e ets des nanomatériaux sur la santé -...
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Effets des nanomatériaux sur la santé
Jorge Boczkowski
UMR 955 (Inserm-Université Paris Est Créteil)
Journée inaugurale du Club Nanométrologie
Risque santé des nanomatériaux: les origines….
Origine naturelle
Incidentelle
Combustion de moteurs
Incinérateurs
Fumée de soudure
Intentionnelle (manufacturées)
NP métalliques
Nanotubes de carbone
NP complexes
Activité humaine
Volcans
Feu de forêts
Virus
Particules de la pollution atmosphérique: particules ultrafines
Toxicité respiratoire, cardiovasculaire, …
Effets similaires ?
Mort cellulaire (essentiellement in vitro sur cellules en culture) Pas de mort cellulaire, mais apparition d’autres phénomènes qui peuvent conduire à une altération de la santé (in vitro et in vivo chez l’animal) :
- inflammation
- remaniement de la structure tissulaire - cancérogénèse - altérations de la reproduction
Possibilité de passage à travers de barrières cellulaires
De quoi parlons nous quand nous parlons de toxicité humaine de nanoparticules ?
Cinétique aiguë ou chronique Exposition isolée ou co-exposition
Risque pour la santé (toxicité) associé aux nanomatériaux
Exposition accidentelle ou non souhaitée
Exposition souhaitée dans le cadre de la « nanomédécine »
Exposition accidentelle ou non souhaitée
Exposition souhaitée dans le cadre de la « nanomédécine »
Pendant le processus de fabrication
Pendant l’incorporation dans des objets
Pendant l’utilisation de ces objets
Après l’utilisation de ces objets
Risque pour la santé (toxicité) associé aux nanomatériaux
Types de nanomatériaux et danger potentiel pour la santé
Hansen et al. Nanotoxicology 2007, 1:3, 243-250
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
• Facteurs concernant l’exposition - Sources d’exposition
- Voies : respiratoire, cutanée, digestive
- Importance et durée de l’exposition
• Facteurs concernant l’organisme exposé - Susceptibilité individuelle : maladies - Evolution des particules une fois qu’elles sont entrées dans l’organisme
• Facteurs concernant la dangerosité intrinsèque des
nanoparticules : relation avec leurs les propriétés physico-chimiques
Exposition respiratoire
Anatomie des voies aériennes Taille de particules et sites de déposition
NPL
TB
A
Witschger O et Fabries JF. INRS, Hygiène et sécurité au travail , 2005 Oberdorster G et al. Inhal. Toxico. 2004, 16:437‐445 Borm PJ et al. Par9c Fiber Toxicol. 2006, 3:11
Le site de dépôt dépend de: - la taille et forme de la particule, - de la géométrie des voies aériennes et - du mode ventilatoire
Translocation systémique ?
Passage vers le SNC ?
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
• Facteurs concernant l’exposition - Sources d’exposition
- Voies : respiratoire, cutanée, digestive
- Importance et durée de l’exposition
• Facteurs concernant l’organisme exposé - Susceptibilité individuelle : maladies - Evolution des particules une fois qu’elles sont entrées dans l’organisme
• Facteurs concernant la dangerosité intrinsèque des
nanoparticules : relation avec leurs les propriétés physico-chimiques
Facteurs concernant les nanoparticules
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
- La taille : détermine
- la localisation cellulaire (internalisation), - la localisation dans l’organisme (app. respiratoire, peau )
- les propriétés cytotoxiques et inflammatoires intrinsèques
La taille des particules conditionne leur propriétés inflammatoires
Brown DM et al. Toxcol. Appl. Pharmacol. 2001, 175:191-199
Particules de polystyrène de différent diamètre, instillés par voie IT chez le rat. Animaux étudiés à 24h.
Cellularité LBA Cellularité inflammatoire vs surface Particules
Warheit DB et al. Toxicol Sci, 2006, 91:227‐236
Mais…. il existe d’autres facteurs !!!
Particules de TiO2, instillés par voie IT chez le rat. Animaux étudiés à différents temps
Facteurs concernant les nanoparticules
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
- Les phénomènes de surface : aire, réactivité de surface, traitement ; - La composition chimique, incluant des composants de surface comme les métaux de
transition et particulièrement la capacité à produire des formes réactives de l’oxygène ;
- La forme ; - La solubilité et la capacité à former des agrégats ou des agglomérats et la « forme » de ces
aggrégats ou agglomérats ; - La charge ; - La photoréactivité ; - La structure cristalline ; - Le nombre de particules ; - et d’autres paramètres :
méthodes de fabrication, de stockage ; vieillissement des nanoparticules manufacturées
- la localisation cellulaire (internalisation), - la localisation dans l’organisme (app. respiratoire, peau )
- les propriétés cytotoxiques et inflammatoires intrinsèques - La taille : détermine
Facteur forme : nanotubes de carbone et amiante
Poland et al. Nat. Nanotechnol. 2008
Souris recevant des CNT (multiwall) et des fibres d’amiante de différente longueur (courts: 0% > 15 µm, longs: 24% > 15 µm et 84% > 15 µm) par voie intrapéritonéale
Inflammation (24 h) Granumomes (7 j)
Similitude de forme = similitude d’effets ?
Facteurs concernant les nanoparticules
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
- Les phénomènes de surface : aire, réactivité de surface, traitement ; - La composition chimique, incluant des composants de surface comme les métaux de
transition et particulièrement la capacité à produire des formes réactives de l’oxygène ;
- La forme ; - La solubilité et la capacité à former des agrégats ou des agglomérats et la « forme » de ces
aggrégats ou agglomérats ; - La charge ; - La photoréactivité ; - La structure cristalline ; - Le nombre de particules ; - et d’autres paramètres :
méthodes de fabrication, de stockage ; vieillissement des nanoparticules manufacturées
- la localisation cellulaire (internalisation), - la localisation dans l’organisme (app. respiratoire, peau )
- les propriétés cytotoxiques et inflammatoires intrinsèques - La taille : détermine
* *
La nature chimique joue un rôle dans les effets biologiques
Lignée de fibroblastes humains (MRC5) exposée à des particules de noir de carbone (NC) et de TiO2
* Expression de la metalloprotéase-1
Viabilité cellulaire
* #
Lanone S et al. Partic Fiber Toxicol, 2009
Vingt sept nanoparticules métalliques, examen in vitro de la cytotoxicité, lignée de macrophages humains (projet NANOSAFE2, 6 PCRD)
Particle Name Chemical Composition Morphology
Specific Surface
Area (m2/g)
Equivalent Spherical Diameter (nm)
Copper Cu2O (71 Wt%) CuO (22 Wt%) Generally equiaxed particles 29.2 22.9
Copper (commercial source) NA Rounded agglomerated 7.18 90 Copper oxide (cuprous) Cu2O Rounded 10-11 83-94
Copper oxide (cupric) CuO (95 Wt%) Cu2O (5 Wt%) Generally equiaxed particles 20.38 45.4
Copper oxide (cupric commercial source) NA Rounded 32 30
Copper-Zinc mixed oxide variants CuO (60-69 Wt%) ZnO (14-16 Wt%)
Soft agglomerates of nanopowder with some large particles NA NA
Zinc oxide stoechiometric ZnO (99.5 Wt%) Irregular 19.94 53.6
Zinc-Titania mixed oxide variants 50-50 mix
ZnO (28.8 Wt%) TiO2 (5.1/12.7 Wt%) Zn2TiO4 (53.5 Wt%)
Spherical/Rounded 36.7 36.7
Titania stoechiometric Anatase TiO2 (99.87 Wt%) Rounded/Spherical 114.7 12.2
Titania non-stoechiometric
Ti4O7 (39 Wt%) Ti10O18 (18 Wt%) Ti6O11 (10 Wt%)
Rutile TiO2 (20 Wt%) Anatase TiO2 (13 Wt%)
Soft agglomerates of nanopowder with some large particles 12.38 112
Silver Ag (96.3 Wt%) AgNO2 (3.7 Wt%) Rounded. in necklace form 1.83 312
Silver (commercial source) NA Irregular 4 142
Cobalt Co (91.49 Wt%) O (5.4 Wt%) Rounded/Spherical 15.76 42.8
Cobalt (commercial source) NA Small particles necklaced together 29.2 20
Nickel-Cobalt-Manganese mixed variants Ni (28.5 Wt%) Co (25.5 Wt%) Mn (21.2 Wt%)
Cuboid/Hexagonal 18.3 53.4
Nickel Ni (96.99 Wt%) O (2.57 Wt%) Rounded/Spherical 9.6-10.4 64-69
Nickel oxide NA Cubic 18.4 48.9
Copper-based
Zinc-based
Titania-based
Silver-based
Cobalt-based
Nickel-based
La nature chimique joue un rôle dans les effets biologiques
Particle Name Laboratory doing the experiment IC50 µg/ml (CI) IC75 (µg/ml) IC25 (µg/ml)
Copper Ineris Inserm
1.65 (1.52-1.8) 6.46 (1.48-28.31)
1.04 3.84
2.62 10.9
Copper (commercial source) KUL Inserm
6.59 (3.68-11.81) 5.29 (2.03-13.81)
2.06 0.96
21.09 29.11
Copper oxide (cuprous) KUL Inserm
11.53 (7.48-17.7) 3.42 (2.41-4.86)
4.13 1.58
32.16 7.41
Copper oxide (cupric) KUL Ineris
31.07 (27.54-35) 3.89 (3.31-4.57)
21.21 1.55
45.51 9.74
Copper oxide (cupric commercial source)
Ineris Inserm
3 7.3 (6.05-8.81)
2.88 4.28
3.13 12.46
Copper-Zinc mixed oxide variants Ineris Inserm
10.63 (7.87-14.3) 13.65 (9.97-18.6)
5.65 9.13
20 20.4
Zinc oxide stoechiometric KUL Ineris
1.66 (1.38-2) 4.05 (3.35-4.89)
1.19 2.95
2.33 5.54
Zinc-Titania mixed oxide variants 50-50 mix
KUL Inserm
11.4 (8.54-15.23) 12.8
8.1 11.9
16.04 13.77
Titania stoechiometric Ineris Inserm
432 (103.2-1809) NA
255.77 729.66
Titania non-stoechiometric KUL Inserm
845.2 (233.7-3056) 369.2 (141.2-965.4)
343.46 165.67
2079.9 822.76
Silver KUL Ineris
19.33 (13.8-27.09) NA
11.33 32.97
Silver (commercial source) KUL Inserm
1408 (379.2-5231) 55.6 (14.98-206.3)
162.02 20.74
>3300 149.06
Cobalt KUL Inserm
NT NT
Cobalt (commercial source) KUL Ineris
69.6 (31.85-152.1) 1.42 (0.48-4.17)
43.07 0.19
112.47 10.47
Nickel-Cobalt-Manganese mixed variants
Kul Inserm
69.13 (37.29-128.2) 43.33 (18.31-102.5)
20.53 27.48
232.74 68.33
Nickel Ineris Inserm
79.46 (33.33-189.4) NT
21.39 295.15
Nickel oxide Ineris Inserm
23.31 (17.14-31.69) 1613 (694.6-3745)
6.44 628.18
84.42 >3300
NA: not available NT: not toxic
CI: 95% confidence interval
Copper-based
Zinc-based
Most toxic nanoparPcles
Vingt sept nanoparticules métalliques, examen in vitro de la cytotoxicité, lignée de macrophages humains (projet NANOSAFE2, 6 PCRD)
La nature chimique joue un rôle dans les effets biologiques
Lanone S et al. Partic Fiber Toxicol, 2009
Facteurs concernant les nanoparticules
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
- Les phénomènes de surface : aire, réactivité de surface, traitement ; - La composition chimique, incluant des composants de surface comme les métaux de
transition et particulièrement la capacité à produire des formes réactives de l’oxygène ;
- La forme ; - La solubilité et la capacité à former des agrégats ou des agglomérats et la « forme » de ces
aggrégats ou agglomérats ; - La charge ; - La photoréactivité ; - La structure cristalline ; - Le nombre de particules ; - et d’autres paramètres :
méthodes de fabrication, de stockage ; vieillissement des nanoparticules manufacturées
- la localisation cellulaire (internalisation), - la localisation dans l’organisme (app. respiratoire, peau )
- les propriétés cytotoxiques et inflammatoires intrinsèques - La taille : détermine
CNT et inflammation et fibrose pulmonaire: rôle de la dispersion
Souris exposées à 10 µg SWCNT(bien et mal dispersés) par aspiration pharyngée.
Mal dispersés : granulome
Bien dispersés : pas de granulome
Mercer et al. Am. J. Physiol. 2008
CNT et inflammation et fibrose pulmonaire: rôle de la dispersion
Souris exposées à 10 µg SWCNT(bien et mal dispersés) par aspiration pharyngée.
Mercer et al. Am. J. Physiol. 2008
Mal dispersés : granulome
Bien dispersés : pas de granulome, mais fibrose
Devenir des nanoparticules dans le poumon lors de l’exposition respiratoire : le cas de nanotubes de carbone
Rats, MWCNT avec 2 longueurs différents (6 et 0.7 µm), administrés par voie IT (0,5 mg), mesure du contenu pulmonaire en cobalt
Muller et al., Toxicol. Appl. Pharmacol. 2005
El Grabli et al., Part Fibre Toxicol 2008
6 µm de longueur
0.7 µm de longueur
Facteurs concernant les nanoparticules
Aspects analytiques : Déterminants des effets toxicologiques des particules de taille
nanométrique
- Les phénomènes de surface : aire, réactivité de surface, traitement ; - La composition chimique, incluant des composants de surface comme les métaux de
transition et particulièrement la capacité à produire des formes réactives de l’oxygène ;
- La forme ; - La solubilité et la capacité à former des agrégats ou des agglomérats et la « forme » de ces
aggrégats ou agglomérats ; - La charge ; - La photoréactivité ; - La structure cristalline ; - Le nombre de particules ; - et d’autres paramètres :
méthodes de fabrication, de stockage ; vieillissement des nanoparticules manufacturées
- la localisation cellulaire (internalisation), - la localisation dans l’organisme (app. respiratoire, peau )
- les propriétés cytotoxiques et inflammatoires intrinsèques - La taille : détermine
Interactions multiples = > présence or absence de toxicité
Que savons nous aujourd’hui sur les effets des nanomatériaux sur la santé ?
• Etudes in vitro (cellules humaines et animales) et in vivo chez
l’animal - Effets cytotoxiques (nombre d’études : +++)
- Effets inflammatoires, fibrosants (nombre d’études : ++)
- Altérations au niveau de l’ADN, effets génotoxiques (nombre d’études : +)
• Différent types cellulaires, modèles animaux
• Intensité variable de ces effets
• Résultats parfois contradictoires entre les études
• Etudes sur les effets aigus >>>>chroniques
• Caractérisation hetérogène des nanomatériaux
• Devenir dans les cellules/organisme ?
• Etudes chez l’homme
- Très peu d’études (exposition respiratoire, particules carbonées ou métalliques) Lanone and Boczkowski Cur. Mol. Med. 2006, 6:651-653 Stone et al. IEEE Trans Nanobioscience. 2007, 6:331-40. Hoet and Boczkowski. Nanotoxicology 2008, 2:171-182
Mécanismes moléculaires possibles des effets toxicologiques des particules de taille nanométrique
Nano particule
Production de formes réactives de l’oxygène per se et/ou dans les cellules
Adsorption (avec ou sans inactivation) de protéines
Dissolution (NP métalliques)
Phagocytose frustre (nanotubes)
1. Interférence des nanoparticules avec des tests de toxicité ? • Tests de viabilité cellulaire • Dosages de protéines secrétées par les cellules
2. D’autres questions : Besoin de contrôles appropriées Nanoparticules de référence ? Besoin impératif de caractériser le mieux possible, du
point de vue physique et chimique, les nanoparticules en poudre et en solution ou en aérosol
Pertinence de concentrations examinées en termes d’exposition humaine
Nécessité de nouvelles méthodes pour examiner l’interaction nanoparticules-cellules
Questions méthodologiques
1. Métrologie • Développer des méthodes pour détecter des nanomatériaux dans
l’environnement, le milieu de travail et les milieux biologiques • Standardiser les mesures de la taille particulaire, structure,
surface… • Analyser quel est le meilleur paramètre parmi ceux-là pouvant
expliquer les effets toxicologiques 2. Nanomatériaux et santé humaine
Comprendre les relations entre les caractéristiques physico-chimiques des nanomatériaux et effets toxicologiques : isolement d’un paramètre avec valeur prédictive ?
Comprendre l’interaction des nanomatériaux avec le vivant à l’échelle cellulaire et moléculaire (passage des membranes, interaction avec protéines, lipides, etc)
Développer des tests de toxicologie prédictive
Quelques axes de recherche (NNI)
3. Nanomatériaux et environnement Comprendre l’interaction des nanomatériaux avec les différentes
espèces Comprendre les relations entre les caractéristiques physico-
chimiques des nanomatériaux et effets environnementaux : isolement d’un paramètre avec valeur prédictive ?
• Evaluer les transformations des nanomatériaux dans l’environnement (cycle de vie)
4. Exposition humaine et environnementale aux nanomatériaux
Identifier des groupes et des milieux exposés aux nanomatériaux Caractériser l’exposition des travailleurs Caractériser des scénario d’exposition dans la population
générale Comprendre les facteurs qu’interviennent dans l’exposition aux
nanomatériaux dans le poste de travail
Quelques axes de recherche (NNI)
Domaine très complexe: 1 nanomatériau = 1 effet ??????
Difficile techniquement
Besoin de nouvelles techniques
Conclusions
En conséquence :
Nécessité d’approfondir des études expérimentales pluridisciplinaires et de développer des nouvelles approches méthodologiques en toxicologie et métrologie
"Maybe it is the end of the beginning but definitively not the beginning off the end”.
A. Maynard - Nanotoxicology Conference, Venise, Italy - 19-21 April 2007
Remerciements
Inserm U955, Créteil Sophie Lanone
Cyrill Bussy
Lyes Tabet Lucie Armand Esther Belade
JC Pairon P Andujar M Matrat
Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Orsay
Pascale Launois Julien Cambedouzou
Jean Doucet
LCTC, Paris 7 Armelle Baeza
Francelyne Marano
KUL, Leuven, Brussels Peter Hoet
Laboratoire Francis Perrin, CEA, Saclay Martine Mayne-L’Hermitte
Mathieu Pinault
Subventions
ID21
µ XRF