LA TOXICOCINETIQUE Pr. Mina Ait El Cadi

Plan du cours I - INTRODUCTION II- ABSORPTION DES TOXIQUES 1- Les principaux mécanismes impliqués   2- Paramètres pharmacocinétiques d’absorption  III- DISTRIBUTION DES TOXIQUES  IV- METABOLISME HEPATIQUE DES TOXIQUES  V- ELIMINATION DES TOXIQUES   VI- REDISTRIBUTION POST MORTEM DES TOXIQUES 

I - Introduction : La Toxicocinétique est le devenir des xénobiotiques ou substances étrangères à l’organisme, Elle recouvre les phases d’absorption, de distribution dans les différents compartiments liquidiens et tissus, de métabolisme, d’élimination et éventuellement de redistribution post-mortem de ces substances.

Toxicocinétique Toxicodynamie Absorption Distribution [ ] effets Métabolisme Elimination

II- Resorption des toxiques : Le passage d’un toxique à l’organisme se fait généralement au niveau d’une muqueuse (digestive, cutanée, respiratoire, oculaire, rectale….), beaucoup plus rarement par le biais d’une injection IV, IM ou SC sauf cas de toxicomanie. Les toxiques peuvent exercer une toxicité directe sur ces muqueuses, par exemple s’il s’agit d’acides ou de bases forts, une toxicité indirecte (immunoallargie), ou les traverser pour pénétrer dans l’organisme

Les voies de pénétration des toxiques Voie orale : La voie fréquente ( accidents, suicides, empoisonnements….) Absorption sur la longueur du tube digestif ( langue, estomac, intestin) Voie pulmonaire : Fréquente pour les gaz , produits volatils, vapeurs, particules en suspension Surface alvéolaire importante, débit sanguin élevé L’absorption dépend de la taille Voie cutanée : Barrière physiologique Trois couches ( épiderme, derme et epo derme) Absorption au niveau des follicules pileux et glandes, rapide mais peu importante Voie oculaire : Projection dans l’œil des toxiques Irritation de la muqueuse oculaire par les vapeurs du toxique

1- Les principaux mécanismes impliqués : ** Diffusion passive : la diffusion passive des xénobiotiques à travers les phospholipides, qui représentent 80% de la surface des membranes cellulaires, est le principal mécanisme impliqué. La vitesse d’absorption peut être modélisée par la loi de Fick : V= dQ = D. S. K (Cext-Cint) dt E ** Filtration : Concerne surtout des molécules hydrosolubles de petit taille, peu chargées et s’hydratant modérément ( Ethanol). ** Transport par endocytose : C’est la phagocytose ou la pinocytose, c’est un mécanisme mineur qui concerne surtout les substances insolubles de grande taille, telles que les particules solides. Alvéoles pulmonaires et système réticulo endothéliale du foie et de la rate. ( polystyrène)

** Transport actif : Nécessité l’existence d’un transporteur protéique, généralement spécifique d’un composé endogène ou alimentaire, qui peut être emprunté par un toxique possédant une certaine analogie structurale avec le ligand naturel. Ce transport actif nécessite de l’énergie, fournie par la rupture de liaisons phosphates. C’est le seul mécanisme de transport transmembranaire qui puisse fonctionner contre un gradient de concentration. Du fait du nombre restreint de protéines de transport, ce processus est saturable et peut donner lieu à une compétition, en particulier entre acides faibles. ( thallium, cobalt, manganèse, cuivre) ** Diffusion passive facilitée : Nécessite un transporteur protéique mais ne requiert pas d’énergie car le transport du ligand se fait toujours dans le sens d’un gradient de concentration.

exemples de médicaments électrolytes faibles acides faibles pKa pénicillines 2.9 acide salicylique 3.0 tolbutamide 5.5 phénobarbital 7.2 théophylline 9.0 bases faibles pKa caféine 0.9 diazépam 3.2 Cimétidine 6.5 quinidine 8.2 amphétamine 10 pH des compartiments physiologiques: sang 7.35 - 7.45 urine 5.5 - 7.8 sécrétion gastrique 1.4 - 2 cytoplasme 7.2 - 7.4 Intestin 5-8 mitochondries ~8

III- Distribution des toxiques : Les xénobiotiques atteignant le compartiment sanguin seront distribués vers les différents liquides de l’organisme, puis vers les tissus solides. A-Transport sanguin : 1-Devenir sanguin des xénobiotiques  Se dissoudre dans l’eau plasmatique uniquement, ce qui est le cas pour les plus hydrosolubles d’entre eux. Se lier en partie aux protéines plasmatiques, selon un état d’équilibre avec leur forme libre dans l’eau plasmatique. Se lier à la membrane cellulaire ou pénétrer dans le cytoplasme des éléments figurés du sang, en particulier des hématies, Être parallèlement métabolisés par des enzymes circulantes ou intracellulaires (toxiques intra-erythrocytaires)

2 - Principaux types de liaison protéine - toxiques Liaison hydrophobes : Faibles, par répulsion des molécules d’eau intervenant entre des toxiques liposolubles et des sites hydrophobes de certaines protéines surtout l’albumine et des lipoprotéines. La liaison covalente : Le plus intense qui puisse exister entre deux atomes. Liaison irréversible. Résulte de la mise en commun de deux électrons, un de chacun des deux atomes qui se lient. La liaison ionique: résulte de l'attraction un cation et un anion. La stabilité de la liaison est assurée par l'interaction électrostatique. La liaison de Van der Waals : interaction de faible intensité entre atomes, molécules, ou une molécule et un cristal.

3 -Conséquences toxicologiques de la liaison aux protéines plasmatiques : Diminue l’absorption des toxiques en diminuant leur concentration sanguine sous forme libre, diffusible Maintien le gradient de concentration entre le site d’absorption et le sang élevé. Diminue l’excrétion rénale des xénobiotiques qui sont excrétés par filtration glomérulaire, Effet protecteur momentané puisque la diminution de la concentration sous forme libre, diffusible, protège les tissus cibles des toxiques en cause. → la liaison aux protéines plasmatiques tend à diminuer la toxicité immédiate et à prolonger l’intoxication.

B- Distribution tissulaire : 1-Répartition des toxiques dans les liquides de l’organisme : Essentiellement par des phénomènes passifs : filtration ou transfert à travers les membranes lipidiques. Dépend de l’ionisation du toxique dans chaque compartiment, en fonction du pH régnant. En effet, seule les formes libres non ionisées peuvent diffuser du liquide plasmatique vers le liquide intracellulaire. Un équilibre peut éventuellement s’établir entre cette forme libre non ionisée, une forme liée aux protéines présentes dans le compartiment et une forme libre ionisée. Le pH intracellulaire étant plus acide que le pH plasmatique, les bases faibles y seront plus volontiers dissociées, ce qui tend donc à augmenter leur concentration dans la cellule.

2- Facteur de distribution tissulaire : * Première phase de distribution, l’apport de xénobiotique vers les tissus est conditionné par le débit sanguin local les territoires les plus irrigués * Un phénomène de redistribution tissulaire des tissus les plus vasculaires, vers les tissus moins vascularisés. * L’affinité pour les xénobiotiques. Ainsi, le plomb, qui se concentre primitivement dans le foie, se redistribue en quelque jours vers le tissu osseux. La mélanine de la rétine fixe les hydrocarbures aromatiques, les phénothiazines, la rifampicine et les antipaludéens.

C- Passage des toxiques à travers la barrière hémato-encéphalique : LA BHE est moins perméable que la plupart des autres membranes de l’organisme, pour 3 raisons : Les cellules endothéliales des capillaires sanguins du SNC forment entre elles des jonctions serrées ne ménageant pas de pores, contrairement aux autres endothéliums de l’organisme. Les capillaires sont entourés d’un manchon de cellules gliales (astrocytes) obstacle au transfert des petites et moyennes molécules hydrosolubles La concentration en protéines du LCR et du liquide interstitiel de l’encéphale est beaucoup plus faible que celle des autres fluides de l’organisme ralentissent le transfert le transfert des toxiques liposolubles vers l’encéphale.

L’efficacité est moins bonne au niveau du cortex, des noyaux latéraux de l’hypothalamus, de l’hypophyse Les molécules lipophile traversent cette barrière À la naissance, la barrière hémato-encéphalique est encore immature, ce qui explique la toxicité élevée la toxicité de certains xénobiotiques chez le nouveau-né. ( la morphine serait 3 à 10 fois plus toxique chez le rat nouveau-né que chez le rat adulte , le plomb n’entraîne une encéphalomyélite que chez le rat nouveau-né). La perméabilité de la barrière hémato-encéphalique est accrue en cas d’hyperthermie ou d’inflammation méningée.

D- Transfert des toxiques à travers la barrière placentaire : Par simple diffusion, ce qui favorise le transfert des plus liposolubles. Les xénobiotiques s’accumulent plus facilement dans le cerveau du fœtus du fait de l’inefficacité relative de la barrière hémato-encéphalique. Le placenta, qui possède un équipement enzymatique important, pourrait métaboliser certains toxiques. Le revêtement trophoblastique du placenta, du côté fœtale, possède une activité phagocytaire qui est responsable du transfert au fœtus de nombreuses substances et corps étrangers tels que des virus, des anticorps, des cellules pathogènes, mais aussi d’une petite quantité de toxiques peu liposolubles, présents dans le sang maternel.

E- Paramètres pharmacocinétiques de distribution : volume apparent de distribution (Vd) La constante de proportionnalité entre la quantité totale du xénobiotique dans l’organisme et la concentration sanguine, à un temps donné : Q Vd = C sang Q = V d x C sang Vd  s’exprime en litres ou en litres /kg de poids corporel. Vd est conditionnée par la taille, la lipophilie et l’état d’ionisation du xénobiotique, qui conditionnent son passage tissulaire, sa liaison aux protéines plasmatiques  pour un composé donné, si la liaison aux protéines plasmatiques diminue, le volume de distribution augmente.

IV- METABOLISME DES TOXIQUES : Métabolisme surtout hépatique Souvent par diffusion passive, mais également par des phénomènes de transport actif et, plus rarement, de pinocytose. Modifient la structure des xénobiotiques pour former des métabolites ( biodétoxification ou de biotoxification). Le foie reçoit, par la veine porte (débit = 1litre/min), la totalité du sang veineux mésentérique. La quasi-totalité d’un toxique absorbé à travers la muqueuse digestive effectue un premier passage hépatique avant d’atteindre la circulation systémique. Pour toutes las autres voies d’absorption, une partie seulement de la quantité circulante est amenée au foie par l’artère hépatique (débit = 0.4 litre/min.

Réaction de biotransformation : 1- Réaction de phase 1 : sont des réactions de dégradation ou de « fonctionnement » A- Réaction d’oxydation : peuvent conduire à la fixation d’un atome d’oxygène ou une désamination oxydative ou à la perte d’un atome d’halogène. Les enzymes impliquées dans ces réactions sont des peroxydes, des cyclo-oxygènases, mais surtout des mono-oxygénases, en particulier les mono-oxygénases à cytochromes P450. Cl cyP450 Cl -HCl Cl Cl-C- H + O2 Cl- C- OH C=O Cl Cl Cl Chloroforme trichlorométhanol phosgène (très réactif)

Les époxydes sont des composés très réactifs Les époxydes sont des composés très réactifs. Ainsi, l’alfatoxine B1qui est une mycotoxine, forme un époxyde qui se combine directement avec l’ADN, ce qui serait responsable de pouvoir cancérigène de cette molécule. Les N-oxydations transforment les amines primaires et secondaires en hydroxylamines et les amines tertiaires en N-oxydes. Les S-oxydation conduisent à des sulfoxides, puis à des sulfones La désalkylation oxydative entrainant la perte de groupements alkyles portés par des fonctions oxygénées ( o-désalkylation) ou azotés (N-désalkylation). L’oxydation des alcools et des aldéhydes est essentiellement extra microsomale et fait intervenir des alcool-déshydogénases et des aldéhydes déshydrogénases, présents dans le sang et dans de nombreux tissus de l’organisme.

B- Réactions de réduction : Peu nombreuses, Milieu anaérobie, principalement dans les microsomes hépatiques sous l’influence du cytochrome P450 qui a la capacité d’inverser son mode de fonctionnement. Nitroréduction : R-NO2 R-NH2 Azoréduction  : R-N=N-R’ R-NH2 + R’-NH2 Les dérivés polyhalogénés et les dérivés nitrés aromatiques ou hétérocycliques. Ainsi, le tétrachlorure de carbone, solvant hépatotoxique, est transformé par le cytochrome P450réduit en radical trichlorométhyml, très réactif vis à vis des lipides insaturés, lui même réduit en carbanion trichlorométhyl qui se dégrade en dichlorocarbène, ce dernier, très réactif, se combine au cytochrome P450 et inhibe son fonctionnement.

C- Réactions d’hydrolyse : Très nombreuses chez les organismes vivants et peuvent se produire dans la plupart des tissus, compte tenu de leur richesse en eau. Il s’agit essentiellement d’hydrolyse d’esters par des estérases et d’amides par des amidases, abondantes dans le plasma sanguin et dans le foie. L’inhibition ou l’activation de ces enzymes peuvent conduire à des processus toxiques. Ainsi, la toxicité des pesticides organophosphorés est elle due à l’inhibition de l’actétylcholinestérase, enzyme présente dans les synapses cholinergiques, mais aussi dans le sang, et qui hydrolyse l’acétylcholine en choline et acide acétique.

2- Réaction de phase 2 : ou réaction de conjugaison Résultent de greffage de constituants endogènes sur les xénobiotiques ou sur les métabolites formés au cours de la phase 1, Se sont des réactions de synthèse ou de  conjugaison  Réaction de synthèse entre les xénobiotiques ou leurs métabolites et des résidus endogènes activés, polaires. Comme pour les réactions de phase 1, ces réactions siègent surtout dans les microsomes hépatocytaires. Le produit conjugué est généralement plus hydrosoluble que le produit parent et de ce fait généralement moins toxique, car moins apte à traverser les membranes biologiques.

Réaction de glucuroconjugaison : Greffage sur la molécule toxique du résidu d’acide glucuronique activé sous forme d’acide glucuronique-uridine-diphosphate. Catalysée par une glucuronotransférase de la membrane du réticulum endoplasmique lisse de l’hépatocyte à proximité du cytochrome P450. Concerne les molécules possédant une fonction carboxylique, amine, alcool, thiol, amide ou hydroxylamine. Sur le métabolisme ainsi formé, le groupement carboxylique de l’acide glucuronique reste libre, ce qui augmente la polarité de la molécule et surtout favorise son excrétion urinaire par transport actif

B- Réaction de sulfoconjugaison : Conjugaison de toxique possédant une fonction alcool, phénol ou amine aromatique à des ions sulfates (SO42-) préalablement actives sous forme de phosphoadénosine-phosphosulfate (PAPS). Cette réaction est catalysée par une sulfotransférase. R-OH + PAPS → PAP +R-O-Sulfate Les réserves de l’organisme en ions sulfates étant limitées. Cette réaction est moins fréquente que la première. Elle génère des métabolites généralement hydrosolubles et inactifs, mais certains peuvent être très réactifs, en particulier lorsque la conjugaison fait suite à une hydroxylation : le groupement o-sulfate ainsi crée tend à partir pour laisser un intermédiaire électrophile. C’est le mécanisme d’action cancérogène de certains amines et amides aromatiques.

C-Réaction de méthylation : La fixation d’un groupement méthyle sur des substances à fonction alcool, phénol, amine ou thiol. La substance conjuguante est la S-adénosine méthionine. L’enzyme est une méthyl transférase Contrairement aux précédents types de conjugaison, la méthylation augmente la liposolubilité de la molécule (La pyridine est activée en ion N-méthylpyridium, beaucoup plus toxique. D-Réaction d’acétylation : Concerne les composés porteurs d’une amine primaire ou aromatique, (les dérivés de l’aniline et les sulfamides antibactériens). La source de résidus acétyl-coenzymeA, et l’enzyme de conjugaison est une acétyltransférase. La toxicité de diverses sulfonamides est due à la précipitation de leurs métabolites N-acétylés dans les tubules rénaux

Facteurs de variation de la biotransformation : * Polymorphisme génétiques  la plupart des réactions de biotransformation dépendant d’enzymes, protéines codées génétiquement, ce qui explique les différences de métabolisme entre espèces animales ou, dans l’espèce humaine, entre individus. Ex : - Polymorphisme d’acétylation : existe deux phénotypes, acétyleurs rapides et acétyleurs lents. - Polymorphisme d’oxydation concernant le cytochrome P450, dont certaines des nombreuses iso enzymes (21) présentent plusieurs phénotypes Facteurs pathologiques Métabolisme Ralenti lors d’une diminution du débit hépatique (dans l’insuffisance cardiaque, les états de choc, la cirrhose…) ou lors d’une atteinte hépatocytaire, avec diminution de l’activité enzymatique (hépatite virale, hépatite toxique,

** Facteurs exogènes, médicamenteux ou toxiques  Médicaments (rifampicine, barbituriques, phénytoine, carbamazépine…) ou toxiques (alcool, tabac, DDT, hydrocarbures polycycliques aromatiques…). Cette induction augmente le métabolisme hépatique des médicaments ou des toxiques métabolisés par les mêmes enzymes et en particulier le métabolisme de l’inducteur lui-même. Selon la nature du ou des métabolites, cette induction peut aboutir à une inactivation précoce ou au contraire à une biotoxification accrue des xénobiotiques. Inversement, certains médicaments ont la faculté d’inhiber l’action des enzymes hépatiques. Il s’agit en particulier des antibiotiques de la famille des macrolide, d’antifongiques (kétoconazole, métronidazole), de la cimétidine…

V- ELIMINATION DES TOXIQUES : A- Élimination par voie fécale : Ceux qui, après ingestion, n’ont pas été totalement absorbés Ceux qui sont transférés directement du sang vers la lumière intestinale, suivant un gradient de concentration ou par exploitation des cellules muqueuses de l’intestin. Surtout ceux qui sont excrétés par voie biliaire, après métabolisme ou simple passage dans l’hépatocyte. Les grosses molécules, les glucurono-mercaptoconjugués sont préférentiellement excrétés dans la bile. La concentration biliaire post mortem s’est révélée supérieur à la concentration sanguine, si bien que la bile a pu être récemment recommandée comme milieu de détection des toxiques en toxicologie médico-légale.

B- Élimination par voie urinaire : 1-La filtration glomérulaire Phénomène passif de filtration du plasma et des solutés de masse inférieure à 65000 daltons. Les toxiques libres, les plus hydrosolubles, en particulier une partie des métabolites. Les molécules fortement ionisées filtrent plus difficilement. Le débit de filtration glomérulaire, qui est d’environ 170 litres d’eau plasmatique par jour, dépend de facteurs physiologiques : La pression de filtration, le débit sanguin rénal, Le nombre de néphrons fonctionnels, L’intégrité de ces néphrons, La pression oncotique

2-La sécrétion tubulaire Au niveau des tubes contournés proximaux, Des phénomènes de transport passif à travers les membranes cellulaires, mais ces phénomènes sont quantitativement négligeables du fait de la faible surface d’échange et du faible temps de contact entre le sang et ses membranes. Essentiellement Transport actif qui concerne aussi bien les toxiques sous forme libre que les toxiques liés aux protéines plasmatiques

3- La réabsorption tubulaire A l’exception des salicylés et les aminosides, ainsi que des xénobiotiques liés à l’albumine plasmatique ayant partiellement filtré au niveau du glomérule. Le tube contournée distale et le tube collecteur et repose sur le transfert passif des solutés à travers les membranes cellulaires. L’élimination rénale résultant de ces trois mécanismes : filtration, sécrétion et réabsorption peut être quantifiée pour chaque toxique par la mesure de sa clairance rénale. Il s’agit, par définition, du volume virtuel de plasma totalement épuré de ce toxique par unité de temps

C- Elimination par voie respiratoire : Les molécules toxiques volatiles ou semi-volatiles ayant pénétré dans l’organisme par voie respiratoire , digestive ou autre, Pour les gaz toxiques, cette excrétion est pratiquement inversement proportionnelle à leur absorption pulmonaire. Plus le coefficient de partition air/sang est faible, plus le gaz est absorbé, mais au moins facilement il sera excrété par voie respiratoire, et inversement. L’excrétion des toxiques volatils hydrosolubles est limitée par le débit de perfusion pulmonaire tandis que l’excrétion des toxiques liposolubles est limitée par le débit ventilatoire. Pour les toxiques sous forme liquide à la température du corps, l’excrétion pulmonaire est proportionnelle à leur pression de vapeur. Cette propriété est utilisée pour le dosage de l’éthanol dans l’air expiré.

VI- REDISTRIBUTION POST MORTEM DES TOXIQUES : 1- Diffusion à partir du contenu gastrique et digestif : Tant que subsiste un gradient de concentration entre la lumière digestive et le sang environnant. Favorisé par le temps de contact du xénobiotique avec la muqueuse digestive. 2- Inhalation du contenu gastrique : L’inhalation d’une partie du contenu gastrique lors du processus agonique a été reconnu responsable de l’augmentation de la concentration d’éthanol dans le sang aortique. une partie du contenu gastrique peut pénétrer dans les voies aériennes du fait de la relaxation post mortem du sphincter oesophagien et d’une régurgitation passive, en particulier lors du phénomène de rigidité gastrique

3- Redistribution des xénobiotiques entre le plasma sanguin et les globules rouges : Certains toxiques, en particulier lipophiles, sont distribués également entre le plasma et les globules rouges. La concentration du toxique mesurée dans la partie fluide du sang recueilli peut être affectée par la présence de caillots si ce toxique se concentre dans les érythrocytes, néanmoins ce mécanisme ne semble pas pouvoir expliquer à lui seul les différences importantes de concentration parfois mises en évidence entre sites de prélèvements 4- Diffusion des toxiques à partir des poumons : Les molécules lipophiles et les bases faibles s’accumulent dans les poumons: la richesse du tissu pulmonaire en lipoprotéines. Concerne certains médicaments tel que: des ADTC, des amphétamines, mais aussi des molécules peu liposolubles tels que les salicylés.

5- Diffusion à partir du myocarde : Les digitaliques ou les inhibiteurs calciques, se concentrent dans le myocarde. Les concentrations de digoxine dans le sang intracardiaque s’élèvent rapidement après le décès, pour atteindre à la douzième heure une concentration au moins deux fois plus importante que la concentration ante mortem, 6- Diffusion à partir du foie : Le foie représente une des sources essentielles de redistribution post mortem de ces composés, en particulier vers le sang de la veine cave inférieure via les veines sus hépatiques. De là, ils pourront diffuser de proche en proche vers les cavités cardiaques et les gros vaisseaux thoraciques.

Mécanismes de la redistribution : Modification physico-chimique des tissus survenant lors de la lyse cellulaire et, plus tard, de la putréfaction. - Modifications du pH extracellulaire et intracellulaire après le décès jouent un rôle important, puisque le degré d’ionisation des substances conditionne leur transfert à travers les membranes cellulaires. Le pH sanguin diminue immédiatement après le décès, par épuisement des stocks d’oxygène et poursuite du métabolisme cellulaire en régime anaérobie, avec production d’acides pyruviques et lactiques. Ainsi, chez l’homme, le pH du sang intraventriculaire gauche varie entre 5,6 et 6,4 après 2 à 20h du décès. Cette acidification brutale du pH sanguin favoriserait le retour des composés basiques vers le secteur vasculaire.

La mort cellulaire l’interruption de tous les mécanismes de transport actif, par la perte de l’intégrité membranaire Relargage des enzymes et des ions intracellulaires lyse de la cellule provoquant un contact entre les secteurs liquidiens intracellulaires et extracellulaires qui tend à égaliser les concentrations des molécules en solution. - La putréfaction s’accompagne d’une production de gaz, responsable du développement d’une pression intravasculaire qui provoque là encore quelques mouvements sanguins.