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Influence de l’état d’agglomération de nano-aérosols de TiO2 sur la toxicité pulmonaire chez le rat

Impact of the agglomeration state of TiO2 nano-aerosols on rat pulmonary toxicity

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Introduction

Les effets sur la santé découlant d’une exposition aux nanoparticules (NP) (< 100 nm) sont peu documentés et un nombre croissant d’études montre que leur toxicité pourrait être en lien avec des paramètres associés à leur taille [1]. Les NP de TiO2, utilisées entre autres, en tant que pigment dans les peintures, seraient davantage pneumotoxiques que leurs homologues de taille fine [2]. Les NP d’oxyde métallique ont tendance à s’agglomérer dans les aérosols, résultant en des agglomérats de dimension supérieure à celle de la NP de départ. C’est donc possiblement sous cette forme qu’elles interagissent avec les systèmes biologiques [3-4]. Les études toxicologiques évaluant les effets pulmonaires des NP doivent caractériser l’exposition aux aérosols en considérant la concentration en masse et en nombre ainsi que la taille des agglomérats, ceci afin d’établir une corrélation adéquate entre l’exposition et les effets. Peu d’études ont évalué l’influence de l’état d’agglomération des aérosols de NP sur la toxicité pulmonaire. L’objectif de cette étude est d’évaluer, chez le rat, la toxicité pulmonaire différenciée de deux aérosols présentant des distributions granulométriques différentes générées à partir d’une même NP de TiO2 (anatase, 5 nm).

Méthodes

Deux méthodes de génération d’aérosol, combinant différents types de générateurs : un Collison (BGI Inc.), un Delavan (Goodrich Corp.), un Palas (Palas GmbH) et un lit fluidisé (TSI Inc.) ont produit des nano-aérosols ayant deux états d’agglomération distincts pour chaque concentration massique ciblée de 2 et 7 mg/m3. Les aérosols faiblement agglomérés sont constitués en majorité d’agglomérats de NP de dimension inférieure à 100 nm et les aérosols fortement agglomérés, d’agglomérats de NP de dimension supérieure à 100 nm.
Dans une chambre d’inhalation de 500 L, quatre groupes de six rats ont été exposés par inhalation nez seulement à l’un de ces nano-aérosols pendant six heures. Dans des conditions similaires, deux groupes témoins ont été exposés à de l’air comprimé filtré exempt de NP. Les mesures en temps réel du nombre de particules ont été faites avec un impacteur électrique à basse pression (ELPI) (Dekati). La concentration massique a été déterminée par gravimétrie et la stabilité vérifiée à l’aide d’un Dust Trak (TSI Inc). Seize heures après la fin de l’exposition, des lavages broncho-alvéolaires (LBA) ont été effectués chez les rats. L’inflammation pulmonaire a été évaluée par la mesure de différentes
populations cellulaires présentes dans les LBA (hémacytomètre et cytodifférenciation) et la réponse cytotoxique a été déterminée par la mesure des biomarqueurs suivant : l’alcaline phosphatase (Alkaline phosphatase assay kit QuantiChrom, Gentaur), la lactate déshydrogénase (LDH) (Cytotoxicity detection kit for LDH, Roche Applied Science) et les protéines totales. Ces trousses ont été utilisées selon les indications des manufacturiers.

Résultats

La caractérisation des expositions aux nano-aérosols est présentée au tableau 1. Tel que démontré par le non-chevauchement des écarts interquartiles des distributions granulométriques, les nano-aérosols ont été générés sous deux états d’agglomération distincts pour une même concentration massique.

Les résultats des tests évaluant la toxicité pulmonaire des rats exposés aux nano-aérosols sont présentés à la figure 1. Seul le groupe exposé à l’aérosol de 7 mg/m3 fortement aggloméré (NMAD = 194 nm) a montré une augmentation significative (p < 0,05) du nombre de neutrophiles provenant des LBA. Pour toutes les expositions, aucun effet cytotoxique n’a été observé. Pour l’exposition à 7 mg/m3, et bien que ce résultat ne soit pas significatif (p = 0,065), l’activité de la LDH était 1,8 fois plus élevée chez le groupe exposé à l’aérosol faiblement aggloméré (NMAD = 31 nm) comparativement au groupe témoin.

Discussion

Sur la base des paramètres évalués, cette étude montre qu’une exposition à 2 mg/m3 de TiO2 n’est pas suffisamment élevée pour mettre en évidence une différence dans la toxicité des nano-aérosols faiblement ou fortement agglomérés. En revanche, à 7 mg/m3, l’exposition au nano-aérosol fortement aggloméré (NMAD = 194 nm) entraine une augmentation significative du nombre de neutrophiles indiquant l’initiation d’une légère réponse inflammatoire, alors que l'activité de la LDH tend à être supérieure à la suite de l'exposition au nano-aérosol faiblement aggloméré (NMAD = 31 nm). Ces résultats suggèrent que l’état d’agglomération joue un rôle dans la toxicité des nano-aérosols.

Selon les données de la littérature, les mécanismes de toxicité des NP peuvent mettre en cause différentes voies de signalisation intracellulaire menant à de l’inflammation ou à un stress oxydant [1-5]. À l’intérieur du macrophage alvéolaire (MA), une première voie de signalisation serait mise à contribution via l’activation de la phagocytose par les NP, en tant que processus d'élimination. Une autre voie de signalisation pourrait mettre en cause des interactions de surface entre les NP et les cellules du poumon, produisant un stress oxydant. Ces deux voies de signalisation mèneraient à une cascade d’événements intracellulaires résultant en la libération de médiateurs pro-inflammatoires, suivis d’une augmentation du nombre total de cellules, de MA et de neutrophiles [1-5]. De plus, alors que l'activité phagocytaire des MA est optimale pour les particules micrométriques, elle serait moins efficace pour les NP [6]. Ainsi, les NP agglomérées (> 100 nm) seraient davantage phagocytées par les MA comparativement aux NP ou aux petits agglomérats (< 100 nm). Cette hypothèse pourrait expliquer l’augmentation significative du nombre de neutrophiles chez le groupe exposé à l’aérosol fortement aggloméré (7 mg/m3 ; NMAD = 194 nm). Ceci suggère que les agglomérats de NP de plus grande dimension (> 100 nm) emprunteraient principalement la voie de signalisation de la phagocytose pour induire une légère réponse inflammatoire. D’autres études exposant des rongeurs par inhalation à des NP de TiO2 (taille de départ 5, 21 et 25 nm) ont également montré, pour des concentrations inférieures à 10 mg/m3, une réponse inflammatoire modérée à la suite de l’exposition à des aérosols agglomérés (> 120 nm) [9-10].

Puisque les NP sont moins phagocytées, les particules ou les agglomérats se situant sous les 100 nm pourraient donc persister plus longtemps dans le tissu pulmonaire, interagir avec l'épithélium et migrer vers des compartiments extra-pulmonaires [7-8]. Ainsi, les agglomérats de plus petite dimension (< 100 nm) seraient pour leur part moins bien détectés par les MA ce qui pourrait réduire le potentiel de l’aérosol plus faiblement aggloméré à induire une réponse biologique par cette voie de signalisation. L’augmentation de l'activité de la LDH, observée chez les rats exposés à l’aérosol faiblement aggloméré (7 mg/m3 ; NMAD = 31 nm), appuie également cette hypothèse puisque les petits agglomérats pourraient ainsi interagir en plus grand nombre avec les différentes cibles cellulaires provoquant ainsi du stress oxydant et des effets cytotoxiques. À notre connaissance, aucune autre étude n’a réussi jusqu’à maintenant à générer des aérosols de TiO2 faiblement agglomérée (≈ 30 nm) pour en évaluer la toxicité pulmonaire en exposant des rongeurs par inhalation.

Conclusion

Les résultats de notre étude appuient les hypothèses actuelles de la littérature concernant les mécanismes d’action associés à une NP et suggèrent que l’état d’agglomération jouerait un rôle dans la toxicité des nano-aérosols. Nos résultats révèlent différentes pistes de recherches liées aux caractéristiques des nano-aérosols en cause dans la toxicité pulmonaire. Toutefois, les recherches futures devront inclure l’analyse de paramètres de toxicité pulmonaire supplémentaires comme l’histopathologie des poumons, des biomarqueurs de stress oxydant et de cytokines liés à l’inflammation pulmonaire.

Références

1- Oberdörster G, Oberdörster E, Oberdörster J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environ Health Perspect 2005; 113: 823-839.
2- Sager TM, Kommineni C, Castranova V. Pulmonary response to intratracheal instillation of ultrafine versus fine titanium dioxide: role of particle surface area. Particle Fibre Toxicol 2008; 5: 17.
3- Murr LE, Esquivel EV, Bang JJ. Characterization of nanostructure phenomena in airborne particulate aggregates and their potential for respiratory health effects. J Mater Sci Mater Med 2004; 15: 237-247.
4- Ma-Hock L, Gamer AO, Landsiedel R, et al. Generation and characterization of test atmospheres with nanomaterials. Inhal Toxicol 2007; 19: 833-848.
5- Donaldson K, Stone V. Current hypotheses on the mechanisms of toxicity of ultrafine particles. Annali dell’ Istituto Superiore Di Sanita 2003; 39: 405-410.
6- Geiser M, Casaulta M, Kupferschmid B, et al. The role of macrophages in the clearance of inhaled ultrafine titanium dioxide particles. Am J Respir Cell Mol Biol 2008; 38: 371-376.
7- Oberdörster G. Pulmonary effects of inhaled ultrafine particles. Int Arch Occup Environ Health 2001; 74: 1-8.
8- Kreyling WG, Semmler M, Erbe F, et al. Translocation of ultrafine insoluble iridium particles from lung epithelium to extrapulmonary organs is size dependent but very low. J Toxicol Environ Health A 2002; 65: 1513-1530.
9- Grassian VH, Adamcakova-Dodd A, et al. Inflammatory response of mice to manufactured titanium dioxide nanoparticles: Comparison of size effects through different exposure routes. Nanotoxicology 2007; 1: 211-226.
10- Ma-Hock L, Burkhardt S, et al. Development of a short-term inhalation test in the rat using nanotitanium dioxide as a model substance. Inhal Toxicol 2009; 21: 102-118.

Légendes des figures et tableaux

Tableau 1
Le D25 représente le diamètre aérodynamique sous lequel on retrouve 25% de la distribution granulométrique et le D75, le diamètre aérodynamique sous lequel on retrouve 75% de la distribution granulométrique. D75 – D25 est l’écart interquartile et représente l’intervalle de la distribution granulométrique à l’intérieur duquel on retrouve 50% des particules.


Figure 1: Résultats des différents tests de toxicité pulmonaire
Les données sont exprimées en fonction de l’augmentation des paramètres des groupes exposés par rapport aux groupes témoins (moyenne ± erreur-type, n = 6). Les tests pour l’ALP, la LDH et les protéines totales ont été effectués en duplicata.

Figures et tableaux

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Ce numéro

MSA/Acfas2011

MSA/Acfas2011

Vol.1, No.1

Numéro sur le congrès de l'Acfas, tenu à Sherbrooke, Mai 2011. Avec en éditorial une entrevue spéciale du Professeur Rémi Quirion, scientifique en chef du Québec! Image de couverture : « Anévrisme sous surveillance » de Claude Kauffmann. Université de Montréal. Concours « La preuve par l’image » (Acfas), Finaliste 2010.