de détoxification, siège du cycle transformant l’ammoniac (neurotoxique) issu du catabolisme des acides aminés en urée que les urines éliminent facilement conjugue la bilirubine non conjuguée, qui est neurotoxique, issue de la dégradation de l’hémoglobine, le rendant éliminable par la bile.

8.6.2 Principaux types d’atteintes hépatiques : la cytolyse est une conséquence d’effets cytotoxiques ayant abouti à la mort cellulaire des hépatocytes par nécrose ou apoptose.

La cholestase est l’atteinte de la sécrétion de la bile. La stéatose est une accumulation des graisses dans les hépatocytes. Le site de la lésion dépend l’agent toxique causal (région périportale pour le phosphore blanc, région centrolobulaire pour l’éthanol…). Il existe la stéatose microvésiculaire et la stéatose macrovésiculaire. Les substances hépatotoxiques sont entre autres l’éthanol (stéatose, cytolyse); l’halothane (cytolyse, stéatose); l’arsenic (cytolyse); hydrazine (cytolyse, stéatose); la germandrée petit-chêne (cytolyse, stéatose); paraquat (cytolyse, stéatose) ; paracétamol (cytolyse); stéroïdes anabolisants ou contraceptifs (cholestase)…

 

8.7 Reprotoxicité et toxicité du développement

8.7.1 Physiologie de la reproduction chez l’homme : les gonades jouent leur rôle dans la spermatogenèse et dans l’ovogenèse et assurent la sécrétion des hormones sexuelles. La gamétogenèse comporte une phase de méiose tandis que la spermatogenèse est une méiose continue, qui démarre à la puberté dans les testicules ; l’ovogenèse est initiée in utero lors du développement fœtal dans les ovaires.

8.7.2 Les principaux systèmes hormonaux : l’axe hypothalamo-hypophysaire stimule les gonades, tissus musculaires ou mammaires. La sécrétion folliculaire de GnRH par l’hypothalamus stimule la sécrétion antéhypophysaire du FSH chez la femme. La spermatogenèse dépend de la testostérone sécrétée par les cellules de Leydig après stimulation par le LH et de l’hormone antimüllérienne par les cellules de Sertoli après stimulation par le FSH. Le cycle menstruel féminin dépend de la progestérone et de l’œstradiol respectivement stimulés par la LH et la FSH. La lactation est induite par les gonades stimulées par la prolactine sécrétée par l’antéhypophyse et modulée par les hormones PIF et PRF sécrétées par l’hypothalamus; l’ocytocine sécrétée par l’hypothalamus et l’hypophyse postérieure. Le corps jaune sur l’ovaire sécrète la progestérone durant la gestation grâce à la sécrétion de l’hormone chorionique gonadotrope (HCG) par le trophoblaste du placenta.

8.7.3 Effets toxiques pour la reproduction et le développement: la toxicité peut s’exercer soit de façon directe (gonades masculines ou féminines, les systèmes hormonaux, la maturation sexuelle ou les phases du développement in utero, embryonnaire (embryotoxicité) ou fœtal (fœtotoxicité) soit de façon indirecte par une altération des comportements ne permettant pas la reproduction. Il peut en résulter une altération de la fertilité masculine ou féminine ou amener à des grossesses anormales (avortement, prématurité, malformations…). Les substances reprotoxiques sont répertoriées dans la classification du CMR, selon le degré de certitude du caractère reprotoxique du composé, en catégorie 1A (lien avéré); 1B (présumé) et 2 (suspecté).

8.7.4 Altération de la fertilité: chez l’homme l’OMS définit les altérations du sperme selon le nombre de spermatozoïdes (oligospermie : < 15 millions/ml d’éjaculat ou azoospermie: absence totale de spermatozoïdes) ; leur vitalité (nécrospermie: baisse de la vitalité < 58%) ; mobilité (asthénospermie : % de mobilité progressive < 32% ou akinétospermie: % de mobilité progressive à 0%); malformation (tératospermie: % de spermatozoïdes à forme normale). Des toxiques peuvent causer une altération de la qualité de spermatozoïdes au cours de l’exposition à l’âge adulte, dans l’enfance ou in utero (plomb, certains éthers de glycol…). Plusieurs altérations peuvent s’associer et constituer par exemple une oligoasthénotératospermie. Chez la femme, l’insuffisance ovarienne débutante non liée à l’âge de 35 ans marquée par l’aménorrhée primaire ou secondaire de plus de 4 mois liée à une augmentation de la concentration sérique de FSH < 40 U/ml confirmée par une seconde mesure à un mois d’intervalle.

8.7.5 Effets sur le développement lors d’une exposition durant la grossesse: il s’agit de certains cas dans lesquels l’exposition à des agents toxiques puissent engendrer des risques pour l’enfant qui va naitre, pour l’évolution de la grossesse et dont les effets comme l’avortement, retard de croissance intra-utérin, une hypotrophie, une prématurité, des malformations (effets tératogènes) …des cancers ou des maladies génétiques à terme chez la descendance par le biais de mutation de l’ADN, par exemple.

8.7.6 Effets sur le développement consécutifs à une exposition durant l’allaitement les expositions de la femme allaitante peuvent entrainer une contamination, citons par exemple les dioxines, certains pesticides ou certains métaux…

Chapitre IX. Évaluation du risque et réglementations

9.1 Valeurs de référence hors cadre réglementaire

La démarche comporte quatre étapes : identification des dangers, définition des relations dose-réponse, évaluation de l’exposition, caractérisation des risques. Une valeur toxicologique de référence (VTR) est un ensemble d’indices toxicologiques permettant d’établir une relation entre une dose et un effet (toxique à seuil d’effet) ou entre une dose et une probabilité d’effet (toxique sans seuil d’effet). Il existe des VTR sans seuil de dose et de VTR à seuil de dose. Dans le cas des effets à seuil de dose, l’effet ne survient que si une dose donnée est atteinte et dépasse les capacités de détoxification de l’organisme. La gravité de l’effet dépend de la dose. Le VTR est une dose ne devant pas entrainer la survenue de l’effet néfaste. VTR=POD/(UFs) ; VTR=dose critique observée chez l’animal divisée par les facteurs d’incertitudes (UFs). On compare cette VTR aux niveaux d’exposition (D) dans le calcul du quotient du danger (QD) ; QD=D/VTR. Les valeurs de POD supérieures à 1 indiquent que la survenue de l’effet est possible. Dans le cas des effets sans seuil de dose, l’effet apparait quelle que soit la dose reçue. La probabilité du risque évolue avec la dose. Les VTR sont appliquées pour des durées d’exposition précises, évaluant les risques sanitaires chez l’homme. Pour construire une VTR pour une substance donnée, il faut identifier les dangers ; définir une relation dose-réponse par un choix judicieux d’une étude de qualité (étude épidémiologique ou toxicologique); identifier l’hypothèse de construction(à seuil ou sans seuil de dose).

9.1.1 Identification des dangers: les effets d’exposition sont à classer en effets sur un organe particulier, le système nerveux ou le comportement, la reproduction et la croissance, le système immunitaire, la cancérogenèse et la mutagenèse qui peuvent se manifester au niveau biochimique, cellulaire, histologique, morphologique et comportemental et varient selon le dosage, la voie d’exposition, la fréquence ou la durée d’exposition, l’espèce, l’état physiologique ainsi que le sexe et l’âge de la population exposée. Les effets toxicologiques peuvent être brefs ou prolongés, réversibles ou non réversibles, immédiats ou différés. La nature, le nombre, la gravité, l’incidence ou la prévalence d’effets toxicologiques particuliers sur la population (humaine ou animale).

9.1.2 Prise en compte de la sensibilité et de la vulnérabilité: le risque d’effets nocifs pour la santé attribuables à une exposition à long terme (chronique) ou durant les périodes critiques (grossesse, vieillesse, ou pathologie) est un facteur à prendre en compte dans la détermination de la toxicité.

9.1.3 Utilisation des approches QSAR, in silico: les composés dont les propriétés physicochimiques et toxicologiques sont similaires sont considérés en tant que groupe ou catégorie de composés chimiques afin de caractériser leurs effets potentiels sur la santé. Des méthodes prédictives QSAR sont utilisées pour la caractérisation des profils toxicologiques en absence de données expérimentales.

9.2 Définition des relations dose-réponse

9.2.1 NOAEL et LOAEL: la NOAEL ou DSENO est souvent la dose critique servant de point de départ à la construction d’une VTR, ou à défaut une LOAEL ou (DMENO). Cette dose ou concentration repère est établie à partir d’études toxicologiques sur des animaux de laboratoire, mais aussi les études épidémiologiques sur les populations humaines. Ils sont déterminés à partir de l’expérimentation animale grâce au test statistique qui permet de détecter une différence significative dans les effets ou la réponse induits par une dose testée par rapport à ceux qui sont observés sur un groupe non exposé (témoin): LOAEL (première dose testée, dans l’ordre croissant qui produit un effet considéré néfaste d’une intensité ou d’une fréquence présentant une différence statistiquement significative avec le témoin) et NOAEL (la dose testée immédiatement inférieure au LOAEL). Lorsque la première dose testée conduit déjà à un effet significativement différent du témoin, il n’est pas possible de définir le NOAEL.

9.2.2 Benchmark dose : une dose produit un effet mesurable correspondant à un niveau de réponse donné par rapport à un groupe témoin. La limite inférieure de son intervalle de confiance à 95% ou 90%. Benchmark Dose95/90 ou BDML95%, BDML90%. LUS EPA utilise la limite inférieure de l’intervalle de confiance à 95% ; le RIVM la limite inférieure de l’intervalle de confiance à 90%, les deux approches conduisent à des résultats identiques.

Les substances toxiques avec seuil: On considère en général qu’il y a une dose ou une concentration en deçà (un seuil) de laquelle des effets nocifs peuvent être observés. L’Incertitude veut dire manque d’information, littérature incomplète ou données incorrectes. Un facteur interindividuel ou intra-espèces UFH veut dire variabilité au sein d’une même espèce. La variabilitéveut dire réelles différences attribuables à une hétérogénéité vraie ou une diversité de population.

Pour la construction d’une VTR, les valeurs des facteurs d’incertitudes s’appliquent ; par exemple UFA (variabilité inter-espèces) pouvant s’interpréter comme composante toxicocinétique UFA-TK. Si absence de données (4), si une partie de la toxicocinétique (1 à 3), Si l’ensemble de la toxicocinétique est sensiblement la même ou si utilisation d’un coefficient d’ajustement de doses (1 à 3) ; si modèle PBPK renseigné (1) ; si utilisation d’une étude humaine (-) ; ou comme composante toxicodynamique UFA-TD si absence de données (2,5) ; si toxicodynamie identique (1) ; si homme moins sensible (1) ; si utilisation d’une étude humaine (-).

Dans le cas de UFH (variabilité interhumaine): composante toxicocinétique UFH-TK

(3) ; composante toxicodynamique UFH-TD (3). Dans le cas d’UFL (utilisation d’un LOAEL) (1,3 ou 10 au cas par cas). Dans le cas d’UFS (transposition subchronique à chronique) (1,3 ou 10 au cas par cas). Dans le cas d’UFD (insuffisance de données en qualité ou en quantité), (1,3 ou 10 au cas par cas).

Alternative à l’utilisation des facteurs d’incertitudes: par les modèles PBPK, on répond correctement aux questions d’extrapolation (inter-doses, inter-espèces, interindividuels), pour réduire les facteurs d’incertitudes lors de l’élaboration des VTR et permettent aussi de prendre en compte des spécificités fonctionnelles d’organes et simuler la relation entre la concentration plasmatique et le tempsen vue de déterminer les concentrations dans l’organe cible.

Substances toxiques sans seuil: les VTR sans seuil de dose traduisent une augmentation de la probabilité qu’un individu exposé lors de sa vie entière à une unité de dose de la substance développe une pathologie par rapport à un sujet non exposé. 9.3 Réglementations REACH et des effets phytosanitaires et biocides

Pour chaque substance active des produits phytosanitaires et biocides, des VTR sont fixées pour permettre la réalisation des risques à priori pour toutes les voies d’exposition et pour toutes les populations supposées exposées. Basées sur NOAEL déterminés dans les études de toxicité requises réglementairement.

9.3.1 Valeurs de référence (VR) dans le cadre du règlement REACH: le règlement REACH définit la dose en dessous de laquelle aucun effet sur la santé n’est attendu, appelé niveau dérivé sans effet (DNEL) ou la dose minimum à laquelle sont observés des effets sanitaires.

9.3.2 VR dans le cadre des réglementations biocides et phytosanitaires: ici les VTR sont fixées pour chaque substance active, les substances avec des VTR sans seuil de dose sont rares dans ces réglementations, étant donné que le critère fait partie des critères d’exclusion ou de substitution de la réglementation. Ces valeurs permettent de réaliser une évaluation des risques a priori pour toutes les expositions pertinentes et pour toutes les populations supposées exposées.

9.4 Conclusion et perspectives

9.4.1 Effet néfaste-gravité de l’effet: une VTR est construite pour l’effet le plus sensible considéré comme indésirable sans tenir compte ni de la gravité ni de la réversibilité ou non des effets. Elles sont spécifiques d’une substance donnée, d’une durée et voie d’exposition. Les seuils de toxicité aigues étant déjà réalisés, il est aussi nécessaire pour les VTR de classer les effets selon leur gravité (graves, bénins…) afin de faciliter à l’interprétation des résultats.

9.4.2 Courbes monotones: les effets augmentent de façon constante en fonction de dose et pourtant pour les effets non monotones, la réponse pouvait augmenter ou diminuer au rythme des doses, pouvant aboutir à d’autres formes de courbes (U ou U inversé). Reste à déterminer si l’effet décrit dans les études constitue une modification biochimique ou s’il est directement lié à un effet adverse sur la santé.

9.4.3 VTR interne: une concentration limite d’une substance chimique toxique ou de ses métabolites dans le sang, urine, tissu…qui soit relié à une VR externe s’appelle VTR interne. Elle constitue un outil de grand intérêt dans de l’interprétation de données de biosurveillance.

9.4.4 Comparaison des différentes valeurs réglementaires et non réglementaires: les DNEL sont construites effet par effet alors que les autres valeurs de référence considèrent l’effet à la plus faible dose et protègent de tous les effets connus pour une voie d’exposition donnée.  

Deuxième partie: Cas pratique 

Étude d’un cas pratique à l’hôpital Sanatório de Luanda (HSL)

Partant de la notion selon laquelle des niveaux élevés de pollution de l’air sont pathogènes pour le poumon et peuvent déclencher des poussées d’asthme et de BPCO et augmentent le risque de cancer du poumon ; Sachant qu’en  toxicologie expérimentale on peut exposer les individus, des tissus ou des cellules que l’on souhaite étudier et comparer la réponse obtenue à un groupe témoin maintenu dans les mêmes conditions mais non exposé à la substance, afin de déterminer quel type d’effet est produit ; une enquête a été menée au service de pneumologie de  l’Hôpital Sanatório de Luanda.

Nous n’avons ni spécifié la substance à étudier ni exposé les individus à une substance spécifique, nous nous sommes intéressés à la provenance/profession de 691 patients des deux sexes, âgés de 18 à 49 ans, hospitalisés au cours de trois derniers mois dans le service de pneumologie de l’hôpital de référence national : Hôpital Sanatório de Luanda (HSL), et dont 84 encore présents dans le service. Il s’agit de personnes dont le milieu de vie ou professionnel sont susceptibles de les exposent en permanence.

 L’objectif de l’étude était d’établir si et dans quelle mesure la pollution de l’air constitue l’un des facteurs étiologiques des bronchopneumopathies chroniques obstructives, d’asthme professionnel et de cancer du poumon dans la ville. Pour les patients qui ne se trouvaient plus à l’hôpital, les données ont été recueillies à partir de registres hospitaliers.

Ayant connaissance de certaines zones les plus polluées de notre ville et de certaines professions  (quartiers industriels, trafic routier important, des activités en plein air dans les milieux empoussiérés, de la circulation intense de véhicules dégageant de la fumée, de la présence massive de taxi-moto, poussières des moulins, ayant particulièrement tendance à augmenter le risque, vivre à côté d’une usine, des moulins depuis plusieurs mois ou années, meunier, vendeur ambulant, chauffeur de taxi-moto, femmes de ménage, vendeurs le long des axes routiers les plus pollués, etc.) susceptibles d’exposer chroniquement à la pollution de l’air les patients sur lesquels l’étude est menée.

Les patients âgés de moins de 18 ou plus de 50 ans, les fumeurs, ceux ayant des données confuses ou incomplètes, ceux souffrant d’autres pathologies respiratoires ou dont la provenance ou âge sont douteux ont été exclus de l’étude. Sur la base de ces critères, 691 patients dont 84 encore présents (hospitalisés récemment) ont été sélectionnés, provenant des milieux/professions d’exposition et de non exposition.

 

 

Résultats

 

Tableau I. Répartition des patients d’après la pathologie

Pathologie	Nombre de cas	Pourcentage
BPCO	254	36,8
Asthme	416	60,2
Cancer du poumon	21	3,0
Total	691	100

 

 Tableau II. Patient avec provenance/profession non exposant à la pollution de l’air

Condition d’exposition	BPCO	Asthme prof.	Cancer poumon		du	Total
Quartier calme et sans circulations	0	1	0			1
Enseignants	0	7	0			7
Vendeurs de marchés protégés	9	6	1			16
Professions de la santé	11	4	0			15
Activité en sous abri	10	3	1			14
Commerçant d’axes non pollués	6	7	2			15
Quartier sans industrie (non pollués)	11	17	1			29
Fonctionnaires publics	7	19	2			28
Étudiants	1	3	0			4
Soldats et policiers	4	10	1			15
Autres professions non exposants	11	7	1			19
Total	70	84	9			163

 

Tableau III. Patients avec provenance/profession exposant à la pollution de l’air

Condition d’exposition	BPCO	Asthme prof.	Cancer poumon		du	Total
Chauffeur de bus	4	22	0			26
Axe pollué (poussières, fumées)	13	81	2			96
Commerçant ambulant	12	17	0			29
Femme de ménage	9	6	1			16
Activité en plein air	24	39	1			64
Commerçant le long d’axes pollués	28	27	3			58
Quartier pollué	56	89	4			149
Meuniers et boulangers-pâtissiers	7	21	1			29
Chauffeurs de taxi moto	9	6	1			16
Travailleurs en industrie	4	12	0			16
T. constructions, chantiers, maçons	18	11	0			29
Total	184	331	13			528

 

Tableau IV. Répartition des patients selon leur profession/provenance (exposé/non exposé)

Milieu/profession	BPCO	Asthme Prof.	Cancer du poumon	Total	Pourcentage
Exposés	184	331	13	528	76,4
Non exposés	70	85	9	163	23,6
Total	254	416	22	691	100

 

Il a été constaté, au vu de ce qui précède, que les patients provenant de quartiers industriels, habitant près des usines, des moulins et les quartiers empoussiérés, etc. et les professions comme femmes de ménage, les chauffeurs de taxi-moto, les commerçants ambulants, commerçants localisés le long des axes où le trafic routier est intense, des commerçants ambulants étaient les plus affectés, avec une gravité proportionnelle selon que l’exposition est moyenne ou prononcée. 76,4% pour les patients provenant des communes ou quartiers d’exposition contre seulement 23,6% pour les patients provenant des zones non polluées et/ou de professions sans exposition signifient que la pollution de

l’air fait partie des facteurs étiologiques majeurs des bronchopneumopathies chroniques obstructives, de l’asthme bronchique professionnel ainsi que de cancer du poumon dans la ville de Luandaen général et à la partie desservie par l’hôpital Sanatório de Luanda en particulier. Ces données peuvent être généralisables dans la mesure où HSL est une unité sanitaire de référence nationale où beaucoup de cas lui sont référés par la quasi-totalité d’hôpitaux périphériques de la ville capitale comme ceux d’autres provinces du pays. Il faut mentionner aussi que cette étude a été pensé dans un cadre bien restreint de satisfaire un besoin académique immédiat et nécessite d’être approfondie par d’autres études plus approfondies.

Troisième partie: Pour ne pas conclure

Nous avons compris tout au long de notre apprentissage que l’évolution de la toxicologie a conduit à aller au-delà de la notion initiale de (science des poisons) et à définir la toxicologie comme étant l’étude de l’action réciproque entre un agent toxique et une cible biologique, ce qui veut dire une interaction recouvrant les effets de l’agent toxique sur la cible mais aussi l’action de la cible sur l’agent toxique. Pour bien comprendre les mécanismes de la toxicité, une bonne connaissance des mécanismes physiologiques, développementaux, cellulaires et moléculaires est nécessaire. La toxicologie humaine doit être intégrée dans un ensemble plus large décrivant les effets de perturbations de l’environnement sur les écosystèmes, les sources et les voies des expositions, les analyses à l’échelle populationnelle et individuelle. Cette vision systémique reste très ambitieuse mais elle seule permet une analyse objective et rationnelle des mécanismes toxiques.

Le livre assigné commence par une brève historique de la toxicologie ainsi que les sandales sanitaires dans son évolution qui ont émaillé le 20º siècle ainsi que les changements à l’origine des réglementations, sujets importants pour aborder la plupart des thèmes. Le premier concerne les voies d’entrée des toxiques et mécanismes de contamination. Dans la terminologie moderne, l’« exposition » fait référence aux concentrations ou quantités d’une substance auxquelles sont soumis des individus ou une population (quantités trouvées dans un volume donné d’air, d’eau ou de sol). La « dose » représente la concentration ou la quantité d’une substance présente chez un individu ou dans un organisme exposé. D’où la nécessité des valeurs de référence et les lignes directrices souvent établies en termes d’exposition ou de limites admissibles de concentrations dans des situations spécifiques, par exemple dans l’atmosphère du lieu de travail. Ces limites d’exposition sont fondées sur la connaissance, ou parfois les hypothèses, de relations qui existent entre l’exposition et la dose; cependant, la dose interne n’étant pas toujours connue, de nombreuses études se limitent à déduire une association entre l’exposition et la réponse ou l’effet. Dans quelques cas, les normes ont été établies d’après la dose (par exemple, pour les taux admissibles de plomb dans le sang ou de mercure dans l’urine). Bien que ces mesures soient directement corrélées à la toxicité, il est encore nécessaire de recalculer les taux d’exposition correspondant à ces valeurs afin de mieux maîtriser les risques.

Le livre assigné traite ensuite de domaines plus spécifiques, regroupés selon les certaines catégories: mécanismes, métabolisme, méthodologies, pathologies toxicologiques, évaluation du risque, réglementation. Les chapitres portant sur les mécanismes mettent l’accent principalement sur les systèmes cibles plutôt que sur les organes. Cette présentation est à l’image de la pratique de la médecine et de la toxicologie modernes, qui étudient les systèmes biologiques plutôt que les organes isolés. Ainsi, les commentaires sur la toxicogénétique ne concernent pas uniquement les effets toxiques des agents sur un organe spécifique, mais bien le matériel génétique en tant que cible de l’action toxique. De même, les chapitres sur les pathologies toxiques examinent les divers organes et cellules des systèmes concernés en tant que cibles vis-à-vis des agents toxiques. Les aspects méthodologiques se veulent avant tout opérationnels ; ils décrivent les méthodes qu’on emploie actuellement dans de nombreux pays pour identifier les risques, ou la manière dont on élabore l’information sur les propriétés biologiques des agents toxiques. Le livre assigné se poursuit par les aspects relatifs à l’application de la toxicologie sur le plan réglementaire et décisionnel, depuis l’identification du risque jusqu’à son évaluation. Les procédures actuellement suivies dans différents pays et leurs évolutions y sont présentées, de même que celles du Centre international de recherche sur le cancer (CIRC). Ces aspects nous ont permis de comprendre comment, à partir de l’information tirée des tests toxicologiques associés à des déductions mécanistiques et fondamentales, l’on parvient à une information quantitative qui sert ensuite à établir les niveaux d’exposition et à d’autres approches permettant de maîtriser les risques professionnels et environnemental.

Un autre point est celui ayant trait aux facteurs et aux événements déterminant les relations exposition, dose et réponse. Les premiers de ces facteurs concernent la captation tissulaire, l’absorption et la distribution, processus déterminant le transport réel des substances dans le corps depuis l’environnement externe à travers les portes d’entrée telles que la peau, les poumons ou l’intestin. Ces processus sont à l’interface entre l’être humain et son environnement. Les seconds facteurs, métaboliques, objectivent la façon dont l’organisme traite les substances absorbées. Certaines d’entre elles sont transformées par les processus cellulaires du métabolisme qui peut soit renforcer leur activité biologique, soit l’atténuer. Les concepts d’organe cible et d’effet critique facilitent l’interprétation des données toxicologiques. Selon la dose, la durée et la voie d’exposition, et selon des facteurs intrinsèques tels que l’âge, de nombreux agents toxiques peuvent induire des effets divers au niveau des organes et des organismes. Un des principaux rôles de la toxicologie est de déterminer l’effet ou la série d’effets importants afin de prévenir l’apparition de maladies irréversibles ou invalidantes. Pour cela, il convient surtout d’identifier l’organe touché en premier ou le plus affecté par l’agent toxique : cet organe est appelé « organe cible ». A l’intérieur de cet organe, il est capital de déceler le ou les événements importants objectivant une intoxication ou une lésion et permettant de mettre en évidence une altération de l’organe. Ce premier événement d’une série d’étapes physiopathologiques (l’excrétion de protéines de faible poids moléculaire représente un effet critique en néphrotoxicité), ou le premier effet potentiellement irréversible dans le processus d’une maladie (la formation d’adduits à l’ADN lors du processus de cancérogenèse), est appelé « l’effet critique ». Ces concepts sont importants en toxicologie professionnelle ou environnementale, car ils permettent de préciser le type de toxicité et de pathologie associé à une exposition spécifique ; dans la plupart des cas, la diminution de l’exposition aura pour unique objectif de prévenir les effets critiques au niveau des organes cibles, et non ceux de l’ensemble des effets observés dans les différents organes.

L’aspect suivant concerne les effets intrinsèques qui modifient les réponses à de nombreux agents toxiques. Il s’agit des déterminants génétiques, des facteurs de sensibilité ou de résistance héréditaire, de l’âge, du sexe ou encore de paramètres tels que le régime alimentaire ou la coexistence d’une maladie infectieuse. Ces facteurs peuvent affecter l’exposition et la dose, en modifiant la captation tissulaire, l’absorption, la distribution et le métabolisme. Etant donné la diversité de ces facteurs parmi les personnes exposées dans le monde, il est essentiel que les toxicologues et les décideurs comprennent la façon dont ils font varier les réponses en fonction de la population et des individus à l’intérieur de la population. Dans les sociétés qui ont une population hétérogène, cette question est particulièrement importante. Cette disparité des populations humaines doit être prise en compte pour évaluer les risques d’exposition professionnelle ou environnementale et tirer des conclusions rationnelles à partir d’études expérimentales effectuées dans le cadre des recherches toxicologiques.

Et nous abordons ensuite deux aspects généraux des mécanismes d’action en toxicologie. Quant à ce, la toxicologie moderne considère que tous les effets toxiques s’exercent en premier lieu au niveau cellulaire; les réponses cellulaires représentent donc les signes les plus précoces de la lutte de l’organisme contre un agent toxique et font partie d’une suite d’événements qui va de la lésion initiale jusqu’à la mort cellulaire. La lésion cellulaire fait appel à des processus spécifiques auxquels la cellule, dans un organe, a recours pour répondre à l’atteinte. Ces réponses impliquent des modifications dans le fonctionnement des processus cellulaires, en particulier au niveau de la membrane dont on connaît les rôles d’absorption, de sécrétion et d’excrétion des substances, de la synthèse protéique à partir d’acides aminés et du renouvellement d’inclusions cellulaires. Ces réponses peuvent être communes à toutes les cellules endommagées, ou être spécifiques à des types cellulaires particuliers de certains organes. La mort cellulaire est la destruction des cellules dans un système organique, par suite d’une lésion cellulaire irréversible ou non compensée. Elle peut survenir lors d’une intoxication aiguë, comme dans le cas des agents toxiques agissant sur le transfert d’oxygène, ou être la conséquence d’une intoxication chronique. Elle peut être suivie d’une régénération dans certains organes, bien que cette prolifération puisse, dans certaines conditions, être considérée comme une réponse toxique. Même en l’absence de mort cellulaire, une lésion répétée peut induire un stress au niveau d’un organe susceptible d’altérer ses fonctions et son devenir.

Aujourd’hui, les différentes enzymes de phase I, II ou les transporteurs de phase III sont relativement bien caractérisés dans les organismes modèles. Cette connaissance permet de mieux comprendre ou d’appréhender les métabolismes spécifiques de chaque individu, tant sur le plan pharmacologique que toxicologique (ces deux notions étant bien évidemment superposables). Beaucoup de critiques sont portées sur les modèles animaux pour tester les médicaments, leur toxicité et prouver de leur innocuité pour l’homme, mais aussi pour mettre en évidence une toxicité de polluant ou d’un mélange de polluants chez l’homme. Le développement des modèles humanisés constitue une première solution pour contrecarrer ces problèmes mais il existe désormais d’autres techniques qui permettent de résoudre ces problèmes de doute. C’est notamment le cas d’un certain nombre de méthodes ou technologies de toxicologie prédictive in silico (modélisation PBPK pour ce qui est de la pharmacocinétique et pharmacodynamique ou approches SAR ou QSAR) qui anticipe cette toxicité à différentes échelles (biodistribution pour les approches PBPK, toxicité propre ou anticipée pour les approches SAR ou QSAR). Ces notions ne font que renforcer la nécessité d’une approchecomplémentaire dans le domaine d’une meilleure caractérisation du métabolisme des xénobiotiques associant méthodologies in silico, in vitro et in vivo tant du point de vue de la recherche fondamentale que de la recherche appliquée.

Les mécanismes d’action et voie de signalisation activées par les toxiques sont nombreux et variés. Cette variété s’explique par la diversité des cibles cellulaires et moléculaires expliquant leur réactivité ou leur propension à lier des agents (par exemple : récepteurs aux œstrogènes activés par les œstrogènes et donc également par les analogues structuraux ou plus généralement des perturbateurs endocriniens comme certains pesticides pro ou anti œstrogéniques). La nature de ces cibles est aussi très variée (acide nucléiques, lipides membranaires, glucides complexes) mais la place jouée par les protéines est très importante à considérer compte tenu des modes d’action qu’elles peuvent mettre en jeu de part leurs fonctions : enzymes, facteurs de transcription régulant l’expression de gènes cibles, acteurs de voies de signalisation. Sur le plan même de la nature des toxiques, certains paramètres vont jouer un rôle sur le type de voies activées ; ainsi, dans le cas de dérivés réactifs de l’oxygène (DRO) dont la production peut être activée par de nombreux toxiques, leur concentration est importante à considérer pour définir ou non si ceux-ci déclenchent un stress oxydant (notion de seuil) et les voies de signalisation stimulées (à basse concentration). Ces aspects fondamentaux nous renvoient à la notion d’adaptation des systèmes biologiques avec la possibilité pour la troisième catégorie (excluant les phénomènes adaptatifs) de considérer le rôle de ces acteurs longtemps décrits comme récepteurs de xénobiotiques (comme le AhR), également comme régulateurs physiologiques. Ainsi, l’invalidation du AhR chez la souris suggère qu’il régule le développement de nombreux organes suggérant que des xénobiotiques décrits historiquement comme des agonistes du récepteur puissent jouer le rôle de compétiteurs (donc de perturbateurs) vis-à-vis de ligands endogènes. Ce champ disciplinaire est donc en perpétuelle évolution avec, en plus de nouvelles voies de signalisation alternatives constamment découvertes, ouvre la voie à la mise à jour de nouveaux mécanismes de toxicité.

La façon d’évaluer la toxicité a pu évoluer au fil des années grâce au développement conjoint de connaissances en sciences de la vie et de progrès technologique. Elle a permis de passer d’une toxicologie descriptive réalisée uniquement chez l’animal à une toxicologie mécanistique. Cette toxicologie, basée sur la connaissance des voies de toxicité sous-tende les effets indésirables, est vouée à un fort développement pour répondre aux enjeux sanitaires car son intégration dans le processus réglementaire reste à ce jour très limitée. Car il faut que ces nouvelles approches prouvent qu’elles sont des remplaçants valables ou sont supérieures aux tests traditionnels et capables de générer une information fiable pour être utilisée dans la prise de décision réglementaire. Cette nouvelle toxicologie doit permettre de  répondre aux enjeux actuels qu’est le nombre important de substances déjà sur le marché qui à ce jour n’ont pas été évaluées, mais aussi des composés émergents comme des composés biologiques (protéines utilisées comme médicaments, la thérapie cellulaire, les aliments génétiquement modifiés, les nanoparticules) qui sont autant d’exemples de produits pour lesquels des approches traditionnelles posent problèmes et nécessitent une réflexion sur l’évaluation de leur toxicité. Elle doit aussi répondre à des préoccupations sanitaires apparues plus récemment et qui n’ont pas été considérés dans les rapports traditionnels chez l’animal comme le problème de perturbateurs endocriniens(PE), la toxicité neurodéveloppementale, l’immunogénicité (formation d’anticorps contre les médicaments biologiques), les problèmes respiratoires (probablement liés à l’asthme chez l’enfant), des composés ayant un impact sur le développement neurologique (pouvant contribuer à l’autisme ou des déficits d’attention…).

Les chapitres de ce cours ont montré que les xénobiotiques peuvent endommager les cellules cibles et comment l’exposition pouvait conduire à développer des pathologies, parmi lesquelles figure le cancer. Les xénobiotiques cancérogènes ont en commun d’interagir directement ou indirectement avec le génome cellulaire malgré leurs modes d’actions différents. Sur le plan moléculaire, alors que les mécanismes de carcinogenèse ont tout d’abord reposé sur l’existence des mutations géniques et les déséquilibres du nombre de copies des régions chromosomiques, les données actuelles montrent que le génome est modifié ainsi que l’expression de gènes modulés, non seulement par interactions génétiques, mais également épigénétiques par méthylation de l’ADN génomique, remodelage de la chromatine et action de l’ARN non codants. Le cancer est un processus résultant d’une prolifération anarchique de cellules qui ont échappé progressivement au contrôle de leur milieu naturel. Cette évolution passe par des innombrables modifications génétiques, épigénétiques et métaboliques, et des adaptations au nouvel environnement. Les données actuelles confirment le schéma général de l’évolution néoplasique multi-étapes, mais le processus n’est pas identique pour tous les cancers et dépend du l’agent en cause, du type de cellules cibles et de facteurs individuels. Aujourd’hui nombre de questions nécessitent d’approfondir la connaissance des cancers, en particulier sur la clonalité, l’hétérogénéité cellulaire et les relations avec le microenvironnement. Il importe de noter que l’homme, dans son environnement, est exposé à des multiples toxiques (ou xénobiotiques en général). Le cancer est un processus pathologique lié à l’exposition à un facteur de risque, mais il faut aussi considérer le contexte multifactoriel dont on ne connaît pas actuellement le rôle positif ou négatif des facteurs exogènes ou endogènes.

Dans le futur, des recherches devraient être menées pour mieux préciser des interactions entre les carcinogènes, les gènes et les autres constituants cellulaires, ainsi que pour développer des outils de prédiction permettant d’évaluer les effets toxiques visant à intégrer toutes les expositions au cours de la vie pour évaluer l’ensemble des expositions environnementales et les pathologies devant permettre une avancée importante pour déterminer l’influence des expositions sur le cancer. L’amélioration de notre connaissance sur les effets de xénobiotiques cancérogènes fait appel à des études pluridisciplinaires.

 

1.Autres opinions et commentaires

La toxicologie selon nous est une discipline scientifique qui étudie les effets néfastes d’une source comme molécule, radiation, nanomatériaux, etc. sur des organismes ou des systèmes biologiques. Elle est à l’interface entre plusieurs disciplines  comme la chimie, la physiologie, la physiopathologie, la pharmacocinétique, la pharmacologie, la médecine, la biologie, la médecine légale, etc., la toxicologie s’applique à un toxique ou une association comme un produit fini qui contient plusieurs constituants. Elle s’intéresse à l’étiologie (origine) des toxiques et des intoxications, aux propriétés physiques et chimiques des toxiques, aux circonstances de contact avec l’organisme et au devenir du toxique dans l’organisme (administration, distribution, métabolisme, élimination) ; aux effets néfastes sur un organisme, un groupe d’organismes ou sur l’environnement (écotoxicologie) et à leurs mécanismes ; à la détection des toxiques (moyen, qualité, quantité) ; aux moyens pour combattre les toxiques (voies d’élimination, antidotes, traitement) ; aux méthodes de prévention, au diagnostic, au pronostic, à la surveillance médicale, etc. Elle étudie les effets des xénobiotiques sur les systèmes biologiques et vice versa.

Nous pouvons dire aussi que la toxicologie est l’étude des substances toxiques et, plus précisément, l’identification et l’évaluation quantitative des conséquences néfastes liées à l’exposition à des agents physiques, chimiques ou de toute autre nature. Comme telle, elle fait appel, tant pour ses connaissances que pour sa démarche de recherche ou ses méthodes, à la plupart des sciences biologiques fondamentales, aux disciplines médicales, à l’épidémiologie et à divers domaines de la chimie et de la physique. Elle s’étend de la recherche fondamentale sur le mécanisme d’action des agents toxiques à la mise au point et à l’interprétation de tests normalisés permettant de caractériser les propriétés toxiques de ces agents. Elle fournit à la médecine et à l’épidémiologie des informations indispensables pour comprendre l’étiologie et établir le lien entre les expositions, y compris professionnelles, et les pathologies observées. C’est pourquoi, il est aussi essentiel pour la toxicologie d’établir les relations dose-effet et dose-réponse. En médecine (épidémiologie), le critère de relation causale souvent employé entre un agent et une pathologie repose sur la proportionnalité entre la dose et les effets ou réponses observés.

Le terme xénobiotique, le plus utilisé dans le livre assigné, désigne une « substance étrangère », c’est-à-dire extérieure à l’organisme, par opposition aux composants endogènes. Les xénobiotiques comprennent les médicaments, les produits chimiques industriels, les poisons naturels et les polluants environnementaux tandis qu’un toxique est un produit qui pénètre dans l’organisme avec des effets néfastes. Il se distingue de la toxine qui est une substance toxique synthétisée par un organisme vivant (bactérie, champignon vénéneux, insecte ou serpent venimeux), auquel elle confère un pouvoir pathogène ou dangereux.

2. Limites des approches classiques étudiées (selon nous)

La définition d’une valeur seuil à court terme n’est pas suffisante. Par exemple, le chlorure de vinyle provoque une hépatotoxicité à forte dose et induit des cancers à faible dose après une longue latence. Certains mécanismes devraient être pris en compte lors d’une exposition à faible dose pendant longtemps comme la bioaccumulation.

Ces seuils sont calculés pour des toxiques pris individuellement, et non pour un cocktail de molécules. Ces dernières peuvent agir avec des effets antagonistes ou additifs ou de potentialisation/synergie à l’intérieur du cocktail.

De plus, il existe aussi des niveaux de sensibilité liés au patrimoine génétique, à l’état général de santé, à l’histoire immunitaire, et également à l’âge ou au moment de l’intoxication (certains produits auront une action toxique sur le l’embryon ou le fœtus mais pas chez l’adulte).

Le toxicologue doit tenir compte des paramètres pharmacocinétiques et d’éventuelles synergies et interactions métaboliques très complexes. Il approche aujourd’hui les notions de toxicité des molécules, des mélanges et des rayonnements avec des concepts émergents comme les notions d’effets à basses doses ou de « courbes non-monotones d’effets » tout en continuant à étudier les effets d’activités anthropiques nouvelles ou productrices de nouveaux contaminants (ex : nanotoxicologie).

3. Importance de la mesure de l’exposition (individuelle et collective)  C’est notamment le domaine de la biosurveillance.

L’exposition à un ou plusieurs toxiques se mesure, selon nous par :

l’étude de symptômes ;  des analyses qualitatives et/ou quantitatives de présence de toxiques (marqueurs d’exposition) dans un milieu biologique (sang, urine par exemple), corrélées avec les symptômes d’une intoxication ;

l’analyse de biomarqueurs, la créatinémie est utilisée comme biomarqueur de la filtration glomérulaire rénale pour les toxiques affectant le rein par exemple, malgré son intérêt encore discuté ;

la traçabilité des expositions professionnelles, notamment dans les contextes d’exposition aux rayonnements ionisants et/ou « d’utilisation de substances et préparations, et de mise en œuvre de process, susceptibles d’être à l’origine d’altérations graves de la santé des utilisateurs, s’agissant en particulier des agents et procédés cancérogènes, mutagènes ou reprotoxiques (CMR) ».

Ces données peuvent, selon nous servir à proposer des modèles toxicologiques, y compris pour les reconstitutions rétrospectives de dose (« modèle inverse»).

La mesure de l’exposition à un produit, par exemple phtalate, PCB, radiation, etc. est importante pour évaluer la toxicité d’un produit, mais elle est plus délicate qu’il n’y parait :

• l’exposition est estimée par la mesure (chimie analytique) d’un toxique (mercure total par exemple) dans un milieu biologique mais sa forme (spéciation) n’est pas toujours prise en compte
• le plus souvent, on évalue l’exposition par la mesure du produit ou des métabolites dans le sang ou l’urine (respectivement plombémie et plomburie pour le plomb par exemple), or une partie des toxiques peut avoir été excrétée par les poumons (éthanol par exemple) ou les fèces, ou être stockée dans l’os (plomb par exemple) pour être éventuellement libérée plus tard ;
• les molécules de dégradation et les métabolites peuvent être nombreux ou encore inconnus de la science (pour des molécules chimiques synthétiques récentes par exemple), leur détection est alors difficile ;
• les marqueurs d’exposition permettent l’identification du toxique et l’évaluation de son niveau d’exposition. Le problème est que certains marqueurs sont communs à plusieurs toxiques, dans ce cas ils ne permettent pas l’identification du toxique avec certitude. Les signes cliniques et les biomarqueurs constituent alors une aide pour l’identification du toxique. Il existe des valeurs de références (concentrations plasmatiques par exemple) pour certains toxiques. La comparaison de la concentration du toxique obtenue chez le patient par rapport à des valeurs de référence dans le même milieu biologique peut permettre l’estimation de la gravité de l’intoxication : sévère, grave, mortelle, etc. Si le moment de l’intoxication est inconnu, cette estimation est souvent difficile.

La toxicologie est complexe car elle dépend de nombreux facteurs liés au toxique, à l’exposition et à sa victime :

nature du toxique (ou des toxiques) et de ses effets ;

moment d’exposition : in utero, enfance, âge adulte, pendant une maladie, une

gestation… ;  voie d’administration : orale, inhalation, passage percutané ou oculaire, etc. ;  Individus et sous-populations exposées :

• des sous-groupes métaboliques (enfants, personnes âgées, femmes enceintes, femmes ménopausées, etc.) métabolisent différemment certaines substances,
• des sous-groupes génétiques : genre, troubles génétiques sanguins ou immunologiques, métaboliseurs lents ou rapides, etc.,
• des sous-groupes nutritionnels : déficits alimentaires, alcooliques, fumeurs, etc.,
• des sous-groupes « patients fonctionnels » (maladies modifiant la toxicocinétique des xénobiotiques),
• des sous-groupes « patients autres pathologies » : obèses, diabétiques, hypertendus, etc.

C’est pour protéger ces sous-groupes que des facteurs d’incertitudes par défaut sont souvent utilisés lors des calculs des valeurs toxicologiques de référence.

En réalité, tout individu, même en parfaite santé appartient à un sous-groupe sensible au moins à un moment de sa vie : in utero, jeune enfant, personne âgée, etc.

Un exemple de sous-groupe sensible à des risques particuliers pour l’exposition à certains toxiques.

Les albinos sont plus sensibles aux UV

4. Toxicologie médico-légale

Mort par overdose ou par empoisonnement, conduite automobile sous l’emprise de l’alcool ou de stupéfiants, soumission médicamenteuse au cours de viols ; Inhalation de gaz au cours d’un incendie, sont entre autres aspects très importants pour la toxicologie. La toxicologie devrait aussi perfectionner l’introduction de techniques tels que la spectrométrie de masse ou de la chromatographie en phase gazeuse. Avant tout, un examen toxicologique peut être pratiqué pour rechercher les causes toxiques de la mort, à partir des prélèvements biologiques réalisés au cours de l’autopsie, et à partir des poudres, des liquides voire des aliments prélevés. Les analyses toxicologiques consisteraient à rechercher des traces de poisons mortels, de toxiques divers, de produits stupéfiants responsables de l’intoxication criminelle présumée d’une victime. Si dans les cas de mort violente (traumatique ou instrumentale) l’autopsie est la plupart du temps diagnostique, il n’en n’est pas de même en cas de mort toxique où en général, un syndrome asphyxique (ou plutôt agonique) non spécifique est le seul élément probant. L’accroissement de demandes d’expertises toxicologiques chez le vivant (conduite automobile sous influence, dopage, soumission chimique …) rend nécessaire une démarche constante vers l’amélioration du rendu des résultats et de leur interprétation en tenant compte de l’ensemble des données médico-légales.

5. Toxicologie des mélanges

Le mélange (binaire ou multi-composant) de différentes substances peut modifier leur toxicité de plusieurs manières :

effet toxique additif : quand la toxicité d’un mélange est égale à celle prédite par l’addition de la toxicité de chaque composante du mélange ;

effet toxique supra-additif (synergie ou potentialisation) : quand la toxicité induite par le mélange est plus élevée que la somme de celles qui seraient induites par chaque composant du mélange, un composant (ou plusieurs) augmente la toxicité d’un autre produit (ou de plusieurs autres) ;

effet toxique infra-additif ou antagoniste : quand le mélange est moins toxique que l’addition de la toxicité de tous ses composants, un composant (ou plusieurs) diminue la toxicité d’un autre produit (ou plusieurs autres).

La toxicologie est devenue un élément important pour assurer la santé tant dans le domaine environnemental que professionnel. Les organisations devraient faire appel à ses connaissances pour évaluer les risques en milieu professionnel ou dans l’environnement en général et proposer une réglementation. Partie intégrante des stratégies de prévention, la toxicologie est d’une valeur inestimable, puisqu’elle est la source d’informations sur les risques potentiels en l’absence d’expositions humaines pertinentes. L’industrie emploie beaucoup les méthodes toxicologiques puisqu’elle y puise des renseignements utiles à la formulation de nouveaux produits ou à la conception de nouvelles molécules.

La toxicologie a encore du pain sur la planche et il reste encore beaucoup à faire, car, telle qu’elle est connue actuellement, la toxicologie peut être scindée en spécialités comme toxicologie clinique, toxicologie médico-légale, toxicologie fondamentale et toxicologie réglementaire, ou la présenter selon les cibles (par exemple, immunotoxicologie, toxicogénétique, etc.) ou encore selon ses objectifs (recherche, expérimentation et évaluation du risque). Il se fait sentir la nécessité de diversifier ses spécialités et domaines de recherche, les prix et bourses d’études et de recherches devraient être mis en jeu par les gouvernements, de tous les pays, l’ONU et autres organismes humanitaires, accessibles à tous et permettant la formation des cadres et la réorientation d’un grand nombre de chercheurs dans les domaines clés, nécessaires à l’épanouissement, afin de les préparer les uns et les autres aux tâches nouvelles qui les attendent.

Toxicologie