Impacts physiopathologiques des nanoparticules inhalées

Physio-pathological impacts of inhaled nanoparticles

Université Paris-Diderot, Unité de Biologie Fonctionnelle et Adaptative, UMR CNRS 8251, Laboratoire des Réponses Moléculaires et Cellulaires aux Xénobiotiques, 5 rue Thomas Mann, 75013 Paris, France

Auteur correspondant : Armelle Baeza-Squiban, baeza@univ-paris-diderot.fr

Reçu : 9 Juillet 2014

Résumé

Le développement des nanotechnologies s’accompagne de la production de nanomatériaux qui se caractérisent par une dimension externe à l’échelle nanométrique, de 1 nm à 100 nm, ou qui au moins possèdent une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique. À cette échelle, ces matériaux acquièrent des propriétés nouvelles que ne possèdent pas des matériaux de même nature mais de taille micrométrique, expliquant leur utilisation croissante dans une multitude de secteurs. Mais ces nouvelles propriétés font craindre que ces nanoparticules manufacturées puissent interagir avec les systèmes biologiques, ce qui nécessite d’évaluer leur danger. La production croissante de nanomatériaux augmente les probabilités d’exposition, tant pour la population générale que pour les travailleurs, et la voie respiratoire est une voie d’entrée majeure dans le cadre d’expositions non intentionnelles. La taille réduite des nanoparticules favorise leur pénétration profonde dans l’appareil respiratoire où elles vont se déposer par diffusion, interagir avec les cellules épithéliales et les macrophages, voire passer les barrières épithéliales pour atteindre la circulation sanguine. L’inhalation des nanoparticules provoque à court terme une inflammation pulmonaire dont l’importance est dépendante de leurs caractéristiques physico-chimiques telles que la composition, la taille, la forme, la solubilité... La diminution de taille s’accompagne de propriétés de surface particulières qui confèrent aux nanoparticules une forte réactivité biologique, liée notamment à leur capacité à produire des espèces réactives de l’oxygène. Les mécanismes de toxicité des nanoparticules passent ainsi très souvent par l’induction d’un stress oxydant. Mais cette réactivité de surface favorise aussi des interactions avec des protéines qui s’adsorbent à la surface des nanoparticules. Selon les propriétés de surface des nanoparticules, la nature des protéines adsorbées ainsi que l’impact sur la structure de ces protéines peuvent varier, modulant la capacité des nanoparticules à interagir avec les cellules et d’activer des récepteurs/voies de signalisation cellulaire. Compte tenu du potentiel d’application des nanotechnologies et des retombées économiques associées, l’évaluation des risques potentiels de ces nanomatériaux pour la santé humaine dans le cadre d’expositions non intentionnelles, notamment par la voie respiratoire, est toujours d’actualité. De plus l’amélioration de nos connaissances sur les caractéristiques physico-chimiques des nanoparticules impliquées dans leur toxicité permettrait d’envisager la création de nanoparticules plus sûres.

Abstract

Nanomaterials are defined as materials with any external dimension in the nanoscale or having an internal structure or surface structure in the nanoscale, approximately 1 nm to 100 nm. They exhibit new or reinforced properties as compared to the same material at the micrometric scale, providing a benefit in numerous technological applications. However, their specific surface properties in addition to their shape, composition, size are suspected to elicit adverse responses from biological systems, underlining the need for a thorough hazard assessment. Increasing use of nanomaterials in industrial as well as consumer products extends the possibilities of environmental and occupational human exposures. During all their life cycle, from their production to their destruction through their use, engineered nanoparticles can be released and the respiratory route is one of the main unintentional routes of exposure. Although the respiratory tract is equipped with efficient clearance mechanisms, there is increasing evidence that nanoparticles exhibit an ability to cross biological barriers, getting access to the bloodstream and secondary target organs. Different features of nanomaterials (size, form, surface reactivity...) contribute to their internalization and translocation through the respiratory barrier. Short term inhalation exposure to nanoparticles induces pulmonary inflammation the extent of which is dependent on the type of nanoparticles according to shape, size, solubility...Oxidative stress is considered as a major toxicity pathway triggered by nanomaterials as they can intrinsically produce reactive oxygen species or induced the intracellular production of reactive oxygen species or anti-oxidant depletion upon interaction with cells. Alternative mechanisms are suspected, related to the ability of nanoparticles to interact with proteins. As they get in contact with biological fluids, nanoparticles are covered by a protein corona that modifies their interactions with cells, their fate and their effects. There is still a need to increase our mechanistic understanding of the toxicological events triggered by nanomaterials in order to provide relevant data for risk assessment as well as in helping to develop nanomaterials with a safer design.