E ets des nanomatériaux sur la santé - Accueilsfp.in2p3.fr/expo/Conf2011/Nanometrologie/111006... · Particules de polystyrène de di#érent diamètre, instillés par voie IT chez

Effets des nanomatériaux sur la santé

Jorge Boczkowski

UMR 955 (Inserm-Université Paris Est Créteil)

[email protected]

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 ?


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


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



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


-  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 ?



nanométrique








* *

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


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)


Lanone S et al. Partic Fiber Toxicol, 2009



nanométrique








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



nanométrique








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

E ets des nanomatériaux sur la santé - Accueilsfp.in2p3.fr/expo/Conf2011/Nanometrologie/111006... · Particules de polystyrène de di#érent diamètre, instillés par voie IT chez

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