RISQUES SANITAIRES ET ECOTOXICOLOGIQUES NANOTECHNOLOGIES RISQUES SANITAIRES ET ECOTOXICOLOGIQUES Barbara GOUGET Groupe Toxicologie Humaine et Environnementale Laboratoire Pierre Süe CEA Saclay

Les nanomatériaux manufacturés présentent-il : un risque écotoxicologique dispersion dans l’environnement perturbation des écosystèmes et/ou un risque sanitaire ? risque accidentel vs. risque au poste de travail exposition aigüe vs. exposition chronique

Quelques définitions Nanofibres Nanotubes (NTs) 1 dimension > 100 nm Nanofibres L > 3 x d Nanoparticules (NPs) 3 dimensions < 100 nm 20nm TiO2/Pt 200 mm 200 nm a) c) b) Nanofilms 2 dimensions > 100 nm

poudres dont les grains ont une taille nanométrique Nanofluides Quelques définitions Nanopoudres poudres dont les grains ont une taille nanométrique Nanofluides liquides contenant une dispersion de nanoparticules Nanocristaux de semi-conducteurs de tailles différentes éclairés en UV

Positionnement de la taille des nanomatériaux NANOMONDE 0.1nm 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm 1cm 10cm 1m

Classification – principales sources de NPs Origine anthropogénique Origine naturelle   Origine anthropogénique Non intentionnel Intentionnel Feux de forêt Eruptions volcaniques Virus Magnétites biogéniques Bactéries Ferritine Combustion des moteurs Centrales électriques Incinérateurs Fumées de métaux (soudage…) Nanoparticules Nanotubes Nanofilms Métaux Semi-conducteurs Oxydes métalliques Carbone

Particules de l’aérosol atmosphérique en milieu urbain (Witschger et al, 2005)

NPs anthropogéniques intentionnelles Bruit de fond = concentration en NPs présentes de façon continue dans les atmosphères de travail 103 - 105 particules.cm-3 Détection et mesurage

Réactivité chimique élevée (Witschger O. et al, 2005)

Propriétés Propriétés électriques alumine + qq % NTC – conductivité électrique x 1012 Propriétés mécaniques nanomatériau de cuivre – élongation x 50 nanomatériau de zircone – superplasticité : déformation sans concentration de contraintes Propriétés optiques nanocristaux semi-conducteurs sous UV – émission fluorescente Propriétés catalytiques nanoparticules d’or – catalyseur pour l’oxydation du monoxyde de carbone

Cosmétiques Produits de soin pour la peau Nanoencapsulation – Antivieillissement Filtres solaires Rouges à lèvre longue durée

Produits de grande consommation Emballages alimentaires plus résistants et imperméables à l’air Revêtements antiadhésifs ou résistants à l’usure Verres antireflets Textiles - Acticoat par Smith and Nephew propriétés antibactériennes

Nanoparticules d’argent Pansements à nanocristaux d'argent Assainisseur d’air Air Sanitizer par Shenzhen Become Industry & Trade Co. charbon actif + filtre HEPA + purification par photocatalyse avec des NP d’argent

Peinture anti-graffiti Deletum 3000 à base de NP de silice par Victor Castano Industries aéronautique et automobile Peintures propriétés antirayures ou autonettoyantes Pneumatiques meilleure adhérence Carburant cérine comme additif

Nanobiotechnologies Implants médicaux zircone ou alumine nanocristalline biocompatibilité, dureté et résistance à la biocorrosion Valves cardiaques artificielles carbure de silicium nanocristallin légèreté, résistance et stabilité chimique Vectorisation d’agents anticancéreux NP d’or fonctionnalisées avec des anticorps dirigés contre des cellules cancéreuses ; faisceau laser pour activer l’agent sur les cellules marquées (Tsoli et al., 2005)

Risque écotoxicologique L’air confinement: diffusion turbulente - persistance dans l’air L’eau forme dispersée = maximum d’impact sur l’environnement pb: dissolution à l’échelle nanométrique ? Le sol sorption sur les sédiments et le sol (Lecoanet et al, 2004)

Etudes écotoxicologiques Bactéries et fullerènes (Mashino et al, 1999 et 2003) inhibition de croissance Gram – rupture de la chaine respiratoire Bactéries et TiO2, SiO2, ZnO (Adams et al., 2006) inhibition de croissance SiO2 < TiO2 < ZnO E. coli : Gram – Bacillus subtilis Gram + : plus sensibles Bactéries et Ag Staphylococcus epidermidis et S. aureus résistantes (Alta et al, 2004) formation de puits chez E. coli (Sondi et al, 2004) activité bactéricide élevée = antimicrobien

Programme ANR ECCO Écotoxicologie et Écodynamique des Contaminants Analyse multi-échelle des interactions physico-chimiques et biologiques entre des nanoparticules manufacturées et des bactéries Bactéries E. coli et ZnO (Brayner et al., 2006) augmentation perméabilité membranaire accumulation paroi internalisation

Programme ANR ECCO Écotoxicologie et Écodynamique des Contaminants Bactéries et CeO2 (Thill et al., 2006) CeO2 charges positives à pH neutre E. coli – forte attraction électrostatique = toxicité souches naturelles = déséquilibre des écosystèmes ?

Toxicité ou résistance ? C. metallidurans CH34 : bactérie tellurique Croissance microbienne 100 µg / mL – fonction du temps Test de viabilité Control Carbon NT Degussa TiO2 CEA TiO2 Al2O3

Nanofluides ≠ Nanopoudres Le risque humain Nanofluides ≠ Nanopoudres Risque = danger x exposition dose = concentration x temps f (toxicité intrinsèque; susceptibilité individuelle)

Conséquences de la contamination Pas d’étude clinique disponible Etudes épidémiologiques (PUF) problèmes respiratoires et cardiovasculaires Modèles de laboratoire

Les modèles de laboratoire In vivo : instillation pulmonaire vs. inhalation, injection iv. In vitro : cellules en culture, étude des mécanismes Etudes ex vivo Cellules primaires (pneumocytes type I, macrophages) Lignées cellulaires (pneumocytes type II, macrophages) noyau Golgi mitochondries réticulum lysosome Cytotoxicité ? Génotoxicité ? Cancérogénicité ? Reprotoxicité ?

Les voies d’exposition Contamination Inhalation Contact cutané -Ingestion Organes cibles Peau Tractus digestif Poumon Organes cibles après translocation Foie Rein Cerveau Translocation: passage des barrières physiologiques

Contamination par inhalation Voies supérieures Voies inférieures -Cellules épithéliales (pneumocytes) Cellules de soutien (fibroblastes) -Macrophages alvéolaires (circulants) Échanges gazeux avec le sang Pas de mucus Inhalation dépôt puis épuration ou transfert à travers la barrière épithéliale

Dépôt dans l’appareil respiratoire Les NP ne se répartissent pas uniformément dans l’appareil respiratoire. 200-400 nm : 80% expirées 20 nm : 80% déposées, 50-60% dans les alvéoles 5 nm : uniformément (Oberdörster G. et al, 2005)

Importance de l’état de surface des nanoparticules A l’échelle cellulaire organes directement touchés : les macrophages alvéolaires « Protecteurs » des poumons (éliminent les bactéries) Initiation et propagation réactions inflammatoires et stress oxydatif Toxicité sur NO (Soto et al, 2005; Jia et al, 2005) cytotoxicité TiO2 - Si3N4 > CB, Fe2O3, Al2O3, ZrO2 > NTC > amiante > Ag NTC, fullerènes, CB (Jia et al, 2005; Lundborg et al, 2006) perte de la capacité à phagocyter Importance de l’état de surface des nanoparticules

A l’échelle cellulaire organes directement touchés : les cellules de la paroi alvéolaire Pneumocytes, fibroblastes pulmonaires et TiO2, CB, NTC, BaSO4 (Faux et al, 2003; Gurr et al, 2005; Rahman et al, 2005; Stearns et al, 2001) cytotoxicité apoptose Pneumocytes et TiO2 (Manna et al, 2005) endocytose

Principe de précaution = limiter l’exposition Conclusions 1/2 Réponses biologiques in vivo Translocation – barrière placentaire – cerveau Réponses biologiques in vitro Cytotoxicité = f (modèle cellulaire; taille et type NP Au) Accumulation : cytoplasme (libres ou lysosomes) + noyau Marqueurs de stress ? Ecotoxicologie Interaction avec parois bactériennes Principe de précaution = limiter l’exposition

Conclusions 2/2 Il reste beaucoup à apprendre. exposition cutanée sur peau lésée exposition après transfert à travers la paroi alvéolaire génotoxicité et cancérogénicité Enseignements issus des industries de particules micrométriques seront difficilement extrapolables. Il est impossible de dresser un modèle standard : chaque NO engendre des effets différents. Nécessité de bien caractériser le NO dont on étudie la toxicité.

Laboratoire Pierre Süe, CEA Saclay A. Simon, M. Carrière, B. Gouget Remerciements Laboratoire Pierre Süe, CEA Saclay A. Simon, M. Carrière, B. Gouget Centre Commun de Microscopie Electronique d’Orsay D. Jaillard, J. Degrouard Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Lyon S. Roux Laboratoire de réactivité de surface, Paris VI C. Louis