Agents chimiques Effets des expositions simultanées aux métaux et aux polluants organiques Période : avril 2013 à août 2013 Radhouane CHAKROUN et Faycal FAIDI | [email protected] Institut de santé et de sécurité au travail – UR Santé et environnement du travail – Laboratoire de toxicologie professionnelle – Tunis – Tunisie Mots clés : Arsenic, Cadmium, Dichlorvos, Exposition Simultanée, Métaux Lourds, Organophosphorés, Pesticides, Polychlorobiphényles Les produits organochlorés et organophosphorés ainsi que les métaux lourds figurent parmi les contaminants les plus importants dans l’environnement. Ces familles de substances peuvent présenter des risques majeurs sur la santé humaine étant données leur persistance et leur importante toxicité. Les effets individuels de ces polluants sont d’une manière générale bien connus, mais les données sur les effets résultant de l’exposition simultanée sont peu disponibles. Cette note décrit deux études qui ont exploré les effets de l’exposition simultanée à certains métaux lourds et polluants organiques. Effet de l’exposition et de la co-exposition prolongée au cadmium et aux polychlorobiphényles sur la fonction thyroïdienne des rats Buha A, Antonijević B, Bulat Z, Jaćević V, Milovanović V, Matović V. The impact of prolonged cadmium exposure and co-exposure with polychlorinated biphenyls on thyroid function in rats. Toxicol lett 2013;221 (2):83-90. Résumé Compte tenu des effets potentiels du cadmium et des PCB1, deux contaminants environnementaux majeurs, sur la fonction thyroïdienne, les objectifs de cette étude étaient d’évaluer les effets de l’exposition subchronique (28 jours) orale des rats à différentes doses de cadmium avec ou sans co-exposition à des PCB (AROCLOR 1254) sur les concentrations sanguines en hormones thyroïdiennes (HT2) T33 et T4 4 . Le cadmium seul induisait une diminution du gain de poids des animaux et une diminution dose-dépendante des concentrations sériques en HT libres (bioactives) et liées sans modification du poids relatif de la thyroïde. Par rapport au groupe de rats exposés au seul cadmium, ces effets étaient encore plus importants chez les animaux co-exposés. Le poids relatif de la thyroïde était significativement plus faible chez les animaux traités à la plus forte dose de PCB et ce pour les trois doses de cadmium utilisées en co-exposition. La variation de la pente de la courbe représentant la relation dose-réponse d’un composé chimique donné en présence d’un autre composé est un indicateur de l’interaction entre ces deux composés (1). Dans cette étude, quelle que soit l’HT étudiée, la pente était plus élevée en co-exposition que lors d’une monoexposition à l’un ou l’autre des deux substances. Pour la T3, cet effet était significatif pour tous les niveaux de concentration en PCB et/ou cadmium testés. Pour la T4, un effet similaire était reporté mais n’était significatif que pour la plus forte dose de cadmium. Ces résultats suggèrent une synergie entre le cadmium et les PCB pour inhiber la fonction thyroïdienne et montrent que la T3 circulante est un bio-marqueur plus sensible que la T4 pour évaluer cet effet. Commentaire Bien que traitant essentiellement des effets du cadmium sur la fonction thyroïdienne dans le but de déterminer les doses repères ou benchmark dose (BMD5), cette étude a mis en évidence un effet de synergie entre le métal et les PCB sur les taux sériques de T3 et T4 chez les rats. Cependant, l’étude des effets combinés n’a été faite que sur trois doses de chacun des composés testés en mélange. Par ailleurs, il existe plusieurs congénères de PCB et les produits commercialisés peuvent présenter des toxicités sensiblement différentes. Bien que le mélange PCB utilisé dans cette étude (Aroclor 1254) soit réputé comme étant parmi les plus toxiques et soit largement utilisé dans l’expérimentation animale, sa toxicité peut varier d’un lot à l’autre (2). D’autre part, l’effet de la co-exposition sur la relation dose-réponse n’est caractérisé que pour les concentrations totales en HT et ne permet donc pas d’évaluer l’impact sur les concentrations libres, formes bioactives des hormones. Les auteurs précisent que les doses administrées peuvent refléter une exposition environnementale, ce point mériterait de plus amples informations. À titre d’exemple, au niveau de l’Union Européenne, le niveau moyen d’exposition par l’alimentation aux NDL-PCBs6 est compris entre 4,3 et 25,7 ng/kg de poids corporel/ jour (3). D’un point de vue méthodologique, il est à noter que le solvant utilisé pour le cadmium en mono-exposition était de l’eau alors que dans le protocole de co-exposition, il semblerait que le cadmium au même titre que les PCB ait été administré en solution huileuse sans qu’il ait été vérifié que l’excipient huileux ne modifiait pas l’absorption intestinale du cadmium. Une absorption plus importante du cadmium en phase huileuse, Anses • Bulletin de veille scientifique n° 22 • Santé / Environnement / Travail • Décembre 2013 26 Effets des expositions simultanées aux métaux et aux polluants organiques Radhouane CHAKROUN et Faycal FAIDI pourrait conduire à des concentrations de ce composé dans l’organisme plus importantes et ainsi partiellement contribuer à l’amplification des effets observés dans le protocole de co-exposition. Le cadmium est essentiellement néphrotoxique et peut être à l’origine d’une ostéoporose (4), mais il peut également entrainer des modifications hépatiques à plus fortes doses (5). La toxicité des PCB concerne les effets neurologiques, hépatiques en plus des effets reprotoxiques et autres probables effets cancérogènes (6). Il serait de ce fait intéressant d’étudier d’autres effets combinés de ces produits ubiquitaires dans notre environnement. Effet de l’exposition simultanée à l’arsenic et au dichlorvos sur le métabolisme du glutathion, sur les paramètres neurologiques et hépatiques, et l’histopathologie tissulaire chez le rat Flora SJS, Dwivedi N, Deb U, Kushwaha P, Lomash V. Effects of co-exposure to arsenic and dichlorvos on glutathione metabolism, neurological, hepatic variables and tissue histopathology in rats. Toxicol Res 2013; DOI: 10.1039/C3TX50038A. Résumé Cette recherche étudie les effets liés à l’exposition simultanée à l’arsenic et à un pesticide organo-phosphoré : le dichlorvos. L’étude a été réalisée sur des rats exposés par la voie orale à une dose d’arsenic de 1 mg/kg/j et/ou a une dose de dichlorvos de 4 mg/kg/j par injection sous-cutanée pendant 16 semaines. Les effets de stress oxydatif ont été étudiés par le dosage dans les tissus du cerveau et du foie des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS7), des substances réactives à l’acide thiobarbiturique (TBARS8), des taux de glutathion oxydé (GSSG9) et réduit (GSH10), ainsi que des activités enzymatiques de la glutathion peroxydase (GPx11) et de la glutathion S-transférase (GST12) impliquées dans les mécanismes de détoxification. Les résultats confirment les effets de stress oxydatif liés à l’exposition à l’arsenic seul ou en présence de dichlorvos et exprimés par une augmentation des concentrations des ROS. Les auteurs rapportent également une augmentation plus prononcée de l’activité de la GPx dans les tissus cérébraux du groupe de rats co-exposés aux deux produits. Les effets de mort cellulaire et les effets histopathologiques au niveau du foie étaient également accentués par la co-exposition à l’arsenic et au dichlorvos avec des modifications dégénératives plus sévères du parenchyme hépatique. Cette co-exposition a également engendré une légère baisse de la concentration de l’arsenic au niveau du cerveau et une faible augmentation de cette concentration au niveau du foie. Ces variations seraient dues à la formation de complexes arsenic-dichlorovos entrainant une accumulation du métal au niveau du foie. L’étude de la concentration de neurotransmetteurs a montré une diminution des taux de noradrénaline et de dopamine suite à l’exposition à l’un ou l’autre des deux polluants. Cette diminution était moins importante dans le cas de co-exposition aux deux produits. Agents chimiques Commentaire Cette étude a mis en évidence des effets toxiques synergiques13 de l’arsenic et du dichlorvos se traduisant par un effet de stress oxydant plus important et des altérations histopathologiques plus prononcées au niveau du foie des rats co-exposés. Elle a également mis en exergue des effets antagonistes14 liés à cette co-exposition par rapport à la concentration de neurotransmetteurs. Elle présente l’avantage d’avoir étudié un grand nombre de paramètres biochimiques du stress oxydant et des mécanismes de détoxification en relation, ainsi que les paramètres neurobiologiques et les examens histopathologiques. Cependant, une dose unique de chacun des composés a été utilisée ce qui limite l’interprétation des résultats. Cette limite est confirmée par les faibles variations des concentrations d’arsenic trouvées au niveau du cerveau des rats exposés simultanément aux deux composés et qui étaient significatifs dans une précédente étude utilisant des doses différentes (7). Egalement, l’administration de l’arsenic a été faite par la voie orale alors que le dichlorvos a été administré par injection sous-cutanée. Les auteurs justifient ce choix par le fait qu’ils voulaient éviter les interactions des composés au niveau du tractus gastro-intestinal et par le fait que l’absorption des pesticides se fait le plus souvent par la voie cutanée et l’arsenic par la voie orale. Or, en dehors des secteurs professionnels concernés, l’exposition humaine aux deux toxiques se fait généralement via l’alimentation et par conséquent par la voie orale. Conclusion générale Ces publications contribuent à la connaissance des effets liés à l’exposition simultanée aux métaux lourds et aux produits organochlorés et organophosphorés, contaminants toxiques ubiquitaires dans notre environnement. Elles mettent en évidence des interactions qui peuvent se traduire aussi bien par des effets de synergie que par des actions antagonistes. Ces effets dépendent évidemment de la nature des produits en mélange, mais également des doses administrées et de la durée d’exposition et par conséquent du niveau d’exposition. Les propriétés toxicologiques individuelles de ces composés sont généralement bien documentées. Ces deux études montrent l’intérêt qui doit être accordé aux études des effets combinés et l’impact qu’elles peuvent avoir sur l’évaluation des risques. Anses • Bulletin de veille scientifique n° 22 • Santé / Environnement / Travail • Décembre 2013 27 Agents chimiques Effets des expositions simultanées aux métaux et aux polluants organiques Radhouane CHAKROUN et Faycal FAIDI General conclusion Publications de référence These papers contribute to a better understanding of the effects of simultaneous exposure to heavy metals with organochlorine or organophosphates, ubiquitous environmental toxic contaminants. Both studies provided evidence for the potential interactions between these compounds leading to synergistic or antagonistic effects. The magnitude of these effects depends not only of the exposure mixture, but it is also related to the dose and the duration of treatment and consequently to the exposure level. Individual toxicity properties of these compounds are generally well documented. These studies highlight the great attention that should be devoted to combined effect and the possible impact on risk assessment. (1) Gennings C, Carter WH, Carchman RA, et al. A unifying concept for assessing toxicological interactions: Changes in slope. Toxicol Sci 2005;88(2):287-97. (2) Kodavanti PRS, Kannan N, Yamashita N, et al. Differential effects of two lots of Aroclor 1254: Congener-specific analysis and neurochemical end point. Environ Health Perspect 2001;109(11):1153-61. (3) European Food Safety Authority. Update of the monitoring of levels of dioxins and PCBs in food and feed. EFSA Journal; 2012 ;10(7):2832. (4) Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). Toxicological Pro-file for Cadmium. U.S. Department of Health and Human Services, Public HealthService, Atlanta, GA 2012. (5) Dudley RE, Svoboda DJ, Klaassen CD. Time course of cadmium-induced ultrastructural changes in rat liver. Toxicol Appl Pharmacol 1984;76(1):150-60. (6) Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). Toxicological Pro-file for polychlorinated biphenyls (PCBs). U.S. Department of Health and Human Services, Public HealthService, Atlanta, GA 2000. (7) Dwivedi N, Flora SJS. Concomitant exposure to arsenic and organophosphates on tissue oxidative stress in rats. Food Chem Toxicol 2011;49(5):1152-9. Lexique (1) PCB : Polychlorobiphényles ou biphényles polychlorés (2) HT : Hormones thyroïdiennes (3) T3 : Triiodothyronine (4) T4 : Thyroxine (5) BMD : Benchmark dose ou dose repère (6)NDL-PCBs : Non-dioxin-like PCBs. Il s’agit des congénères de polychlorobiphényles autres que ceux de type dioxine (7) ROS : Reactive oxygen species ou dérivés réactifs de l’oxygène (8)TBARS : Thiobarbituric acid reactive substance ou substances réagissant avec l’acide thiobarbiturique. C’est un test qui rend compte de la peroxydation lipidique (9) GSSG : Glutathion oxydé (10)GSH : Glutathion réduit (11)GPx : Glutathion peroxydase, enzyme qui assure la transformation des hydroperoxydes organiques (12)GST : Glutathion S-transférase (13)Synergie : L’effet de synergie est observé lorsque l’exposition simultanée à au moins deux produits chimiques provoque des effets toxiques supérieurs à la somme des effets individuels de ces produits (14)Antagonisme : L’effet combiné d’au moins deux composés est moins toxique que les effets individuels des substances Autres publications identifiées Andrade V, Mateus ML, Batoréu MC, et al. Urinary delta-ALA: A potential biomarker of exposure and neurotoxic effect in rats co-treated with a mixture of lead, arsenic and manganese. Neurotoxicology 2013;38:33-41. Cette étude met en évidence l’effet synergique de l’exposition simultanée au plomb, à l’arsenic et au manganèse sur la concentration de l’acide delta-ALA-aminolévulinique. Bien que n’étant pas spécifique, ce biomarqueur pourrait être utile pour évaluer l’exposition à ces métaux et évaluer leurs effets neurotoxiques mis en évidence dans plusieurs études. Lin CC, Chen YC, Su FC, et al. In utero exposure to environmental lead and manganese and neurodevelopment at 2 years of age. Environ Res 2013;123:52–7. Plusieurs études se sont intéressées aux effets de la co-exposition au plomb et au manganèse sur la neurotoxicité. Cette étude est particulièrement intéressante parce qu’elle met en évidence l’effet combiné de ces deux métaux sur le développement du système nerveux chez des descendants à l’âge de deux ans. Hambach R, Lison D, D’Haese PC, et al. Co-exposure to lead increases the renal response to low levels of cadmium in metallurgy workers. Toxicol Lett 2013;222(2):233-8 Cette étude met en évidence l’effet combiné du plomb et du cadmium sur l’augmentation de la concentration de la N-acetylβ-D-glucosaminidase. Anses • Bulletin de veille scientifique n° 22 • Santé / Environnement / Travail • Décembre 2013 28 Effets des expositions simultanées aux métaux et aux polluants organiques Radhouane CHAKROUN et Faycal FAIDI Agents chimiques Lou J, Jin L, Wu N, et al. DNA damage and oxidative stress in human B lymphoblastoid cells after combined exposure to hexavalent chromium and nickel compounds. Food Chem Toxicol 2013;55:533-40. Le chrome hexavalent et le nickel sont très utilisés dans l’industrie. L’étude de l’effet combiné de ces deux métaux a fait l’objet de plusieurs travaux de recherche. Cette étude est intéressante dans la mesure où elle met en évidence l’effet synergique de ces deux métaux sur la destruction de l’ADN. Song S, Ediage EN, Wu A, et al. Development and application of salting-out assisted liquid/liquid extraction for multi—mycotoxin biomarkers analysis in pig urine with high performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry. J Chromatogr A 2013;1292:111-20. Plusieurs études se sont intéressées au dosage des mycotoxines dans l’urine, cette étude se distingue par l’intégration d’une nouvelle méthode de préparation des échantillons urinaires. Cette nouvelle approche qui consiste à ajouter un sel, a permis non seulement d’améliorer l’extraction liquide mais également la séparation chromatographique des douze biomarqueurs de mycotoxines. Les résultats de la validation mettent en évidence la fiabilité de cette méthode et sa capacité à permettre une évaluation précise de la multi-exposition aux mycotoxines. Cheng J, Fujimura M, Zhao W, et al. Neurobehavioral effects, c-Fos/Jun expression and tissue distribution in rat offspring prenatally co-exposed to MeHg and PFOA: PFOA impairs Hg retention. Chemosphere 2013;91:758-64. Cette étude évalue les effets liés à l’exposition simultanée au méthylmercure et à l’acide perfluorooctanoïque (PFOA), produit entrant dans la composition de plusieurs produits industriels et domestiques. Les effets sur les reflexes d’évitement et la géotaxie négative étaient plus marqués chez les rates exposées aux deux produits du premier jour de gestation au 21e jour après la naissance par rapport à celles exposées au méthylmercure seul. Par contre, le test locomoteur a montré que les deux composés avaient un effet antagoniste sur l’activité de locomotion. Conflits d’intérêts Les auteurs déclarent : n’avoir aucun conflit d’intérêts ; avoir un ou plusieurs conflits d’intérêts. Anses • Bulletin de veille scientifique n° 22 • Santé / Environnement / Travail • Décembre 2013 29