LA TOXICOCINETIQUE Pr. Mina Ait El Cadi

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 Plan du cours

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. I - Introduction :

T OXICOCINÉTIQUE T OXICODYNAMIE 4 [ ] A bsorption E limination M étabolisme D istribution effets

II- Absorption 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)

L’absorption pulmonaire représente la principale voie de captation de nombreux toxiques présents dans l’air (gaz, vapeurs, fumées, brouillards, poussières, aérosols, etc.). une surface membranaire totale allant de 30 m 2 (à l’expiration) à 100 m 2 (lors d’une inspiration profonde), réseau capillaire d’environ km. l’appareil respiratoire peut être divisé en trois compartiments: la partie supérieure ou nasopharyngienne, s’étendant du nez au pharynx et au larynx, fait fonction de système de climatisation; l’arbre trachéo-bronchique, composé de nombreux tubes de tailles diverses acheminant l’air aux poumons; le compartiment pulmonaire, consistant en des millions d’alvéoles (sacs alvéolaires) disposées à la façon de grappes de raisins (disposition racémeuse).

La peau (1,8 m 2 de surface chez l’adulte) et les muqueuses des orifices recouvrent la surface corporelle. La peau agit comme un rempart vis-à-vis des agents physiques, chimiques et biologiques et, entre autres tâches physiologiques, elle maintient l’intégrité du corps et l’homéostasie. La peau est constituée de trois couches: l’épiderme, la vraie peau (le derme) et les tissus sous-cutanés (hypoderme). Du point de vue toxicologique, l’épiderme est du plus grand intérêt.

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 1- Les principaux mécanismes impliqués : ** Diffusion passive : Les petites molécules lipophiles passent facilement à travers la couche lipidique membranaire selon le coefficient de partage de Nernst. Les grosses molécules lipophiles, les molécules hydrosolubles et les ions utilisent les pores aqueux pour leur passage. La taille et la configuration stérique conditionnent le passage des molécules. Pour les ions, outre la taille, le type de charge est déterminant. Les protéines constitutives de la paroi des pores peuvent acquérir une charge positive ou négative

** 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) ** Filtration : Concerne surtout des molécules hydrosolubles de petit taille, peu chargées et s’hydratant modérément ( Ethanol). La filtration est une conséquence du gradient osmotique. Dans certains cas, les ions peuvent pénétrer par l’intermédiaire de molécules spécifiques complexes — les ionophores — produits par des micro-organismes et présentant des effets antibiotiques (nonactine, valinomycine, gramici-dine, etc.).

** 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.

Quelle que soit la voie par laquelle ils sont absorbés, 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) III- Distribution des toxiques :

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.

Favorise 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, Diminue également le métabolisme hépatique de certains toxiques. 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. 3 -Conséquences toxicologiques de la liaison aux protéines plasmatiques :

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 ionisés peuvent diffuser du liquide plasmatique vers le liquide intracellulaire, B- Distribution tissulaire : 1-Répartition des toxiques dans les liquides de l’organisme : 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.

Liquide intracellulaire V=25L, pH =6,9 forme libre forme liée forme libre ionisée aux protéines non ionisée Liquide interstitiel V=11L, pH variable forme libre forme liée forme libre ionisée aux protéines non ionisée Liquide plasmatique V=3L, pH=7,4 forme libre forme liée forme libre ionisée aux protéines non ionisée

2- Facteur de distribution tissulaire : * Phénomène dynamique qui dépend des propriétés physico-chimiques des molécules et de facteurs physiologiques. * 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 dans en quelque jours vers le tissu osseux. La mélanine de la rétine fixe les hydrocarbures aromatiques, les phénothiazines, la rifampicine et les antipaludéens.

Le dispositif cellulaire et extracellulaire qui sépare le secteur sanguin du liquide céphalo-rachidien et de l’encéphale 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. C- Passage des toxiques à travers la barrière hémato-encéphalique :

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 10fois 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.

Par simple diffusion, ce qui favorise le transfert des plus liposolubles. A l’état stable, les concentrations d’un toxique sous forme libre sont identiques dans les plasmas de la mère et du fœtus, mais les concentrations totales peuvent être plus faibles chez ce dernier, du fait d’une moindre fixation protéique. des 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. D- Transfert des toxiques à travers la barrière placentaire :

La constante de proportionnalité entre la quantité totale du xénobiotique dans l’organisme et la concentration sanguine, à un temps donné : 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. E- Paramètres pharmacocinétiques de distribution : volume apparent de distribution (Vd) Q Vd = C sang

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. 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.

B- Élimination par voie urinaire : 1-La filtration glomérulaire Phénomène passif de filtration du plasma et des solutés de masse inférieure à 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 170litres 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.

4- E LIMINATION DANS LE LAIT : 28 -L'excrétion des toxiques dans le lait ne constitue qu'une voie accessoire d'élimination pour la femme, mais peut constituer un danger pour le nouveau- né. -Elimination influencée par la quantité du lait, sa composition et son pH (6,5). -Mécanisme complexe mais le plus souvent on a une diffusion passive (influence de pH et de gradient de concentration). Produits vétérinaires: problème de sécurité alimentaire 5- Elimination dans la salive : Se fait par mécanisme de diffusion passive, Le débit journalier de la salive est 500 à 1500 ml composée à 99 % d’eau En 10 minutes on peut détecter le cannabis, l’ecstasy, l'amphétamines, l’héroïne ou la cocaïne.

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8- PARAMÈTRES TOXICOCINÉTIQUES D’ÉLIMINATION : Demi-vie d’élimination : C’est le temps nécessaire, en phase d’élimination, pour que la concentration sanguine du xénobiotique diminue de moitié, soit T 1/2 : T 1/2 = Ln(2) K Clairance d’élimination : la clairance d’un organe indique la capacité de cet organe à épurer totalement un volume de sang (ou plasma) afférent par unités de temps. Cl totale = Cl hépatique + Cl rénal + ………………..= ΣCl partielles 30

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, ne 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 qui 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, ce qui a récuser ce site de prélèvement comme « site périphérique ». 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.

-Le relargage des xénobiotiques à partir de leur site d’accumulation ou de liaison dans les organes solides fait intervenir plusieurs phénomènes complexes liés aux : - 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 des concentrations des molécules en solution. -« La circulation post mortem : reflux du sang vers la veine cave supérieure et les veines du cou, puis avec l’augmentation de la pression intra-abdominale survenant lors de la rigidité cadavérique, il y a un reflux sanguin de l’aorte abdominale vers l’aorte thoracique de la veine cave inférieure vers l’oreillette droite et la veine cave supérieure ainsi qu’un reflux du sang du cœur gauche vers les veines pulmonaires. Puis, lors de la disparition de la rigidité cadavérique, les cavités cardiaques se vident au profit des artères intrathoraciques». - La putréfaction s’accompagne d’une production de gaz, responsable du développement d’une pression intravasculaire qui provoque là encore quelques mouvements sanguins.