LA TOXICOLOGIE “Dosis sola facit venenum, c’est la dose qui fait le poison“ est un des éléments clefs de l’approche toxicologique souligné dès le XVIème siècle par Paracelse ; le sens donné au mot poison à cette époque rejoint celui de toxique utilisé actuellement. A la simplicité de la question de base de la toxicologie “quelle est la dose toxique ?” ; il est rétorqué “autant de réponses qu’il y a de combinaisons cible/agent toxique”. La toxicologie est depuis longtemps reconnue comme étant la science des poisons, c'est-à-dire 1 qu'elle étudie les effets néfastes d’un xénobiotique sur les organismes vivants. Elle englobe une multitude de connaissances scientifiques et s'intéresse à plusieurs secteurs de l'activité humaine (chimie, agriculture, alimentation, médicaments) et à différents environnements (professionnel, domestique). Les produits chimiques font partie intégrante de notre vie quotidienne. Le développement scientifique et technologique s'accompagne d’une augmentation du nombre et de la diversité de ces substances à l’origine d’une exposition croissante. Cette fiche va fournir une brève description des principes de bases de la toxicologie ; elle s’attachera ensuite à décrire plus en détail la place de cette discipline en santé environnementale à travers la méthodologie d’évaluation du risque sanitaire. Quelles sont les notions fondamentales en toxicologie ? Etre exposé à une substance ne signifie pas pour autant que celle-ci va pénétrer dans l’organisme et y exercer un effet. L’absorption d’un xénobiotique peut conduire à divers effets biologiques qui peuvent s'avérer soit bénéfiques pour la santé (par exemple, traitement d’une maladie après l'administration d'un médicament), soit néfastes (par exemple, une atteinte pulmonaire après l'inhalation d'un gaz corrosif). La notion d'effet toxique implique des conséquences dommageables pour l'organisme. 1 Toute substance (chimique, biologique ou physique) étrangère à l’organisme Un xénobiotique qui a pénétré dans l'organisme peut agir sur celui-ci ; les résultats de cette action sont appelés les effets (l’étude du mécanisme d’action de ces effets est la toxicodynamie). Inversement, l'organisme peut agir sur ce produit ; c'est ce qu'on appelle les biotransformations (leur étude fait partie de la toxicocinétique). On dit qu’une substance est toxique lorsque, après pénétration dans l’organisme, quelle que soit la voie, à une certaine dose unique ou répétée, elle provoque, immédiatement ou à terme, de façon passagère ou durable, des troubles d’une ou plusieurs fonctions de l’organisme pouvant aller jusqu’à l’arrêt complet de ces fonctions et amener la mort. LA D OSE On peut différencier la dose externe lorsqu’on parle de la quantité de substance qui entre en contact avec l’homme par diverses voies d’exposition (inhalation, ingestion, contact cutané), et la dose interne ou absorbée lorsque l’on parle de la quantité de substance qui a pénètré dans l’organisme (c’est la dose externe, réduite des taux d’absorption) L’accroissement de la dose interne au sein d’une population s'accompagne généralement d'une augmentation de l'intensité ou de la diversité des effets toxiques (c’est ce qu’on appelle la relation dose-effet), ou d’une augmentation de la fréquence de survenue d’un effet (c’est ce qu’on appelle la relation dose-réponse). Cependant, les toxiques n'ont pas tous le même degré de toxicité. Certains exercent une faible toxicité même si on les absorbe en grande quantité (par exemple, le sel), tandis que d'autres exercent une forte toxicité même lorsqu'on les absorbe en faible quantité (par exemple, le curare). On peut en partie expliquer de telles variations par les différences qui existent entre la structure chimique des substances (c’est ce qu’on appelle la relation structure-activité) et leur affinité pour certaines cibles de l’organisme, et par conséquent, leur capacité à provoquer un changement dans l'organisme vivant. Des modifications, même minimes, dans cette structure peuvent être à l'origine d'effets différents, comme indiqué dans l’exemple qui suit. LES VO IES D ’AB SORP TI ON Benzène : neurotoxique et cancérogène (cancer du sang) Ce sont les voies par lesquelles une substance pénètre dans l'organisme. Les voies d'absorption habituelles sont les voies respiratoires (par inhalation) ; la peau (par pénétration cutanée) et la voie digestive (par ingestion) (Cf. Schéma 2). L’absorption de substances toxiques peut provoquer une cascade de signaux biologiques Toluène : neurotoxique sans cancérogénicité connue Schéma1 : Structure chimique et effet toxique • Les effets toxiques à seuil de dose Ils concernent les substances qui provoquent, au delà d’une certaine dose, des dommages dont la gravité est proportionnelle à la dose absorbée. Selon cette approche classique de la toxicité, les effets néfastes ne surviennent que si cette dose est atteinte et dépasse les capacités de détoxification, de réparation ou de compensation de l'organisme. Il existe donc une dose (externe) limite en dessous de laquelle l’effet n'a théoriquement pas lieu de survenir. Dans ce cas, les études toxicologiques permettent généralement d’identifier un indice que l’on appelle dose maximale sans effet néfaste observable (DMSENO, ou NOAEL en anglais pour no-observed adverse effect level). • Les effets toxiques sans seuil de dose Pour des xénobiotiques exerçant des effets sans seuil de dose, il existe une probabilité, même infime, qu'une seule molécule de toxique pénétrant dans le corps humain provoque des changements dans une cellule qui sera par la suite à l'origine de l’effet néfaste. Ces xénobiotiques sont, pour l'essentiel, des 2 substances génotoxiques , pouvant avoir des effets 3 4 cancérogènes ou reprotoxiques . Pour ces substances génotoxiques, on considère en principe que l’initiation de la cancérogenèse ou d’un effet sur la descendance est déclenchée par des mutations dans le matériel génétique (ADN), 5 respectivement des cellules somatiques ou des cellules germinales. 2 3 4 5 Qui provoque l'apparition de lésions dans l'ADN pouvant éventuellement conduire à des mutations Qui est susceptible de provoquer un cancer Qui est susceptible de provoquer un effet sur les organes reproducteurs, le système hormonal correspondant, la conception ou le développement de l’enfant Ce sont les cellules qui ne sont pas transmises aux enfants et constituent la grande majorité des cellules de l'organisme. On les oppose aux cellules germinales, qui constituent les cellules reproductrices de l'espèce. • Schéma2 : Les sources et les voies d’exposition des toxiques ainsi que leur distribution chez l’être humain http://www.emcom.ca/science/exposurefr.shtml LES TYPE S DE TOX ICITE • On distingue classiquement 3 formes de toxicité : la toxicité aiguë, la toxicité à court terme (subaiguë et subchronique) et la toxicité à long terme (chronique). La plupart des xénobiotiques peuvent causer à la fois une toxicité aiguë et une toxicité à court terme ou à long terme selon les conditions d'exposition. Les effets néfastes qui en résultent peuvent être différents. Ils peuvent être locaux (effets au point de contact avec l’organisme) ou systémiques (effets sur un ou plusieurs organes/systèmes après distribution dans l’organisme par voie sanguine). • La toxicité d’une substance peut être modifiée par l’exposition préalable, simultanée, ou consécutive à une autre substance. Les effets peuvent alors soit s’additionner (synergie additive) ou s’amplifier (potentialisation), soit au contraire se combattre (antagonisme ; notion à la base de l’utilisation d’antidotes). • Les effets sur la santé peuvent être réversibles ou temporaires lorsqu’ils disparaissent après cessation de l’exposition à la substance (par exemple irritation de la peau, nausées), ou irréversibles ou permanents lorsqu’ils persistent ou s’intensifient après arrêt de l’exposition (par exemple cancer, cirrhose hépatique). 6 Procédé au cours duquel un xénobiotique est modifié (transformé) par une réaction chimique, à l'intérieur de l'organisme Certains effets apparaissent rapidement après une exposition unique à un toxique ; ce sont les effets immédiats (par exemple, une intoxication au cyanure). D’autres effets n’apparaissent qu’après un temps de latence plus ou moins long ; ce sont les effets retardés. Ce peut être le cas des effets cancérogènes qui ne se manifestent qu’au bout de plusieurs années, mais également les effets observés avec des toxiques cumulatifs pouvant se manifester à la suite d’expositions répétées. Par exemple, le fluorure de sodium, en très faibles concentrations (comme dans le dentifrice ou l'eau potable), ne cause pas d'effet néfaste visible, même à long terme ; cependant, lorsque l'organisme est exposé à des concentrations beaucoup plus élevées, ce produit se dépose et s'accumule dans les os. Au début, la quantité de fluorure n’entraîne pas de symptôme visible, mais après quelques années d'exposition, il apparait une fluorose, ce qui rend les os extrêmement fragiles et cassants. ESSA IS DE TO XIC ITE Dans la plupart des cas, la toxicité aiguë d'une substance est mieux connue. Elle est observée chez l’homme après la survenue d’expositions accidentelles. Elle est étudiée in vivo, chez l’animal après exposition à des doses relativement élevées, ou in vitro avec des tests sur cultures cellulaires. Les connaissances sur la toxicité à court ou long terme viennent d’une part, d'essais sur les animaux après des expositions de 1, 3 ou 6 mois, voire de 2 ans pour les études de cancérogenèse, et d’autres part, d’études sur des travailleurs exposés à des produits chimiques pendant un certain nombre d’années. • Les facteurs physiologiques qui sont nombreux et incluent : o l'âge : la sensibilité aux effets toxiques est différente chez les nouveaux-nés, les jeunes enfants et les personnes âgées ; o le sexe ; o l'état nutritionnel : la toxicité peut être influencée par la masse de tissus adipeux, la déshydratation, les carences en vitamines … ; o la grossesse : il se produit des modifications de l'activité métabolique de l’organisme et donc des xénobiotiques au cours de la grossesse ; o l'état de santé : les individus en bonne santé sont plus résistants, car ils métabolisent et éliminent les toxiques plus facilement que ceux qui présentent des atteintes du foie ou des reins où ont respectivement lieu ces 2 phénomènes. La connaissance de l'interaction de tous ces facteurs et de nombreux autres aspects demeure incomplète. En effet, il est souvent difficile d'évaluer la sensibilité d'un individu ou d'une population et de prévoir quelle sera la réponse biologique de l'organisme après l'exposition à un toxique. La toxicologie dans l’évaluation du risque La toxicologie est un des piliers du processus de l’évaluation du risque pour la santé de l’homme via son environnement. Le recours à des données toxicologiques s’applique à toutes les étapes de l’évaluation de risque. LA VAR IABILITE IN DIV IDU ELLE Les individus peuvent être affectés différemment par une dose toxique, et une même personne peut y réagir différemment selon les moments de sa vie. Deux principaux types de facteurs contribuent à expliquer la nature et l'étendue des effets toxiques : • Les facteurs héréditaires, des différences dans le patrimoine génétique peuvent intervenir dans la capacité des individus à transformer les toxiques. Schéma3 : L’évaluation du risque, d’après Les quatre étapes de l’évaluation des risques pour la santé humaine du National Research Council (1983) LORS DE L ’I DEN TI FIC AT ION DES DA NGER S Dans le cas d’un effet sans seuil de dose, on parle Un d’un excès de risque attribuable au facteur étudié ou de seuil toxicologique critique (TTC en anglais, pour Threshold of Toxicological Concern), qui est considéré acceptable socialement. Par exemple dans le domaine alimentaire, on considère selon cette approche, que la consommation quotidienne pendant 70 ans d’un additif alimentaire en dessous de 1.5 µg/jour n’entraînera pas d’excès de risque de cancer au-delà d’un cas supplémentaire dans une population de 100 000 personnes. danger est une capacité intrinsèque d’un xénobiotique à causer des effets néfastes sur la santé. Il peut être exprimé de multiples façons : mortalité, 7 morbidité , apparition d’une maladie, incapacité, 8 pouvoirs cancérogène, mutagène, ou tératogène , modification d’un facteur physiologique ou même atteinte à la qualité de la vie. Les essais expérimentaux sur l’animal permettent de connaître les effets sur la santé des différents xénobiotiques. Elles sont souvent longues (1, 3, ou 6 mois, voire 2 ans) et coûteuses, mais surtout nécessitent un grand nombre d’animaux, sans pour autant que les résultats observés soient transposables à l’homme. Dans le but de réduire le nombre d’animaux testés, la fiabilité et le temps nécessaire pour une évaluation, des méthodes dites « alternatives à l’expérimentation animale » ont été développées. Elles comprennent aussi bien les modèles in vitro (expérimentation sur culture cellulaire), que les 9 modèles in silico (modélisation toxicocinétique, étude de la relation structure-activité). Par ailleurs, les récentes avancées technologiques (par exemple, 10 les puces) dans le domaine de la génomique et la 11 protéomique devraient accélérer nos connaissances en toxicologie. A l’heure actuelle, les méthodes dites « alternatives » sont essentiellement utilisées pour l’étude des mécanismes toxiques ; l’entrée en vigueur du règlement REACH prévoit de les rendre obligatoires celles qui sont validées par 12 l’ECVAM . Enfin, quel que soit le modèle utilisé, la transposition des résultats à l’homme reste un facteur limitant important. LORS DE L ’E ST I MAT ION DE LA R ELA TIO N DO SEREPONSE Dans le cas d’un effet à seuil de dose, la relation dose-réponse est synthétisée par un niveau de dose (dose de référence) dont on pense raisonnablement qu’il ne produira pas d’effet chez l’homme. Ce niveau de dose est obtenu en appliquant un facteur d’incertitude à la DMSENO définie précédemment. Ce niveau de dose est appelé valeur toxicologiques de référence (VTR) dans le domaine de la santé environnementale. 7 Nombre de personnes souffrant d'une maladie donnée pendant un temps donné, dans une population 8 Pouvant provoquer un développement anormal de l’embryon et conduisant par là même à des malformations 9 Modèle utilisant l’outil informatique 10 Science qui étudie la structure et le fonctionnement des gènes 11 Science qui étudie la structure et le fonctionnement des protéines 12 Centre européen de validation des méthodes alternatives LORS DE L ’E ST I MAT ION DE S EXPO SI TION S Cette étape consiste à décrire et à quantifier aussi précisément que possible les expositions des populations, d’une part, par groupes pertinents d’âge et de sexe, compte-tenu des variations de sensibilité, et d’autre part, selon les différentes sources d’exposition et les différentes voies d’entrée du toxique. La toxicologie a ici sa place dans l’utilisation de méthodes recherchant la présence d'un 13 biomarqueur d'exposition dans le sang, les urines, la peau, les cheveux, etc. Le biomarqueur d’exposition peut être l’agent toxique en lui-même, 14 l'un de ses métabolites ou son association avec une molécule cible (ADN, albumine, hémoglobine). Malheureusement, les données sont souvent manquantes et on est amené à faire des hypothèses sur la manière dont les individus sont exposés, notamment à partir de données d’émission à la source. LORS DE LA CA RAC TER ISA TIO N D U R ISQU E Le risque est la probabilité de survenue du danger (c’est-à-dire de l’effet toxique) ; il est caractérisé en confrontant les résultats de l’estimation de la relation dose-réponse avec ceux de l’estimation des expositions. Cette étape comporte donc des incertitudes plus ou moins importantes selon la nature et quantité des données recueillies. En effet, cette approche suppose notamment qu’il existe un lien causal entre l’agent et le, ou les effets étudiés aux doses estimées ; or elle est souvent basée sur des données chez l’animal qui sont par la suite transposées chez l’homme (variations interespèces). Il existe également des incertitudes quant à la détermination des DMSENO (fonction du protocole d’étude) et à l’application des autres facteurs de sécurité (variations inter-individuelles …) pour l’élaboration des doses de référence. 13 Paramètre toxicologique pouvant servir à montrer ou prédire un évènement toxique chez un individu. 14 Produit de transformation d’un xénobiotique par l’organisme. De même, les extrapolations des fortes doses aux faibles doses pour les effets sans seuil sont aussi sources d’incertitudes. Enfin, pour des expositions chroniques, une dose cumulative est calculée en additionnant chaque exposition unitaire (par exemple, chaque dose quotidienne), sans tenir compte de la demi-vie de la substance dans l’organisme, de son métabolisme, ou du mécanisme d’action impliqué. L’analyse des incertitudes permet d'apprécier la confiance qui peut être accordée aux estimations. Elle permet également d'établir des recommandations de recherche qui concernent dans bien des cas la toxicologie et qui ont permis l’essor de cette discipline au cours de ces dernières années. En conclusion, la démarche d’évaluation du risque doit se faire de manière pluridisciplinaire, avec la participation d’experts dans les divers domaines, tels que des environnementalistes, des épidémiologistes et des toxicologues. Rédacteurs : Mounia EL YAMANI et Caroline SERET Relecteurs : Christophe ROUSSELLE et Nathalie BONVALLOT Références Bonvallot N. et Dor F. Valeurs toxicologiques de référence : méthodes d’élaboration. InVS 2002 Carpenter DO et coll.. Human Health and chemical mixtures: an overview.Environ Health Perspect 1998, 106: 1263-1270 Clayson et coll. Toxicological rik assessment Volume 1 et 2 CRC Press, Florida, 1985 Empereur-Bissonet P.Aspect méthodologiques de l’évaluation quantitative des risques pour la santé humaine liés aux pollutions chimiques de l’environnement. Energies santé. Vol 10, n°4 pp. 562582. 1999 Gérin M., et coll. Environnement et Santé publique, Fondements et pratiques, 2003. Ministère de la Santé et des Services sociaux du Québec. Principes directeurs d’évaluation du risque toxicologique pour la santé humaine de nature environnementale, Collection orientations et interventions, décembre 1999 Schieber C. et Schneider T. Analyse des modalités de fixation des valeurs limites d’exposition et d’émission pour les substances chimiques et radioactives. Centre d’études sur l’évaluation de la protection dans le domaine nucléaire. Rapport N° 272, Août 2002 ème Viala A. et Botta A. Toxicologie. 2 édition, Lavoisier. Sur Internet 1. L’OMS édite des données disponibles dans la série Environmental Health Criteria de l'International Programme on Chemical Safety. http://www.who.int/bookorders/francais/subscription2.js p?sesslan=2 2. IRIS La banque de données est accessible gratuitement: http://www.epa.gov/iriswebp/iris/index.html 3. ATSDR. Les profils toxicologiques et les MRL sont disponibles http://www.atsdr.cdc.gov/toxpro2.html et http://www.atsdr.cdc.gov/mrls.html 4. L'Agence de Protection de l'Environnement de Californie (Cal-EPA) et plus particulièrement le Bureau d'évaluation des risques sanitaires environnementaux (Office of Environmental Health Hazard Assessment OEHHA). http://www.oehha.ca.gov/ 5. L’INRS dispose d’un catalogue de Fiches toxicologiques, ce sont des synthèses techniques et règlementaires des informations concernant les risques liés à un produit ou à un groupe de produits.www.inrs.fr 6. l'Ineris met en ligne un répertoire de fiches techniques concernant diverses substances dangereuses http://www.ineris.fr/
