PDF Export - Analytical Toxicology
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Neurotoxicité Beaucoup de substances altèrent l’activité normale du système nerveux. Parfois ces effets sont immédiats et passagers, comme l’effet stimulateur d’une tasse de café ou un mal de tête de la peinture fraîche dans votre bureau. D’autres effets peuvent être beaucoup plus insidieux, comme les désordres de mouvement soufferts par des mineurs après des années d’intoxication chronique par la manganèse. Beaucoup d’agents sont inoffoncifs ou même thérapeutiques aux doses faibles mais deviennent neurotoxiques à des niveaux plus élevés. Les oligo-métaux et la pyridoxine (vitamine B-6) se rangent dans cette catégorie des effets dépendants de la dose. Puisque ces agents affirment la maxime, « la dose fait le poison, » il devient nécessaire d’avoir une définition significative de l’empoisonnement de système nerveux, ou la neurotoxicité. La Neurotoxicité se rapporte à la capacité d’un agent de compromettre l’intégrité structurale ou fonctionnelle du système nerveux. Les dommages structurels des composants de système nerveux ont habituellement comme conséquence une atteinte fonctionnelle, bien que l’inverse ne soit pas toujours vrai. Les changements de la fonction du système nerveuse peuvent se produire par des interactions de toxiques avec les mécanismes normaux de signalisation de la neurotransmission, ayant pour résultat des dommages structurels. Néanmoins, il est plus facile d’identifier ces altérations, qu’elles soient structurales ou fonctionnelles, pour ensuite définir l’adversité d’un tel agent vis-à-vis du système nerveux. Sommaire 1 Rappel anatomophysiologique 2 La neurotoxicité 3 Sensibilité et facteurs de protection du système nerveux 4 Classification des substances neurotoxiques selon l’origine et l’impact sanitaire : 5 Principaux effets neurotoxiques 6 Clinique des intoxications du système nerveux : 7 Procédures d’évaluation Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 1 Neurotoxicité Rappel anatomophysiologique Le système nerveux est un système fort complexe qui tient sous sa dépendance toutes les fonctions de l’organisme. Il se compose de centres nerveux, qui sont chargés de recevoir, d’intégrer et d’émettre des informations, et de voies nerveuses qui sont chargées de conduire ces informations. Au point de vue anatomique, on divise le système nerveux en trois parties. Le système nerveux central est profondément situé dans des cavités osseuses (boîte crânienne et canal vertébral) et entouré de membranes appelées méninges. Cette partie, encore appelée névraxe, comprend deux segments: – l’encéphale, qui est intracrânien – la moelle épinière, qui est intrarachidienne. Le système nerveux périphérique, représenté par les nerfs qui se détachent du névraxe. Ces nerfs sont groupés en nerfs crâniens et nerfs rachidiens. Le système nerveux sympathique ou autonome ou neurovégétatif. Il se subdivise lui-même en orthosympathique et en parasympathique. Le système nerveux central Le système nerveux centrale est constitué de deux parties principales : l’encéphale et la moelle épinière. L’encéphale est lui même composé de : cerveau, cervelet et tronc cérébral. A. L’encéphale : a) Cerveau : Le cerveau est la partie la plus volumineuse de l’encéphale. Il est également la partie la plus noble du système nerveux central car il est le siège des facultés intellectuelles et des activités conscientes. Envisagé dans son ensemble, il a une forme ovoïde à extrémité postérieure renflée. Le cerveau comprend, d’une part, le télencéphale; d’autre part, le diencéphale. Organisation fonctionnelle Ø Le télencéphale A la structure du télencéphale sont liées les fonctions les plus importantes: conscience, Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 2 Neurotoxicité intelligence, idéation, mémoire et volonté. Le cortex du télencéphale est organisé en zone d’activité spécialisée. Ø Le diencéphale Les parois latérales sont formées des deux côtés par le thalamus. Le thalamus est le principal centre d’intégration sous corticale de la sensibilité générale: tact, sensations profondes, douleur et température, ainsi que des fonctions visuelle et olfactive. Le thalamus décode une grande partie des informations qu’il reçoit. C’est aussi un centre important de la motricité, dont il influence notamment la tonalité affective, qui s’exprime par les gestes et la mimique. La région hypothalamique renferme la substance grise centrale, qui contient les centres supérieurs du système nerveux autonome pour l’équilibre hydrique, la thermorégulation, la circulation, l’ingestion d’aliments, le métabolisme et l’état de sommeil ou de veille. Le centre qui commande le rythme d’éveil et de sommeil s’y trouve également et est influencé par le thalamus et par la formation réticulaire. Lobes du cerveau b) Le cervelet : Il est situé en arrière du bulbe et de la protubérance annulaire, sous les lobes occipitaux du cerveau. Il est séparé du cerveau par la scissure transverse et par une large toile méningée disposée presque horizontalement au-dessus de la fosse postérieure du crâne, la tente du cervelet. Le cervelet est constitué de deux hémisphères réunis par une éminence longitudinale appelée vermis. Les hémisphères sont constitués de lobes séparés par des scissures très nettes. Fonction C’est un organe autonome de contrôle. En tant que centre moteur de l’encéphale, il exerce Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 3 Neurotoxicité une action dans la coordination des mouvements et dans l’équilibration. Le cervelet assure la coordination en retardant de quelques fractions de secondes l’envoi des influx. Le cervelet transmet aussi des influx qui interviennent dans la régulation du tonus postural, c’est-à-dire dans l’entretien d’un degré de contraction musculaire qui assure le maintien d’une posture. Il joue enfin un rôle dans l’équilibration, à partir des informations qu’il reçoit de l’oreille interne. c) Tronc cérébral : Le tronc cérébral est la portion du névraxe comprise entre la moelle épinière et le cerveau. Il est constitué de trois étages qui sont, de haut en bas, le mésencéphale, la protubérance annulaire ou pont de Varole et le bulbe rachidien ou moelle allongée (myélencéphale). Chacune de ces trois parties est en connexion avec le cervelet par deux pédoncules cérébelleux, qui sont pairs et symétriques. Le tronc présente également les pédoncules cérébraux, cordons blancs et courts, à trajet légèrement divergent. Le tronc cérébral contient les noyaux d’origine des nerfs crâniens et d’importants centres végétatifs. Tronc cérébral B. La moelle épinière : La moelle épinière est la portion du système nerveux central qui occupe le canal rachidien. Elle a la forme d’une longue tige cylindrique d’un diamètre d’environ un centimètre. Elle présente deux renflements, l’un à la région cervicale, l’autre à la région dorsolombaire. Ces deux renflements répondent à l’origine des plexus brachial et lombaire. En dessous du renflement lombaire, la moelle épinière diminue très rapidement et elle se Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 4 Neurotoxicité termine par une extrémité effilée appelée cône terminal, dont le sommet se continue par un cordon filiforme, le filum terminale. La moelle épinière mesure environ quarante cinq centimètres de long. Sa limite supérieure est placée conventionnellement à hauteur de l’articulation occipito-atloïdienne. Chez l’adulte, le cône terminal se situe à la hauteur de la deuxième vertèbre lombaire. La moelle épinière épouse les courbures de la colonne vertébrale. La moelle épinière C. Les méninges et liquide céphalorachidien : a) Les méninges Les méninges constituent une triple enveloppe qui sépare le système nerveux central des parois osseuses, des cavités dans lequel il se trouve (boîte crânienne et canal rachidien). Les trois tuniques qui les composent sont, de dehors en dedans: Ø la dure-mère, plaquée contre les parois osseuses et qui contient dans ses dédoublements des sinus veineux. Ø la pie-mère, qui tapisse étroitement le système nerveux. Ø l’arachnoïde, entre les deux précédentes. Elle se compose de deux feuillets: * le feuillet pariétal, adhérant à la dure-mère, * le feuillet viscéral, en contact avec la pie-mère. b) Liquide céphalo-rachidien Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 5 Neurotoxicité Le liquide céphalo-rachidien joue un rôle de protection mécanique de l’encéphale et de la moelle. Il circule dans l’espace sous-arachnoïdien, entre la pie-mère et la dure-mère. Cet espace est en rapport avec les ventricules et le canal épendymaire, où se trouve également du liquide céphalo-rachidien. Le liquide céphalo-rachidien est produit par certaines zones spécialisées de la couche cellulaire qui tapisse les ventricules, appelées plexus choraoïdes. Il est résorbé au niveau de structures spécialisées de l’arachnoïde. La composition est proche de celle du plasma, mais il contient 0,5 gramme de sucre par litre et pas de cellules. 4) Le système nerveux périphérique : Le système nerveux périphérique est formé par les nerfs spinaux ou rachidiens et les nerfs crâniens. A. Nerfs spinaux Chaque nerf spinal provient de la réunion d’une racine dorsale et d’une racine ventrale. Les nerfs rachidiens se constituent dans le canal rachidien. Sur chaque racine dorsale se trouve un ganglion spinal qui contient les corps cellulaires correspondant aux fibres sensibles afférentes. Les nerfs rachidiens quittent le canal rachidien par les trous de conjugaison. Ils sont répartis en trente et une paires: huit cervicales, douze dorsales, cinq lombaires, cinq sacrées, une coccygienne. A différents niveaux, plusieurs paires s’anastomosent ensemble pour former des plexus, qui donnent les troncs nerveux du corps: a. Le plexus cervical est formé des quatre premiers nerfs cervicaux. Une de ses branches est le nerf phrénique, qui innerve le diaphragme. b. Le plexus brachial est formé des racines C5 à C8 et D1. Il fournit l’innervation motrice et sensitive du membre supérieur. Ses branches principales sont: c. Le plexus lombaire, formé des racines L1 à L4. d. Le plexus sacré, formé des racines L5 et S1 à S3, qui donne avant tout le nerf grand sciatique. B. Nerfs crâniens Les nerfs crâniens sont ainsi nommés parce qu’après être sortis de l’encéphale, ils traversent tous des orifices creusés dans la paroi osseuse du crâne. Leur disposition est bien entendu bilatérale et symétrique: ils forment des paires. On les numérote de I à XII d’avant en arrière, selon leur ordre d’émergence du système nerveux central (origine apparente), Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 6 Neurotoxicité mais l’on peut considérer que les nerfs I et II sont des annexes du cerveau. 5) Le système nerveux végétatif : Le fonctionnement du système nerveux végétatif est indépendant de la volonté. Il règle et coordonne le fonctionnement des organes, bien qu’il ne soit pas à l’origine de ce fonctionnement. Il ne fait que l’adapter aux besoins de l’organisme. Anatomiquement et fonctionnellement, le système nerveux végétatif est constitué de deux parties à action opposée: le système nerveux orthosympathique et le système nerveux parasympathique. A. Système orthosympathique : a) Les voies efférentes Les voies efférentes sont des voies à deux neurones, le premier d’entre eux étant le neurone pré ganglionnaire, dont l’axone myélinisé chemine d’abord dans la racine antérieure du nerf rachidien. Puis, par un rameau communicant blanc, cet axone gagne le ganglion et y établit une synapse avec le neurone ganglionnaire. Cette synapse est de type cholinergique: son médiateur est l’acétylcholine. Le neurone ganglionnaire possède un axone non myélinisé qui quitte le ganglion pour atteindre l’organe auquel il est destiné par plusieurs voies. b) Effecteurs La connexion entre la terminaison nerveuse orthosympathique et l’effecteur musculaire ou glandulaire est adrénergique, les médiateurs chimiques qui y sont sécrétés sont des catécholamines (adrénaline et noradrénaline). La même substance peut cependant provoquer contraction ou relâchement des muscles lisses suivant le type de récepteurs que ces cellules musculaires portent sur leur membrane. B. Système parasympathique : a) Voies efférentes Les voies efférentes du système parasympathique sont également des voies à deux neurones. L’axone myélinisé du neurone pré ganglionnaire gagne le ganglion parasympathique en cheminant soit avec certains nerfs crâniens, soit avec les nerfs rachidiens sacrés. Les ganglions parasympathiques sont situés près (plexus végétatif) ou dans la paroi de Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 7 Neurotoxicité l’organe et loin de la moelle épinière. La synapse ganglionnaire est de type cholinergique: son médiateur est l’acétylcholine. b) Effecteurs La connexion entre la terminaison nerveuse parasympathique et l’effecteur musculaire ou glandulaire est cholinergique: le médiateur est l’acétylcholine. Bien que l’acétylcholine, tout comme l’adrénaline, puisse provoquer la contraction ou le relâchement des fibres musculaires lisses suivant le type de récepteur que porte leur membrane, les récepteurs parasympathiques n’ont pas encore été subdivisés comme les récepteurs orthosympathiques. C. Rôle du système nerveux végétatif : a) Système orthosympathique ou de défense Le système orthosympathique a avant tout un rôle de défense. Il favorise l’action dirigée vers l’extérieur plutôt que le travail interne de l’organisme. Il est stimulé dans les états d’excitation émotionnelle et d’agression (stress), c’est-à-dire dans les conditions qui nécessitent une défense. Il favorise l’effort bref et intense en stimulant la circulation et la respiration. b) Système parasympathique ou de récupération Le système parasympathique concerne la récupération de l’organisme et la vidange des organes creux. Il favorise le travail interne de l’organisme en le mettant au repos, en favorisant la digestion et en assurant le mécanisme de vidange de l’organisme par la progression des aliments dans le tube digestif, la défécation et la miction. Il est stimulé pendant le sommeil. Son action sur la circulation et la respiration, toutes deux mises au repos, est opposée à celle de l’orthosympathique. 6) Éléments constitutifs du système nerveux : Le SNC est constitué de neurones, de cellules gliales, de capillaires sanguins et de MEC. 1. La cellule nerveuse : a) Caractères généraux Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 8 Neurotoxicité La cellule nerveuse s’appelle neurone. Le neurone dérive d’une cellule souche embryonnaire appelée neuroblaste. Notre capital de neurones étant fixé dès la naissance, aucune autre division de la cellule souche ne pourra donner de nouveaux neurones. Toute destruction de neurones après la naissance est définitive. Le neurone est une unité fonctionnelle traversée par l’influx nerveux dans un seul sens : il est donc polarisé. C’est aussi une unité trophique car tout segment du neurone qui est séparé du corps cellulaire dégénère et disparaît. b) Morphologie des Neurones Il convient de distinguer le corps cellulaire et ses expansions. Morphologie des Neurones Le corps cellulaire : Entoure un gros noyau. Le corps cellulaire a souvent une forme étoilée. Sa membrane est formée de deux couches de molécules de phospholipides présentant des orifices ou canaux (ou pores membranaires), permettant les échanges ioniques (Na+), (K+) et (Cl-) avec l’extérieur de la cellule. Le cytoplasme contient des inclusions : des mitochondries, petits organes intracellulaires qui fournissent l’énergie nécessaire au métabolisme cellulaire et des inclusions sécrétoires appelées corps de Nissl ou substance tigroïde. Ces inclusions disparaissent avec la fatigue nerveuse et au cours de la dégénérescence. Le cytoplasme contient aussi de la mélanine sous forme de pigments jaunâtres et noirs. Il existe enfin des inclusions spécifiques qui sont les neurofibrilles. Elles sont libres ou anastomosées entre elles. On a pensé qu’elles jouaient un rôle dans la conduction et la transmission de l’influx nerveux à l’intérieur du corps cellulaire. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 9 Neurotoxicité Les expansions Sont de deux sortes et elles partent du corps cellulaire. Ce sont : Les dendrites, prolongements protoplasmiques ramifiés. L’axone, prolongement unique qui possède des branches collatérales et se termine par une arborisation de fibres dont chacune des branches aboutit à la plaque motrice d’une fibre musculaire, dans le cas d’un axone moteur. Recouvert de ses gaines, l’axone prend le nom de cylindraxe ou fibre nerveuse. Les nerfs sont donc formés d’une multitude de fibres nerveuses groupées en faisceaux. c) Variétés de Neurones : Les neurones multipolaires : Situés dans le névraxe, ce sont les plus nombreux et les plus typiques. Ils sont de forme étoilée. Les neurones bipolaires : Ils possèdent une seule dendrite et un seul axone. Le sens de la propagation de l’influx nerveux se fait toujours de la dendrite vers l’axone. De tels neurones existent dans la rétine. Les neurones en T : Semblent être unipolaires. En fait, leur forme spéciale résulte d’un accolement partiel entre la dendrite et l’axone. Ces cellules en T existent dans les ganglions spinaux. Ce sont les corps cellulaires des premiers neurones sensitifs. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 10 Neurotoxicité Variétés de Neurones d) Plasticité neuronale Bien que hautement spécialisée chez l’adulte, la cellule nerveuse est capable d’adaptations synaptiques pendant les périodes embryonnaire et fœtale, ainsi que dans la première décade de la vie. Les circuits synaptiques, propres à un individu et supports de ses fonctions cérébrales, se construisent pendant cette période. Ceci souligne l’importance des facteurs nutritionnels et éducatifs, à ce moment là. De plus, à l’age adulte, les réseaux synaptiques gardent une capacité relative d’adaptation dans les circonstances suivantes. : En cas de déficit neuronal partiel, fonctionnel ou organique, les réseaux peuvent, si les lésions locales le permettent, se réorganiser dans des circuits voisins, assurant ainsi des récupérations partielles ou des suppléances (Ex : suppléances des déficits sensoriels). C’est le rôle thérapeutique de la Rééducation fonctionnelle. Il semble exister, en plus, une sensibilité accrue aux neuromédiateurs dans les neurones actifs. 2. Les cellules gliales Il existe 4 variétés de cellules gliales : les astrocytes, les oligodendrocytes, les cellules épendymaires et les cellules microgliales. Les termes de cellules névrogliques, de névroglie ou de glie sont synonymes de celui de Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 11 Neurotoxicité cellules gliales. a) Les astrocytes De forme étoilée, les astrocytes sont faits d’un corps cellulaire contenant le noyau et de prolongements cytoplasmiques diversement ramifiés. En ME, ils se caractérisent par l’abondance, dans le cytoplasme du corps cellulaire et des prolongements, de filaments intermédiaires (gliofilaments) riches en GFAP (protéine glio-fibrillaire acide) et de grains de glycogène. Ce stock glycogénique constitue la principale réserve énergétique cérébrale. La membrane astrocytaire contient de nombreux canaux ioniques voltage dépendants (canaux- Na+, canaux-K+, canaux-Ca++, canaux-Cl-) ainsi que des canaux ioniques mécanosensibles activés par l’étirement (et probablement impliqués dans la régulation du volume cellulaire). On y trouve également un certain nombre de transporteurs ioniques actifs (pompes et échangeurs) et des récepteurs membranaires pour de nombreux ligands (neurotransmetteurs, neuropeptides, cytokines, etc.). Enfin, de nombreuses jonctions communicantes existent entre les astrocytes et entre les neurones et les astrocytes. Les astrocytes synthétisent et sécrètent des neurostéroïdes. Ils contiennent des récepteurs nucléaires pour les hormones thyroïdiennes, pour les stéroïdes sexuels et pour les corticostéroïdes surrénaliens. b) Les oligodendrocytes Les oligodendrocytes possèdent un corps cellulaire de petit volume d’où partent quelques prolongements cytoplasmiques, plus fins et moins nombreux que ceux des astrocytes. Les oligodendrocytes de la substance blanche élaborent la myéline du SNC. c) Les cellules microgliales Appartiennent au système des monocytes/macrophages Les cellules microgliales proviennent des monocytes sanguins ayant pénétré dans le parenchyme du SNC et peuvent, lors de lésions du tissu nerveux, s’activer et se transformer en macrophages. Les cellules présentatrices de l’antigène dans le SNC sont les cellules microgliales. Lorsqu’elles sont activées, les cellules microgliales sécrètent de nombreuses molécules dont plusieurs cytokines, des protéases, des anions superoxyde et de l’oxyde nitrique NO. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 12 Neurotoxicité d) Les épendymocytes Constituent le revêtement du système ventriculaire 3. La fibre nerveuse et ses gaines : La fibre nerveuse et ses gaines La fibre nerveuse ou cylindraxe n’est autre que le prolongement d’un neurone (axone) entouré de gaine. Il existe deux sortes de gaines isolée ou associée entourant la fibre nerveuse : la gaine de myéline et la gaine SCHWANN ou neurilèmme. Il existe donc quatre types de fibres nerveuses : Les fibres sans myéline ni gaine de Schwann : ce sont les fibres nues qui existent pendant le développement de l’embryon. Les fibres sans myéline mais à gaine de Schwann : ce sont les fibres de REMAK. Elles constituent les nerfs végétatifs (nerfs viscéraux). Elles sont de couleur grise. Les fibres myélinisées sans gaine de Schwann : ce sont les fibres de la substance blanche du système nerveux central et du nerf optique. Les fibres myélinisées avec gaine de Schwann : elles sont abondantes dans tous les nerfs périphériques. Ce sont les plus typiques et les plus perfectionnées. La myéline est un mélange de lipides phosphorés. Elle donne à la fibre nerveuse une couleur blanc- mat caractéristique. Elle est considérée comme une réserve nutritive pour le cylindraxe et elle joue le rôle d’un isolant électrique. Elle protège la fibre nerveuse des Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 13 Neurotoxicité courants d’influx venant des fibres voisines. La gaine de myéline présente des incisures (incisures de SCHMIDT-LANTERMANN) et des étranglements appelés noeuds de RANVIER. La gaine de SCHWANN recouvre la gaine de myéline. Elle est formée de cellules plates soudées entre elles (c’est un Syncytium). Il existe un noyau ovalaire entre chaque étranglement de RANVIER. 7) Propriété électrophysiologie du neurone : influx nerveux A. Mise en évidence de l’influx nerveux : L’influx nerveux résulte d’une variation transitoire, de l’ordre d’une milliseconde, de la répartition des ions situés de part et d’autre de la membrane cellulaire. Dans le cas d’un neurone sensitif, l’influx nerveux prend naissance au niveau d’un récepteur périphérique et se propage le long de la fibre nerveuse jusqu’à son arborisation terminale. La naissance de l’influx nerveux est donc la conséquence de phénomènes physico-chimiques qui ont lieu au niveau du récepteur. Dans le cas d’un neurone moteur, l’influx nerveux prend naissance à la jonction du corps cellulaire et de l’axone. Il est la conséquence de phénomènes physico-chimiques intervenus au niveau du corps cellulaire à la suite d’une stimulation du neurone moteur par un autre neurone. On peut mettre en évidence l’existence de l’influx nerveux de la façon suivante : Chez un animal dont on a dénudé un nerf moteur, les contractions musculaires, volontaires, spontanées, ou stimulées, persistent tout le temps que le nerf n’a pas été écrasé, ligaturé ou sectionné. Bien que les nerfs et les muscles soient très sensibles au courant électrique et bien que l’on puisse enregistrer à leur contact des phénomènes électriques, l’influx nerveux n’est pas un courant électrique. B. Potentiel de repos Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 14 Neurotoxicité Comme toute structure vivante, la fibre nerveuse est polarisée. Si on introduit à l’intérieur de la fibre une microélectrode on enregistre, entre celle-ci et une électrode extérieure, une différence de potentiel. Cette différence apparaît brusquement au moment où, ayant franchi la membrane, la microélectrode pénètre à l’intérieur de la fibre. L’intérieur de la fibre est négatif par rapport à sa surface. La différence de potentiel est de -70 à -80 millivolts environ. C’est le potentiel de membrane ou potentiel de repos. Le potentiel de repos enregistrable sur toute cellule vivante, s’explique par la théorie ionique de l’influx nerveux de HODGKIN et résulte d’une inégale répartition des ions de part et d’autre de la membrane cellulaire. C. Potentiel d’action : Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 15 Neurotoxicité Lorsque la membrane est soumise à une stimulation électrique ou à l’action d’un neurotransmetteur chimique, le rejet actif du sodium diminue, cesse, puis s’inverse. La concentration de Na intracellulaire augmente (blocage de la pompe à sodium). D’autre part, la vitesse de passage des ions K à travers la membrane cellulaire est plus petite que la vitesse de passage des ions Na. En conséquence une certaine quantité d’ions Na pénètre dans la cellule avant qu’une égale quantité d’ions K n’en sorte. L’équilibre est temporairement rompu. On assiste à une dépolarisation de la fibre nerveuse qui se traduit par l’apparition d’un potentiel d’actions (voir schéma). Lorsque le potentiel de Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 16 Neurotoxicité membrane a retrouvé son niveau de repos, l’activité de la pompe à sodium reprend. C’est un temps consommateur d’énergie. On dit que la cellule « recharge ses batteries ». Etude des circonstances d’apparition du potentiel d’action Lorsque la stimulation est faible, ou au début de la stimulation on assiste à une légère diminution de la différence de potentiel. Ceci se traduit sur l’écran par une inflexion appelée « phénomène local ». Lorsque l’intensité de la stimulation augmente, l’amplitude du phénomène local atteint le seuil de dépolarisation ( -55 millivolts). Alors éclate un potentiel d’action qui atteint O millivolt et le plus souvent les dépasse. Cette dépolarisation brutale est responsable de l’apparition du potentiel d’action qui est complet, constant, de même amplitude, de même forme et de même durée pour une fibre donnée : c’est la « loi du tout ou rien ». La partie ascendante correspond à la pénétration rapide des ions Na, la partie descendante plus lente, correspond à la sortie des ions K. Le potentiel d’action va se propager le long de la fibre nerveuse et sa vitesse de propagation est constante. D. La propagation de l’influx : a) Le long de la fibre nerveuse La gaine de myéline constitue un isolant mais elle présente de distance en distance des interruptions complètes, ce sont les étranglements de RANVIER. A ce niveau, l’axone est seulement recouvert par la gaine de SWANN qui est perméable aux échanges ioniques. C’est seulement au niveau des étranglements de RANVIER que peuvent s’effectuer les échanges ioniques du potentiel d’action. Au point de stimulation, l’intérieur de la fibre nerveuse est très positif et les ions positifs se répandent de part et d’autre du site de stimulation vers les autres étranglements de RANVIER. Leur présence provoque l’ouverture des pores de la membrane cellulaire permettant à nouveau la pénétration d’ions sodium et une dépolarisation qui provoque un autre potentiel d’action. Ainsi, de segment en segment, le potentiel d’action est entretenu tout le long de la fibre nerveuse. L’influx nerveux parcourt toute la fibre nerveuse par propagation saltatoire, et atteint l’arborisation terminale. La transmission de l’influx se fait à vitesse constante le long d’une fibre nerveuse normale. b) Au niveau des synapses Au niveau du franchissement des synapses, cette transmission peut subir trois types de modification appelés facilitation, inhibition, occlusion. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 17 Neurotoxicité Facilitation : Un neurone qui est stimulé et qui va répondre par un potentiel d’action, produit dans son environnement un champ électrique décroissant. Des neurones de voisinage sont soumis à ce champ électrique infraliminaire, insuffisant pour provoquer la stimulation des neurones voisins. Cependant, si dans le même temps, un autre neurone est lui-même directement stimulé, son champ électrique décroissant va s’étendre aux neurones périphériques qui, bien que n’étant pas stimulés directement, atteignent, de ce fait, le seuil de dépolarisation et sont alors l’objet d’une dépolarisation complète responsable de leur potentiel d’action. On voit que schématiquement deux neurones peuvent être stimulés directement et que plusieurs autres neurones peuvent répondre, par diffusion de l’influx. Inhibition : Certaines articulations synaptiques libèrent des médiateurs chimiques qui augmentent la fuite des ions K alors que la membrane cellulaire reste imperméable au sodium. Il existe de ce fait une hyperpolarisation (-80 millivolts). Il faut dans ce cas un stimulus plus intense pour faire apparaître une dépolarisation et un influx au niveau des neurones concernés. Occlusion : Lorsque plusieurs neurones reçoivent une double stimulation synchrone, leur fonctionnement est bloqué et il n’y a pas à leur niveau de formation de potentiel d’action. Dans ce cas, deux neurones synchrones peuvent bloquer le fonctionnement de plusieurs autres neurones. La neurotoxicité 1) Définition : Toute modification altérant la structure ou la fonction du système nerveux résultant d’une exposition a un agent chimique. Les atteintes neurotoxiques sont dans les 10 premières causes de maladies professionnelles au UE. De nombreuses drogues et substances naturelles sont neurotoxiques : cocaïne, héroïne, ecstasy, phencyclidine, alcool, venins et poisons. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 18 Neurotoxicité Sensibilité et facteurs de protection du système nerveux Le système nerveux est particulièrement sensible aux intoxications. La complexité chimique de ce système , le caractère très actif de son métabolisme, sa très grande sensibilité a l’hypoxie, la présence de prolongements dont le fonctionnement n’est assuré que si les métabolites leurs sont fournis en permanence par les flux axonaux, enfin le caractère excitable des neurones comme des cellules gliales, l’incapacité des cellules nerveuses de se multiplier et de combler ainsi une disparition prématuré des stocks cellulaires, toutes ces raison expliquent sa sensibilité aux divers intoxications. Le système nerveux est protégé par deux barrières : La barrière hemato-encéphalique qui protége le SNC et la barrière hémato-neuronale qui protége le SNP. a) La barrière hémato-encéphalique : La BHE est la barrière située entre le sang et le parenchyme cérébral. Elle doit être distinguée de l’interface hemato-liquidienne entre le sang et le LCR, ou barrière hématoméningée constituée de plexus choroïde et des vaisseaux arachnoïdiens, et de la barrière méningo-encéphalique correspondant a l’interface entre LCR et parenchyme cérébral. Cependant certaines structures ne sont pas protégées par ces barrières comme les plexus choroïdes, la neurohypophyse, la glande pinéale et l’area prostrema qui constituent ainsi des zones de plus grande vulnérabilité. La BHE est formée de trois éléments : -des cellules capillaires endothéliales jointives ne possédant ni pores, ni fenestrations et réunies entre elles par des jonctions serrées : ce système fait de la cellule endothéliale le lieu de passage obligé de toute substances passant du sang vers le parenchyme cérébral. -une membrane basale. -des prolongements astrocytaires reliés entre eux par des jonctions semi perméables de types gap junction. Ces jonctions confèrent aux astrocytes un rôle régulateur de l’espace extracellulaire des neurones plutôt que de barrière infranchissable comme la barrière Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 19 Neurotoxicité formée par les cellules endothéliales. Il s’agit ici d’astrocytes de type I, différents des astrocytes de type II engainant les nœuds de Ranvier. La BHE est le lieu des phénomènes suivants : -des phénomènes de diffusion passive, pour les substances volatiles (gaz anesthésique), les substances lipophiles et la fraction non ionisée a PH physiologique. -des processus de transport actif concernant principalement les substances hydrosolubles et qui se déroule dans les cellules astrocytaires et endothélial qui constituent la BHE. -un effet de barrière enzymatique dont sont responsables les cellules endothéliales et les cellules gliales qui, par un métabolisme très actif, modifient ou dégradent les substances qui pourraient être toxiques pour le cerveau. -un processus de tamis moléculaire, les grosses protéines ou molécules ne pouvant traverser la succession des membranes endothéliales et basale. Pour ces raisons, la BHE est une barrière efficace pour nombre de substances neurotoxiques (exp. Méthylmercure). Une rupture de BHE augmenterait la vulnérabilité du SNC aux xénobiotiques. b) La barrière hémato-neuronale : Les nerfs périphériques sont recouverts par deux gaines de tissu conjonctif, la périnévre et l’épinévre, étroitement impliquées a l’endonévre. La BHN est irriguée par des vaisseaux sanguins dans l’endonévre et renforcé par les cellules lamellaires de la périnévre. Elle n’est pas aussi efficace que la BHE, et les ganglions des racines dorsales sont généralement plus sensibles que les neurones du SNC aux effets des neurotoxines. Classification des substances neurotoxiques selon l’origine et l’impact sanitaire : On distingue par origine et par ordre de péril sanitaire croissant les groupes de substances suivants : les substances neurotoxiques d’origine naturelle, parmi lesquels on classera à la fois les substances minérales( métaux toxiques), les substances d’origine végétale (substances Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 20 Neurotoxicité hallucinogènes, curares, alcaloïdes divers…) et enfin les venins d’origine animale (araignées, poisson,…). Ces substances conduisent a des intoxications le plus souvent individuelles dont l’impact sanitaire sur la population est généralement faible. les substances neurotoxiques qui sont utilisées comme médicaments à de faibles doses et qui à doses élevées sont de véritables poisons neurologiques. Il s’agit ici du cadre général des intoxications médicamenteuses survenant soit avec des molécules psychotropes ou neurotropes, soit avec des molécules a destination non cérébrale mais ayant des effets secondaires neurologiques (exp. Chimiothérapie a base de sels de platine ou a base de paclitaxel). Dans ce cas, le problème sanitaire se réduit à un problème de pharmacovigilance. Les substances neurotoxiques utilisées dans le cadre des comportements d’autointoxications : Comme l’alcool, tabac, toxicomanie. Dans ce domaine la neurotoxicité est le plus souvent occultée par le comportement social déviant. Substances neurotoxiques produites par l’industrie chimique comme divers insecticide, solvant organiques ou autres produits. Ici les populations concernées peuvent être considérables et atteintes pendant de longues périodes. Substances neurotoxiques utilisées comme arme chimique Substances neurotoxiques produites directement ou indirectement lors des processus pathogènes : Soie d’infections par des agents pathogènes comme bactéries, parasites (toxines botulinique,ou tétanique) ou d’infections virales :synthèse de protéines virales neurotoxiques( gp12 VIH) Soit des processus pathogènes non infectieux :maladies dégénératives ,AVC ,épilepsie, Dans lesquels la libération en excès d’acides aminés physiologiquement excitateurs (glutamate)constitue un évènement toxique pour les cellules post-synaptique (excitotoxicité).L’intérêt de ce processus excitotoxique est de souligner que la fragilité métabolique cérébrale constitue un facteur aggravant de la neurotoxicité. L’intérêt de ce cadre conceptuel est surtout de relier entre elles plusieurs notions importantes : le métabolisme, la production de toxines endogènes, rôle des processus immunitaires dans le contrôle de la neurotoxicité d’origine exogène et de montrer que la neurotoxicologie n’est pas une discipline isolée ou réduite aux poisons cérébraux, mais est impliquée au cœur même de la réflexion sur la physiopathologie des maladies nerveuses. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 21 Neurotoxicité Principaux effets neurotoxiques Ces effets peuvent être classés selon leur site d’action : les corps cellulaires et d’autre parties des neurones- particulièrement les axones-, les cellules gliales ou le système vasculaire ; cependant, un toxique peut atteindre un ou plusieurs sites. A. Atteinte des neurones : a) Atteinte des corps cellulaire des neurones (neuronopathies) : Les neurones, dont la principale source d’énergie est le glucose, sont sensibles à l’anoxie et à l’hypoglycémie. Les effets anoxygénes cérébraux de nombreux produits chimiques sont bien connus. Les barbituriques induisent de l’anoxie dans le cerveau, particulièrement dans certaines zones du cortex cérébrale, de l’hippocampe et du cervelet. Cependant les dommages permanents au SNC, même après un coma barbiturique, sont rares, peut être à cause d’un métabolisme énergétique réduit. Par ailleurs, une exposition prolongée au monoxyde de carbone peut induire des lésions irréversibles du cerveau, par suite du développement d’une sclérose diffuse de la substance blanche (leuco encéphalopathie). Le cyanure et l’azoture inhibent le cytochrome oxydase et sont la cause d’une anoxie cytotoxique. Les corps cellulaires des neurones peuvent être atteints directement par les toxiques. Le méthylmercure provoque d’abord une perte localisée des ribosomes, puis la désintégration et la disparition des corps de Nissl, surtout dans les cellules les plus petites ; ces changements sont suivis de modifications nucléaires et péri nucléaires et finalement de la désintégration du neurone, y compris de son axone. La doxorubicine atteint les neurones en s’intercalant dans l’ADN, provoquant une cassure de la structure hélicoïdale. Cette perturbation inhibe la synthèse de l’ARN et des protéines neuronales ; ce médicament ne traversant pas la barrière encéphalique peut affecter les neurones des gonglions des racines dorsales, mais pas ceux du système nerveux central. Par contre le méthylmercure traverse la barrière encéphalique et endommage aussi bien les neurones des racines dorsales que ceux du CNS. La vincristine peut provoquer une accumulation de neurofibrilles dans péricaryons et les axones ; elle détruit les neurotubules et les neurofilaments axoniques et bloque le transport Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 22 Neurotoxicité axoplasmique dans ces ultrastructures. L’aluminium peut aussi traverser la BH et induire une encéphalopathie avec dégénérescence neurofibrillaire chez le chat et le lapin et pourrait être responsable de certains cas de maladies d’Alzheimer. b) Atteinte des dendrites : A doses très élevées, le glutamate, l’alanoside et les molécules apparentées sont connues pour affecter les zones du SNC dépourvues de BH et être la cause d’effets neuro-exitants et neurotoxiques ; les dendrites sont le principal site d’action, les péricaryons sont ensuite affectés, mais les axones sont épargnés. L’acide kainique, extrait d’une algue marine, a été utilisé pour le traitement de l’ascariose ; ces effets sont semblables a ceux du glutamate, mais en plus puissant. c) Atteinte des axones (axonopathie) : Certains axones sont extrêmement longs (jusqu’à 1 mètre) et certains constituants, comme les neurofibrilles, ne sont pas synthétisés sur place mais dans le corps cellulaire, et transportés le long de l’axone. L’axone peut donc être par les toxiques soit directement, soit indirectement par des lésions du corps cellulaire. Les lésions peuvent se produire dans les zones proximales ou distales des axones. Axonopathie proximale : Le β, β-iminodipropionitrile (IDPN) est typiquement responsable de ce genre de lésion, et a été utilisé comme modèle d’étude pour les maladies des motoneurones comme la sclérose latérale amyotrophique. L’effet primaire de l’IDPN est la perturbation du transport axonique lent des neurofilaments tandis que leur synthèse continue dans le corps cellulaire. L’accumulation de neurofilaments dans la zone proximale cause le gonflement de celle-ci et l’atrophie de la zone distale. La zone proximale élargie génère une prolifération locale d’astrocytes fibreux et de filaments gliaux le long de la racine ventrale. Le groupement proximal stimule aussi la désagrégation de la myéline, la formation de vacuoles intramyéliniques et finalement la démyélinisation. Les cellules de Schwann dans le segment démyélinisé se divisent et la gaine de myéline se reforme, les opérations successives de démyélinisation et re- myélinisation aboutissant à la formation d’une structure n boucle d’oignon. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 23 Neurotoxicité Axonopathies distales : Les axones contiennent trois types de structures neurofibrillaires, les neurotubules, les neurofilaments et les microfilaments ; certains contiennent aussi des mitochondries et du réticulum endoplasmique lisse. Ces structures sont particulièrement sensibles a divers toxiques ; par exemple le thallium entraîne un gonflement des mitochondries et leurs dégénérescence, certains organophosphorés et solvants organiques provoquent des perturbations des structures neurofibrillaires et une axonopathie distale. Une importante catégorie d’axonopathie distale est produite par des composés organophosphorés comme le TOCP, l’EPN et le leptophos, ces molécules, en plus de leur action inhibitrice de la cholinestérase, provoquent une neuropathie retardée, qui se manifeste principalement par une paralysie musculaire, affectant principalement les fibres nerveuses les plus longues et les plus grosse, d’où une paralysie des membres postérieurs, puis antérieurs. Bien que de nombreuses espèces animales soit atteintes, particulièrement après des expositions répétées, cette toxicité peut être facilement reproduite chez la poule, généralement 8 a 10 jours après l’exposition. A cause de la gravité de la neurotoxicité retardée, les nouveaux composés organophosphorés sont testés en routine pour ce danger potentiel. Ce phénoméne est indépendant de l’inhibition du cholinestérase, des inhibiteurs aussi puissant que le malathion, le parathion ou le carbaryl n’ont pas cet effet toxique. Le phénoméne est apparemment associé a l’inhibition d’une enzyme « neuropathy target esterase« . Une autre catégorie d’axonopathie distale est celle produite par des solvants hexacarbonés comme le ɳ-hexane et la méthyl-ɳ-butylcétone. Comme l’acrylamide, ces solvant sont responsables de polyneuropathies professionnelles : tous ces produits provoquent une prolifération marquée des neurofilaments dans les axones, mais les gonflements des axones géants, fréquents avec les solvants, sont rares avec l’acrylamide ; de plus, les nerfs sensoriels sont précocement impliqués avec l’acrylamide, et tardivement avec les solvants hexacarbonés qui affectent en priorité certains motoneurones. Les lésions induites par l’acrylamide, les solvants héxacarbonés et les organophosphorés sont toutes distales, quoique préterminales. Le clioquinol, un médicament préventif courant pour la diarrhée des voyageurs dans les année 60 et 70, a provoqué chez des milliers d’individus des troubles du système nerveux connus sous la dénomination de : subacute myelo-opticoneuropathy. Chez l’homme et chez les animaux, il provoque une dégénérescence distale de l’axone dans le fasciculus glacilus, les faisceaux pyramidaux et les nerfs optiques, mais pas dans les nerfs périphériques. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 24 Neurotoxicité Il a été suggéré que l’axonopathie distale résulte de la perturbation des enzymes de la glycolyse dans l’axone. Ces enzymes interviennent dans le transport des neurofilaments, qui sont synthétisés dans le corps cellulaire et transportés le long de l’axone. L’altération de ces activités enzymatiques affecterait en premier lieu la portion distale des axones des fibres nerveuses les plus longues et les plus grosses, qui ont des besoins énergétiques plus importants ; une deuxième hypothèse postule que les neurofilaments sont directement affectés par les toxiques tel que les solvants hexacarbonés et l’acrylamide. Les neurofilaments les plus longtemps exposés au toxique, c’est-à-dire ceux localisés distalement dans les fibres les plus longues, sont affectés les premiers. Interférence avec la conduction nerveuse : De nombreux toxiques agissent principalement sur les membranes nerveuses, qui maintiennent normalement un potentiel de repos négatif. Quand elles sont stimulées, un potentiel d’action est généré ; les potentiels de repos et d’action résultent de concentrations différentes en ions Na+ et K+ de part et d’autre de la membrane et ces concentrations sont maintenues par les pompes a sodium et potassium. La tétrodotoxine, le principal toxique du poisson globe annule le potentiel d’action en bloquant la pompe a sodium. Le saxitoxine le principe toxique produit par le dinoflagellé Gonyaulax présent dans le coquillage Saxidomas giganteus, agit aussi en bloquant la pompe a sodium. La consommation de poisson mal nettoyé ou de coquillage contaminé peut causer la mort par défaillance respiratoire. Cependant, la liaison avec la saxitoxine est plus facilement réversible. Ces toxines ont été des sondes très utiles pour la connaissance du mode d’action des neurotoxines. Interférence avec la transmission synaptique : La toxine botulique, la plus puissante toxine biologique connue est produite par clostridium botulinum ; elle provoque une paralysie musculaire en empêchant la libération d’acétylcholine aux terminaisons nerveuses motrices. Par contre, le venin d’une araignée, la veuve noire, produit une libération massive d’acétylcholine, à l’origine de crampes et de paralysie. La tétanoplasmine du microbe clostridium tetani, provoque une tétanie par sont action sur le SNC ; elle lève l’inhibition de neurones moteurs de la moelle épinière en se liant a des récepteurs sur ces neurones. La masse moléculaire de ce dimère protéique est d’environ 150000, donc trop grande pour traverser la barrière hémato-encéphalique ; cependant il atteint le SNC par un transport axonal rétrograde. Ce transport rétrograde sert normalement au recyclage des matériaux transportés du corps cellulaire vers les terminaisons. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 25 Neurotoxicité Parmi les autres toxiques affectant la transmission nerveuse, on peut citer les hydrures de bore (diminution de la norépinéphrine et de la sérotonine), le sulfure de carbone (diminution de la norépinéphrine et de la dopamine), le chlordiméforme (augmentation de la sérotonine et de la norépinéphrine), le DDT (diminution de l’acétylcholine et de la norépinéphrine) et le manganése (diminution de la sérotonine, de la norépinéphrine et de la dopamine). B. Atteinte des cellules gliales et myéline : a) Cellules productrices de myéline : La démyélinisation peut résulter d’atteinte aux cellules myélinisantes (oligodendrocytes et cellules de schwann). Le plomb fait partie de cette catégorie de neurotoxiques qui affectent les cellules de Schwann, probablement par interférence avec le transport de Ca++. Les agents hypocholestérolémiants comme le triparanol détruisent la gaine de myéline en raison de la teneur élevée en lipides (70%) de cette structure ; des changements ultra structuraux des oligodendrocytes apparaissent avant que la démyélinisation ne se produise. La toxine diphtérique agit probablement en affectant a la fois la myéline et les cellules myélinisantes. Le tri-éthylétain, le bromure d’éthidium et l’actinomycine sont d’autres exemples de toxiques démyélinisants agissant sur les cellules myélinisantes. b) Gaine de myéline : La démyélinisation peut aussi être la conséquence d’effets sur la gaine de myéline elle même, généralement la destruction de la structure membranaire ; d’autres modes d’actions mettent en jeu : -l’inhibition de l’anhydrase carbonique ou d’autres enzymes impliquées dans le transport de l’eau ou des ions, -l’inhibition d’enzymes impliquées dans la phosphorylation oxydative, -la chélation de métaux. Les neurotoxiques qui agissent directement sur la gaine de myéline comprennent le triéthylétain, la lysolécithine, l’isoniazide, les cyanates, l’hexachlorophéne et le plomb ; la plupart agissent principalement sur le SNC, mais le plomb affecte d’abord le SNP. L’isoniazide agit sur le SNP chez l’homme, mais sa cible principale chez les animaux est le SNC. L’acéthyléthyl-tétraméthyltétraline (AETT) provoque une myélinopathie par un mécanisme complexe. C. Atteinte des vaisseaux sanguins : Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 26 Neurotoxicité La perméabilité du système vasculaire dans le SNC et SNP peut être accrue par une augmentation de la pression sanguine ou une osmolarité diminuée du plasma, ou résulter de l’exposition à certains toxiques. La plus grande perméabilité entraîne généralement une accumulation des fluides dans l’espace extracellulaire. De nombreux neurotoxiques sont connus pour produire aussi des oedémes cellulaires. a) Œdème extracellulaire : Le plomb peut léser les cellules endothéliales et provoquer des épanchements de plasma dans le cerveau, particulièrement dans la matière blanche, plus perméable que la matière grise. La sensibilité des jeunes rats au plomb a été attribuée à l’immaturité de leur système vasculaire. Le plomb a des effets similaires sur l’endonévre, augmentant la pression du fluide endoneuronal et induisant la démyélinisation. Les dérivés organiques du plomb, comme le plomb tétraéthyle, passent plus facilement les barrières intertissulaires, et de ce point de vue, sont plus toxiques. Les composés du mercure peuvent léser les cellules endothéliales et accroître leur perméabilité. Les arsenicaux organiques provoquent des œdéme et des hémorragies localisées dans le cerveau. Les oedémes de l’endonévre sont associés à l’intoxication au tellure ou à l’hexachlorophène, à l’alcoolisme chronique, ou à la dégénérescence wallérienne due a une lésion mécanique. b) Oedémes cellulaires : Divers parties de neurones peuvent former des oedéme après exposition a des toxiques. Par exemple la 6-aminonicotinamide affecte le péricaryon ; le cyanure et le monoxyde de carbone affectent l’axone ; l’ouabaïne et la méthylsulfoxime affectent des terminaisons nerveuses présynaptiques. Les œdéme des astrocytes et des oligodendrocytes peuvent être causé par la 6aminonicotinamide, l’ouabaïne pouvant affecter aussi les astrocytes. Les oedémes des cellules de Schwann peuvent être induits par le plomb qui provoque des oedémes extracellulaires, comme cela a déjà été signalé. Le triéthyl-étain et l’isoniazide provoquent aussi des oedémes des gaines de myéline dans le SNC. L’hexachlorophène induit des oedémes des gaines de myéline de la matière blanche du cerveau et des nerfs périphériques. cellules Cible de l’atteinte mécanisme toxiques Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 27 Neurotoxicité neurones Anoxie cellulaire Anoxie cytotoxique (blocage de la cytochrome oxydase) Disparition de ribosomes, altération de la synthèse protéique Cassure de l’ADN puis inhibition de la synthèse d’ARN Accumulation de neurofibrilles, destruction de neurotubules Dégénérescence neurofibrillaire Oedéme du péricaryon Dendrites Axone (Axonopathie) partie proximale Axone (Axonopathie) partie distale Corps cellulaire (neuropathie) Atteinte du métabolisme énergétique neuronal Monoxyde de carbone Cyanure barbituriques Méthylmercure Doxorubicine Vincristine Aluminium 6-amino-nicotamide Effets excito-toxiques (excitation post-synaptique) Perturbation du transport axonal lent notamment des motoneurones Gonflement et dégénérescence des mitochondries axonales Organophosphorés Glutamate, acide kainique. IDPN Thallium Neuropathie due a une estérase neurotoxique Prolifération des Solvants carbonés neurofilaments, gonflement axonal Dégénérescence distale de Clioquinol l’axone dans certains faisceaux Blocage du transport Toxine tétanique axonal et désinhibition des MN Atteinte oedématause de Monoxyde de carbone l’axone Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 28 Neurotoxicité Atteinte oedémateuse de la terminaison pré synaptique Altération de la conduction nerveuse Altération de la transmission nerveuse au niveau cérébral ou neuromusculaire Libération massive de l’Ach au niveau de la JNM (crampes) Diminution de la noradrénaline et de la sérotonine Diminution de la noradrénaline et de la dopamine Augmentation de la noradrénaline et de la sérotonine Diminution de la noradrénaline et de l’acétylcholine Diminution de la noradrénaline, de la sérotonine et de la dopamine Cellules gliales Ouabaïne, méthylsulfoxime Blocage de la pompe a Tétrodotoxine, sodium saxitoxine Blocage de la libération de Toxine botulique l’Ach au niveau de la jonction neuromusculaire Venin d’araignée Hydrure de bore Sulfate d carbone chlordiméforme DDT Manganèse Atteinte des cellules myélinisantes Interférence avec le Pb transport de Ca des cellules de Schwann Modification de la Hypocholestérolémiants composition de la myéline avec démyélinisation Action toxique sur les Toxiques diphtériques, tricellules myélinisantes éthylétain, actinomycine, bromure d’éthidium Oedéme des astrocytes et 6-aminonicotinamide, oligodendrocytes ouabaïne Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 29 Neurotoxicité Oedéme des cellules de Schwann Atteinte de la gaine de myéline constituée Pb Action directe destructrice de Tri-éthylétain, la gaine de myéline du SNC isoniazide, lysolécithine, cyanates, hexachlorophène, Pb Action directe destructrice Pb de la gaine de myéline du SNP Oedéme des gaines de Tri-éthylétain, isoniazide, myéline hexachlorophène Cellules endothéliales des Oedémes extracellulaires par Lésions des cellules Pb, Pb vaisseaux rupture du mur endothélial endothéliales, tétraéthyle notamment dans la SB cérébrale Lésion des cellules Pb, Pb tétraéthyle, tellure, endothéliales de hexachlorophène, alcool l’endonévre, avec oedéme Lésions des cellules Mercure, arsenicaux endothéliales, organiques accroissement de la perméabilité (SNC) Effets généraux Blocage de la super Manganèse oxyde dismutase avec production de radicaux libres Clinique des intoxications du système nerveux : La multiplicité des cibles enzymatiques et cellulaires, suggère la possibilité d’une grande variété d’atteintes neurotoxiques. Plusieurs syndromes cérébraux peuvent être mis en évidence : -les atteintes cognitives et neuropsychologiques isolées ; -les encéphalopathies et troubles de la vigilance ; -les syndromes convulsifs ; Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 30 Neurotoxicité -les altération du SNP incluant les diverses atteintes de la moelle épinière. A. Les atteintes neuropsychologiques : De diagnostic difficile, elles peuvent être ignorées si elles ne sont pas recherchées systématiquement. De nombreuses substances peuvent conduire à des détériorations de performance psychomotrices, à des troubles de l’affectivité, des émotions, a des troubles de la mémoire, a des altérations des capacités d’apprentissage. D’autres toxiques conduisent à une altération des processus attentionnels, à une baisse des performances des raisonnements nécessitant l’utilisation de tests neuropsychologiques complexes. Les troubles les plus fréquemment observés sont des déficits comportementaux, cognitif et émotionnels. Très souvent, les altérations cognitifs ou comportementales apparaissent pour des expositions à de faibles doses de toxique. L’effet cumulatif fera alors passer le sujet du syndrome neuropsychologique à l’encéphalopathie ou au syndrome convulsif. B. Les encéphalopathies et troubles de la vigilance : Cliniquement, elles se caractérisent par une confusion mentale, un coma ou une comitialité. La désorganisation des activités électriques cérébrales avec altération des fonctions cognitives revêt un très grand polymorphisme et peut provenir d’un nombre considérable de situations pathologiques. C. Les syndromes convulsivants : La crise d’épilepsie, décharge hyper synchrone des neurones, de survenue brutale, traduit soit la rupture de l’inhibition des décharges neuronales physiologiques produites par les interneurones inhibiteurs, soit l’apparition d’instabilité dans les membranes neuronales, instabilité qui favorise une décharge anarchique. Les substances neurotoxiques conduisent fréquemment à des convulsions. Les convulsions d’origine toxique sont en général des convulsions généralisées, de type crise tonico- clonique, ou clonique. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 31 Neurotoxicité Des états de mal épileptiques peuvent être observés, et sont généralement de pronostic péjoratif. D. Autre syndromes centraux : D’autres atteintes neurologiques peuvent être observées, qui ne sont ni des encéphalopathies, ni des convulsions, mais plutôt des syndromes plus spécifiques comme des syndromes cérébelleux, ou bien des syndromes extrapyramidaux (atteinte des noyaux gris centraux). E. Les syndromes atteignant la moelle épinière, le SNP et le système neuromusculaire : De très nombreuses substances toxiques atteignent le SNP soit directement, par toxicité axonale par exemple, soit indirectement (éthanol). L’ensemble conduit a des syndromes de grandes variétés : névrites, polynévrites, myélites, syndrome de Guillain Barré. Les syndromes d’intoxication des nerfs crâniens ont été isolés. Ont notera la difficulté d’exploration des atteintes olfactives dues aux solvants organiques. On notera également que l’ototoxicité est fréquemment le fait de substances médicamenteuses (streptomycine). Le caractère primitif et omniprésent de la jonction neuromusculaire cholinergique dans le monde animal est sans doute une des raisons qui ont fait que la sélection des espèces et l’évolution a conduit au développement de nombreuses toxines orientées vers cette structure biochimique. Procédures d’évaluation 1) Examen neurologique : Ces essais ont un rôle préliminaire important dans la localisation du site de la neurotoxicité ; la plupart de ces examens peuvent se faire chez l’homme ou chez l’animal, a l’exception de l’appréciation de l’état mental et de nombreuses fonctions sensorielles, plus facilement appréhendées chez l’homme ; cependant, des tests de comportements appropriés sont disponibles pour les animaux. Les nerfs crâniens I à XII ont des fonctions différentes et nécessitent des tests différents ; par exemple les tests destinés aux nerfs acoustiques et optiques impliquent l’évaluation des réponses aux stimuli sonores et lumineux. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 32 Neurotoxicité L’examen des fonctions motrices comprend l’étude des muscles pour des signes de faiblesse, d’atrophie et de fasciculation, qui indiquent des dysfonctionnements des neurones moteurs inférieurs (cellule de la corne antérieure, racines motrices et nerfs périphériques). Le squame est un signe de dysfonctionnement des neurones moteurs supérieurs du cerveau et de leurs axones au niveau de la moelle épinière. Le tremblement passif est souvent associé avec des lésions des noyaux gris centraux ou du cervelet. Le tremblement intensionnel se produit pendant le mouvement volontaire et constitue une manifestation d’atteinte du cervelet. L’examen des réflexes inclut les réflexes du tendon, dont le fonctionnement met en jeu les récepteurs intrafusaux, les racines dorsales, les cellules de la cornes antérieure et leurs axones, les jonctions neuromusculaires et le muscle ; des lésions d’une de ces structures entraîneront l’absence de réflexes ou l’hypoactivité ; par contre en cas de lésion des neurones moteurs supérieurs, ces réflexes seront exagérés. Les anomalies de la démarche peuvent aider aussi a localiser le site d’une toxicité : une démarche a grande enjambées indique une atteinte des neurones moteurs inférieurs, une allure en ciseaux, rigide, indique des lésions des neurones moteurs supérieurs, et l’ataxie ou une allure chancelante résulte d’un dysfonctionnement du cervelet. Les signes neurologiques se développent avec les neuropathies et les myélinopathies, mais plus lentement avec les axonopathies. En général, l’axonopathie concerne les fibres motrices et sensorielles, par contre, les neuropathies affectent principalement les fibres sensorielles et les myélinopathies, les fibres motrices. 2) Examen morphologique : Les examens morphologiques sont importants pour établir précisément le site d’action au niveau anatomique. Les examens au niveau cellulaire et ultra structural facilitent souvent le diagnostic différentiel des neuropathies et la mise en évidence du mode d’action. Les dommages aux cellules endothéliales peuvent être mis en évidence non seulement par des signes d’oedémes (moins de cellules et de fibres nerveuses par unité de surface), mais aussi par des augmentations de la pression des fluides intracrâniens et endoneuraux ou par la pénétration a travers l’endonévre de marqueurs comme la peroxydase de raifort. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 33 Neurotoxicité 3) Examens électrophysiologiques : A. Nerfs périphériques : Un examen fréquemment utilisé est la mesure de la vitesse de conduction des nerfs moteurs, mesure pouvant être faite sur des animaux vivants soumis a une exposition chronique ou a court terme a des neurotoxiques, ou par des applications locales du toxique sur des nerfs isolés. La vitesse de conduction des nerfs sensoriels et les potentiels d’action peuvent être mesurés aussi dans le cadre de l’étude de la neurotoxicité. Exp. L’hexachlorophène diminue la vitesse de conduction dans les nerfs sensoriels, mais n’a pas d’effet sur l’amplitude du potentiel d’action. Par contre, le pyridinethione de zinc réduit l’amplitude du potentiel d’action, mais n’a pas d’effet sur la vitesse de conduction. Une autre procédure intéressante est la mesure de la vitesse de conduction dans les fibres lentes. B. Électromyographie : C’est la mesure de l’activité électrique du muscle, au repos ou en contraction, enregistrer a l’aide d’une électrode insérée dans le muscle ; la neurotoxicité se manifeste par : -une activité anormale a l’insertion. -l’existence d’une activité électrique spontanée dans le muscle au repos. -des schémas d’interférences d’activité électrique des centres moteurs pendant la contraction volontaire du muscle. C. Électroencéphalographie : L’électroencéphalographie (EEG) est la mesure de l’activité électrique du cerveau par des électrodes placées sur le cuir chevelu souvent représenté sous la forme d’un tracé appelé électro-encéphalogramme. L’EEG est un examen indolore et non invasif qui renseigne sur l’activité neurophysiologique du cerveau au cours du temps et en particulier du cortex cérébral soit dans un but diagnostique en neurologie, soit dans la recherche en neurosciences cognitives. Le signal électrique à la base de l’EEG est la résultante de la sommation des potentiels d’action post-synaptiques synchrones issus d’un grand nombre de Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 34 Neurotoxicité neurones. Examen EEG On enregistre un électroencéphalogramme standard chez un patient éveillé, en position allongée, détendu. On peut alors étudier l’influence de l’ouverture des yeux par rapport aux yeux fermés, de périodes d’hyperpnée, de la stimulation lumineuse intermittente. Sur un tracé EEG, il est possible d’identifier des activités électriques cérébrales rythmiques. Ces rythmes cérébraux et permettent de caractériser des états pathologiques en neurologie clinique. Phénomènes visibles en EEG On observe 5 phénomènes: le rythme alpha qui est fait d’ondes régulières de fréquence comprise entre 8 et 12 HZ et d’amplitude comprise entre 25 et 100 µV. Ce rythme est trouvé surtout dans les régions occipitales et un peu dans les zones antérieures. Puis, on trouve des rythmes bêta ou dits rapides qui auront une fréquence de 13 à 30 Hz mais d’amplitude réduite (de 5 à 15 µV), dans les régions fronto-rolandiques. Et les trois paramètres modifiables: L’ouverture des yeux ne conserve que les rythmes rapides. L’hyperpnée est normalement peu active, mais, et surtout si elle est énergiquement exécutée, elle peut ralentir le tracé et faire apparaître des bouffées d’ondes lentes bilatérales à prédominance antérieure sans signification pathologique précise, notamment si elles sont symétriques. La stimulation lumineuse intermittente provoque sur les aires visuelles, occipitales, des réponses de même fréquence, avec parfois des rythmes harmoniques ou sous harmoniques. Analyse interprétative de l’EEG et principales indications en pratique Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 35 Neurotoxicité Une seconde du signal EEG Les résultats d’un EEG, s’ils sont interprétés indépendamment du contexte clinique et des autres examens demandés, n’ont pas de valeur diagnostique intrinsèque. En effet, un tracé normal ne permet pas d’exclure la possibilité d’une épilepsie non détectée. En ce qui concerne l’épilepsie les tracés électrœncéphalographistes mettent en évidence certaines figures graphiques tels que les pointes et les pointes ondes qui permettent de s’orienter vers un diagnostic d’épilepsie. L’EEG contribue aussi à apprécier le retentissement du traitement ou à mesurer les effets d’un réajustement thérapeutique. L’épilepsie constitue sans aucun doute la pathologie la mieux et la plus étudiée par électroencéphalographie. Mais d’autres affections du système nerveux central peuvent nécessiter un électroencéphalogramme comme moyen d’investigation. Outre l’épilepsie, l’EEG est indiqué dans : Le diagnostic d’un état de mort cérébrale (tracé nul) Les troubles de la conscience et de la vigilance (coma, confusion) Les troubles du sommeil Les encéphalites nécrosantes comme la méningo-encéphalite herpétique La maladie de Creutzfeldt Jakob Le suivi de l’enfant prématuré L’EEG permet de mesurer l’activité cérébrale avec une grande précision temporelle, milliseconde par milliseconde. Elle renseigne donc sur d’éventuelles altérations fonctionnelles dans la dynamique de l’activité neuroélectrique (ralentissement, activité EEG pathologique, organisation « critique » de l’activité…). Par contre, le potentiel électrique mesuré en EEG est très faible et très diffusé ce qui limite l’information spatiale fournit par l’examen EEG. Il est donc difficile de déterminer quelles Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 36 Neurotoxicité sont les structures cérébrales d’où provient le signal EEG qu’il soit normal ou pathologique. Par conséquent, l’EEG est souvent utilisé conjointement avec d’autres techniques d’imagerie cérébrale (TEP, scanner, IRM). D. Imagerie par raisonnance magnétique : L’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) est une technique d’imagerie médicale d’apparition récente (début des années 1980) permettant d’avoir une vue 2D ou 3D d’une partie du corps, notamment du cerveau. Elle est basée sur le principe de la résonance magnétique nucléaire (RMN). L’appareil IRM est parfois désigné sous le nom de scanner ce qui porte à confusion avec le CT-scan. A partir des années 1990, la technique d’IRM fonctionnelle qui permet de mesurer l’activité des différentes zones du cerveau a en effet permis des progrès importants dans l’étude des bases neurobiologiques de la pensée. Imagerie par raisonnance magnétique Détection par l’IMRf de l’activation des régions du cerveau impliquées dans la perception visuelle L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une application de l’imagerie par résonance magnétique à l’étude du fonctionnement du cerveau. Elle consiste à alterner des périodes d’activité (par exemple bouger les doigts de la main droite) avec des périodes de repos, tout en acquérant des images de l’intégralité du cerveau toutes les 1,5 à 6 Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 37 Neurotoxicité secondes (correspond à la résolution temporelle moyenne classiquement utilisée en recherche). La localisation des zones cérébrales activées est basée sur l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant), lié à l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang. L’hémoglobine se trouve sous deux formes : les globules rouges oxygénés par les poumons contiennent de l’oxyhémoglobine (molécule non active en RMN) ; les globules rouges désoxygénés par les tissus contiennent de la désoxyhémoglobine (paramagnétique (casseur d’aimant) donc visible en RMN). Dans les zones activées par la tâche, une petite augmentation de la consommation d’oxygène par les neurones est surcompensée par une large augmentation de flux sanguin. Il en résulte une diminution de la concentration de désoxyhémoglobine. Vu les propriétés paramagnétiques de cette dernière, le signal IRM (temps de relaxation T2* des noyaux d’hydrogène de l’eau) augmente légèrement pendant les périodes d’activation. De façon plus précise ce sont les différences de susceptibilité magnétique entre les différents milieux (intra- extravasculaires) qui entourent le noyau d’hydrogène (=proton) qui jouent un rôle important. En effet des différences de susceptibilité magnétique entre les différents milieux vont induire des variations locales de champ magnétique qui vont perturber le temps de relaxation T2* des noyaux d’hydrogène. Ainsi in vivo le milieu extravasculaire possède une faible susceptibilité magnétique, tout comme le sang oxygéné. C’est en revanche l’inverse pour le sang non oxygéné qui possède une forte susceptibilité magnétique. Ainsi, à la frontière entre les vaisseaux possédant du sang peu oxygéné (veinules) et le milieu extravasculaire il va y avoir une perturbation du champ magnétique qui va donc diminuer le temps de relaxation T2* des protons. Lors de l’effet BOLD, l’activation neuronale va augmenter la concentration en sang oxygéné dans les capillaires adjacents ce qui va donc augmenter le temps de relaxation T2* des protons autour des vaisseaux. Ce sont ces augmentations de signal qui sont donc mesurées en IRMf. Malheureusement, cette variation est très faible, et nécessite des méthodes statistiques puissantes pour être mise en évidence. Différences IRMf-TEP La tomographie par émission de positons, ou TEP, était considérée jusqu’il y a peu comme la technique de référence pour l’imagerie cérébrale fonctionnelle en neurosciences cognitives. Dans cette technique on injecte au patient un traceur radioactif, l’oxygène 15, qui, très Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 38 Neurotoxicité instable, va se transformer en libérant un positon, l’équivalent positif de l’électron. Ce positon va rencontrer l’électron d’un atome voisin. Ils vont s’annihiler l’un l’autre en libérant deux photons gamma qui partent dans des directions opposées. Un appareil de détection des photons gamma, appelé caméra à positon, est installée autour du crâne du patient. En faisant effectuer au patient pendant l’enregistrement une tache mouvement ou cognitive, la tomographie permet de visualiser les zones du cerveau activées par cette tache. TEP Invasive : injection d’un marqueur Type de technique radioactif par voie sanguine Faible résolution spatiale et Résolution temporelle Type Photons gamma Résolution spatiale 250 à 1000 mm³ Résolution temporelle 2 min Durée d’examen 120 min PET scan + cyclotron à proximité Instrumentation pour marquage radioactif de molécules problème des doses de Risque de répétitivité radioactivités injectées IRMf Non invasive : pas d’injection de produit radioactif Excellente résolution spatiale et temporelle Champ magnétique Ondes radio 15 à 60 mm³ 1,5 à 6 s 20 à 60 min IRM avec séquence d’acquisition ultra rapide EPI pas de problème connu 4) Examens biochimiques : Le système nerveux dépend presque entièrement du glucose comme source d’énergie. Les systèmes enzymatiques qui métabolisent le glucose étant souvent la cible des toxiques, leurs activités mérite d’être rechercher, ainsi que celle des systèmes impliqués dans le transport ionique, vitaux pour la conduction de l’influx nerveux. La composition chimique des différentes structures subcellulaires et de la gaine de myéline est aussi une source d’examens intéressants. La migration de matériel radio marqué longitudinalement et transversalement aux axones est aussi une procédure utile. Les concentrations des neurotransmetteurs à des sites spécifiques du système nerveux et l’étude de la liaison des neurotransmetteurs aux récepteurs en utilisant des agonistes et des antagonistes sont d’autres aspects intéressants. 5) Utilisation de biomarqueurs cérébraux : L’évaluation de la neurotoxicité s’est basée pendant longtemps sur la capacité d’un toxique Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 39 Neurotoxicité d’induire une atteinte fonctionnelle ou lésionnelle. Lors d’une atteinte fonctionnelle, il était communément admis que toutes les perturbations induites par le neurotoxique régressaient en même temps que disparaissait le xénobiotique . En cas de lésion, les capacités de « réparation » cellulaire, voire de régénérescence, étaient considérées comme rarement possibles, voire impossibles. Les données apportées par les biomarqueurs cérébraux au cours d’expériences neurotoxiques montrent que la frontière entre atteinte fonctionnelle et lésionnelle est moins précise qu’on ne l’affirmait dans le passé. Outre la dose du toxique, le critère chronologique est particulièrement important pour discuter d’une neurotoxicité éventuelle : adaptation, plasticité neuronale, accumulation d’un xénobiotique dans certaines cellules cibles, cumul d’une neurotoxicité avec des facteurs physiologiques comme le vieillissement. Une discordance entre altérations biologiques et absence de perturbation clinique manifeste est fréquente ; il sera donc important de déterminer l’intérêt et les limites de ces biomarqueurs pour un diagnostic et un pronostic de neurotoxicité. Ces biomarqueurs pourront-ils préciser la part respective du toxique, des facteurs individuels du patient exposé et des facteurs environnementaux dans la survenue d’atteintes du système nerveux ? A partir d’exemples de toxicité aiguë et chronique du système nerveux, des atteintes secondaires liées aux amphétamines, mais aussi du risque toxique potentiel « d’impuretés », comme le MPTP*1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine , l’apport et les limites des biomarqueurs seront mis en évidence. Ces biomarqueurs sont-ils réellement performants pour préciser l’existence ou non d’une “épée de Damoclès” (séquelle neurotoxique pouvant se révéler à long terme) chez des personnes intoxiquées ? 6) Culture de cellules nerveuses : Les cultures du cerveau fœtal, de la moelle épinière et des racines dorsales peuvent être isolées mécaniquement ou enzymatiquement et cultivées dans un milieu de culture approprié. Les cellules croissent, se différentient dans le milieu, et peuvent être soumises à des examens éléctrophysiologiques, morphologiques et biochimiques pour évaluer l’effet toxique. Analytical Toxicology - Neurotoxicité | 40
