Tridel: Les nanoparticules sont partout !

Reportage : Yann Dieuaide

Montage : Enrico Pizzolato

Animation : Jean-Daniel Kneubühler

Mixage : Philippe Lahaye

http://euroracket.blogspot.com/2008/10/nanomatriaux-le-principe-de-pr…
Les dangers toxiques des nanoparticules
*Alain Lombard*
Toxicologue, ancien coordinateur des activités toxicologiques chez Arkéma
(industrie chimique)
*Alors que la production mondiale de nanomatériaux croît continuellement, on
sait bien peu de choses de leurs effets sur la santé. Pourtant, si les
leçons de la catastrophe de l’amiante avaient été tirées – ce dont on peut
douter -, la capacité des nanoparticules et des nanofibres à pénétrer le
système respiratoire et à interagir avec les cellules aurait dû inciter à
décupler les efforts de recherche consacrés à la toxicologie des
nanostructures. On en est loin… En attendant mieux, voilà ce que l’on sait
des dangers toxiques des nanoparticules. *
Nanotubes
© Haut : Nanoscale Thermo-Fluids Laboratory, Purdue University
Bas : NEC
 Avec l’avènement des technologies de l’infiniment petit, la recherche et la
production de nanoparticules (particules dont la taille ou le diamètre ne
dépasse pas 100 nanomètres, soit 0,1 micron) va augmenter de manière
exponentielle dans les prochaines années. Les nanoparticules sont en effet
utilisées couramment comme catalyseurs pour les réactions chimiques, pour le
polissage de « wafers » et disques durs en microélectronique, etc. Elles
peuvent être incorporées dans divers produits : vêtements, cosmétiques,
pneus, farts de skis, etc. *(1)*. Elles seront exploitées à l’avenir pour
des applications médicales, par exemple comme vecteurs pour transporter des
médicaments au niveau des cellules cibles, et à des fins
environnementales *(voir
l’entretien avec Jean-Yves Bottero)<http://www.vivantinfo.com/index.php?id=143>
*.
Or l’état des connaissances sur les effets cardiovasculaires, respiratoires
et cancérigènes des particules micro et nanométriques de la pollution
atmosphérique *(2, 3, 4)* fait craindre que les nanoparticules fabriquées
par l’homme puissent avoir, elles aussi, des conséquences néfastes sur la
santé. Les quelques études scientifiques publiées font état d’interactions
des nanoparticules avec les cellules, et incitent à la prudence.
  Un air chargé
L’exposition aux nanoparticules a, certes, toujours existé. L’air que nous
respirons contient des quantités très importantes de particules ultrafines
naturelles : plus de 10 000 particules supérieures à 10 nm dans 1 cm3 d’air,
avec de fortes variations selon la saison ou le degré de pollution
industrielle. Dans le monde du travail cette exposition est aussi très
ancienne : condensation de fumées émises par des fours métallurgiques,
fumées de soudage, fabrication et utilisation de noirs de carbone, de
silices amorphes, etc.
Cependant, l’industrialisation des nanotechnologies change la donne
puisqu’une très grande quantité de nanofibres et de nanoparticules aux
propriétés physico-chimiques très diverses, voire nouvelles, va être
produite. Les risques sanitaires qui découlent de cette nouvelle ère
concernent aussi bien les travailleurs du secteur, qui peuvent être exposés
de manière chronique à des quantités importantes de nanoparticules, que la
population en général, dont l’exposition est plus indirecte.
En hygiène du travail, on a longtemps évalué le risque résultant de
l’exposition aux « poussières » en fonction de leur concentration dans
l’atmosphère inhalée par le travailleur (mg/m3). Mais les moyens de
protection utilisés pour les poussières micrométriques ne sont pas efficaces
pour les nanoparticules, qui ne sont pas retenues par les filtres
classiques. Chaque type de nanoparticule est une entité particulière, avec
un comportement physicochimique, toxicologique et environnemental
spécifique, pour lequel il faut trouver et mettre en œuvre des moyens de
contrôle et de protection adaptés. Prévenir les risques liés à l’exposition
à des nanoparticules implique aussi de caractériser leurs propriétés
physico-chimiques et de les classer selon leur degré de réactivité de
surface. Il faut ensuite déterminer leurs effets biologiques sur les
cellules et les organes.
  Le poumon en première ligne
D’après les connaissances toxicologiques actuelles, les nanoparticules de
l’air se déposent dans les voies pulmonaires, notamment dans le poumon
profond, en proportion nettement supérieure à celle de particules de plus
grosse taille. Plus l’activité physique est importante, plus le dépôt
pulmonaire est grand.
Günter Oberdörster, l’un des pionniers des études toxicologiques sur les
particules ultrafines
© G. Oberdörster
Les études expérimentales menées par de groupe de Günter Oberdörster
(université de Rochester, Etat de New York) dans les années 1980 et 1990 ont
constaté que des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) ont la propriété
de pénétrer l’épithélium pulmonaire, de passer dans les circuits
lymphatiques et de s’accumuler progressivement dans les ganglions
lymphatiques les plus proches *(5, 6)*. Une distribution systémique dans
tous les organes (foie, rein, cœur, cerveau) par la circulation sanguine a
également été mise en évidence. Cette pénétration est favorisée par la
petite taille des particules et par leur nombre dans l’air ambiant, ainsi
que par l’intensité de l’inhalation.
D’après les travaux plus récents d’Oberdörster chez le rat et de sa fille
Eva (Southern Methodist University, Dallas) chez un poisson, les
nanoparticules pourraient même parvenir au cerveau en suivant le trajet du
nerf olfactif *(7, 8)*. Par ailleurs, la capacité des nanoparticules à
traverser la barrière cutanée reste controversée.
Quel est le mécanisme d’action des nanoparticules ? Leur action sur les
cellules de l’organisme est variable : elle dépend de la nature chimique des
particules, ainsi que de leur état physicochimique de surface. Selon leur
nature, les nanoparticules ne pénètrent pas l’interstitium alvéolaire de
façon similaire : par exemple, environ 50 % de la dose pour le dioxyde de
titane, et seulement 4 % pour le noir de carbone *(9)*. De même, la
« réactivité de surface » intervient dans la toxicité des nanoparticules *
(10)*, ainsi que la capacité des particules à libérer des radicaux libres *
(11)*, ou encore à porter des impuretés superficielles ou des métaux
biodisponibles *(12, 13)*.
Cela peut se traduire par des réactions inflammatoires localisées, et
l’émergence de modifications génétiques des cellules atteintes pouvant
évoluer vers un dysfonctionnement plus ou moins important des organes
touchés, voire en cancer. Dans les poumons, les réactions inflammatoires
peuvent dégénérer en fibrose, qui se traduit par une diminution de la
capacité d’échanges gazeux des alvéoles pulmonaires et une diminution de la
fonction respiratoire ou de l’asthme.
Oberdörster a émis l’hypothèse que l’incidence des tumeurs pulmonaires
observées dans certaines études animales est liée à la surface totale des
particules présentes dans les poumons, plus qu’à leur nombre *(14)*. Une
hypothèse toutefois contredite récemment par des chercheurs du DuPont
Haskell Laboratory for Health and Environmental Sciences (Newark) *(15)*.
  Nanotubes : péril à demeure
Le risque majeur actuellement identifié est celui que représentent les
nanotubes de carbone et les fullerènes, en raison de leur production
industrielle déjà importante dans les pays industrialisés. L’instillation
dans la trachée chez le rat de nanotubes de carbone monofeuillets (*single-wall
carbon nanotubes*, SWCNT) mais aussi de nanotubes multifeuillets (*Multi-wall
carbon nanotubes*, MWCNT), plus épais, provoque l’apparition dans le poumon
de granulomes (lésions inflammatoires) et d’une fibrose (transformation
fibreuse du tissu épithélial) *(16, 17, 18)*.
Tissu pulmonaire de souris ayant reçu 0,5 mg de particules dans la trachée,
observé au bout de 90 jours.
(A) *Noir de carbone*. Les particules sont dispersées dans les alvéoles. (B)
*Quartz*. La flèche montre un agrégat de lymphocytes autour de macrophages
contenant des particules de quartz. (C) *Nanotubes de type CarboLex*.
Granulomes contenant des particules noirâtres. (D) *Nanotubes bruts*.
Granulomes à petit grossissement. (E) *Nanotubes bruts*. Un granulome à fort
grossissement. (F) *Nanotubes purifiés*. Un grand granulome dégénéré et
nécrosé.
© 2004 by the Society of Toxicology, *Toxicological Sciences* 77, 126-134
(2004), Chiu-Wing Lam *et al.*, Pulmonary Toxicity of Single-Wall Carbon
Nanotubes in Mice 7 and 90 Days After Intratracheal Instillation.
Selon l’équipe d’Anna Shvedova et Paul Baron, du National Institute for
Occupational Safety and Health (NIOSH, Etats-Unis), le mécanisme de fibrose
tiendrait à une activation directe de cellules fibreuses (fibrocytes)
pulmonaires par les nanotubes *(19)*. Les effets inflammatoires seraient dus
à la présence d’impuretés chimiques (nanofibres, nanoparticules de carbone,
métaux catalyseurs) dérivant des processus de production des nanotubes *(20)
*.
On a pu craindre que les nanotubes de carbone aient un comportement
similaire à l’amiante ou d’autres fibres minérales du fait de leur très
faible diamètre (< 100 nanomètres) et de leur grande longueur (quelques
millimètres). En fait, ces nanotubes flexibles s’agglomèrent en pelotes dans
les alvéoles pulmonaires, et se trouveraient ainsi dans l’impossibilité de
traverser la plèvre. Mais cette agglomération augmente leur persistance dans
les poumons, et par là même facilite l‘initiation de leur effet fibrosant
potentiel.
Les nanotubes de carbone ont été évalués également pour leur toxicité
vasculaire. Chez la souris, l’équipe de Tony Huang (Université de Caroline
du Nord, Chapel Hill, et National Health and Environmental Effects Research
Laboratory, EPA) a observé une augmentation, dépendante de la dose
instillée, de l’altération de l’ADN mitochondrial dans l’aorte, et une
altération des gènes impliqués dans l’inflammation dans les cellules
cardiaques *(21)*. Des études *in vitro *avec des cellules endothéliales
aortiques humaines montrent que l’exposition pendant deux heures à des
nanotubes de carbone entraîne une augmentation de l’expression de nombreux
gènes et une oxydation dose-dépendante des lipoproteines de faible densité
(LDL). Ces résultats font penser que les nanotubes de carbone pourraient
créer directement ou indirectement une prédisposition à la formation de
plaques d’athérome *(22)*.
  Un danger sous-estimé ?
Les effets toxicologiques observés s’appliquent en particulier aux
nanoparticules et nanotubes « libres ». Leur piégeage dans une matrice
(polymère, composite, nanostuctures électroniques, etc.) rend les risques
d’exposition très faibles, voire nuls pour les populations. Le risque se
concentrerait sur les personnels de laboratoire et de production qui
manipulent ces nanoparticules « libres ». Mais des incertitudes persistent
quant à l’exposition des populations par l’environnement lors de la
dégradation de ces matrices ou du traitement des déchets, ou encore via la
chaîne alimentaire – via les poissons par exemple *(8)* – si ces
nanoparticules sont bio-accumulables et bio-persistantes.
Paradoxalement, il y a peu de travaux probants dans le domaine de la
caractérisation physicochimique et de la toxicologie des nanoparticules et
des nanomatériaux. Les études publiées montrent des résultats contrastés
selon le type de réactif biologique étudié, ainsi que la pureté et la
qualité des nanoparticules et nanomatériaux utilisés. Dans la course
mondiale à l’innovation, les dangers potentiels de ces derniers pour la
santé et l’environnement sont étudiés en même temps qu’ils sont découverts,
développés et commercialisés. De plus, les budgets consacrés à l’évaluation
des risques restent infimes en proportion des sommes allouées au
développement des nanomatériaux ; par exemple aux Etats-Unis, pays le plus
avancé sur la question, le gouvernement fédéral y consacrera 40 millions de
dollars en 2006 alors que le budget de l’Initiative nationale sur les
nanotechnologies (NNI) dépasse 1 milliard de dollars.
Cette situation où l’on « apprend en faisant » ne laisse malheureusement pas
beaucoup de marge de sécurité, ni de possibilité de retour en arrière en cas
d’apparition d’un problème de santé ou d’environnement majeur.
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Sources suppl.:
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http://www.lanutrition.fr/Les-dioxines-a-4388.html
http://www.ecoforum.fr/reseau/CollectifCorse/comite21.htm