Nanotechnologies

Quels risques sanitaires et environnementaux ?

par Roland Masse et Claude Boudène - SPS n°301, juillet 2012

Ce texte est une adaptation pour Science et pseudo-sciences d’un texte présenté aux « Mardis de l’Académie de médecine » le 13 décembre 2011, sous le titre « Les nanoparticules constituent-elles une nouvelle classe de toxiques environnementaux ? ».

Certaines propriétés toxiques incitent le législateur à identifier et étiqueter les nanoparticules de manière spécifique. Cette approche répond à l’esprit du règlement REACH1 qui ambitionne de n’offrir au consommateur que des produits connus pour l’absence de risques qu’ils entraînent pour la santé de l’homme et la préservation de l’environnement. Cette ambition doit cependant tenir compte d’un contingent environnemental majoritaire de nanoparticules naturelles ; elle doit également prendre en compte que dans tout mélange de particules, on ne peut exclure la présence d’une fraction de taille nanométrique, du fait des lois de distribution statistique. Par ailleurs, si certaines propriétés toxiques conduisant à un stress oxydant sont communes aux nanoparticules, ces propriétés ne sont pas uniquement dues à la taille des particules, mais aussi à leur forme, à leur état de surface et à leur composition.

Il paraît donc souhaitable de traiter le problème de la toxicité des nanoparticules de manière spécifique à chaque substance ou groupe de substances, en introduisant dans leur évaluation d’impact une clause particulière, dans le cas de la préparation intentionnelle de ces substances à l’état nanoparticulaire (par opposition aux nanoparticules déjà présentes dans notre environnement). Les nanotubes de carbone représentent une classe de toxicité spécifique, proche de celle de l’amiante et méritent une attention particulière. Certaines nanoparticules non fibreuses, capables d’altérer la barrière hémato-encéphalique, doivent susciter la vigilance des autorités sanitaires. Les modalités de concentration/dilution et la durabilité des nanoparticules dans le milieu, notamment dans les eaux et les boues résiduaires, mises en évidence dans le cas de l’argent et de l’oxyde de titane, suggèrent que le comportement des nanoparticules dans l’environnement doit être spécifiquement surveillé.

Vers une réglementation des nanoparticules

Les études montrent qu’au dessous d’une dimension de 100 nm des particules réputées peu toxiques, comme l’oxyde de zinc (très utilisé en cosmé- tologie), peuvent acquérir un potentiel toxique différent de celui des particules micrométriques [10]. L’essor des nanotechnologies depuis les années 1980 a permis de donner de nouvelles fonctions à différents nano-objets, et l’industrie a rapidement utilisé la matière à l’état de quelques groupes d’atomes ou de molécules, de taille inférieure à 100 nm, pour les besoins aussi divers que ceux de la cosmétologie, de la pharmacie et des biocides, de la peinture, des textiles, des matériaux, des catalyseurs ou de l’électronique, pour ne citer que les usages les plus courants. Rapidement, les nanoparticules ont ainsi envahi notre environnement quotidien : dans une revue récente [13], il est considéré qu’elles sont désormais présentes dans plus de 800 produits de consommation courante. Cette révolution industrielle s’est faite de manière relativement silencieuse jusque dans les années 2000, où l’opinion a commencé à s’inquiéter des conséquences socié- tales de cette introduction furtive.

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Nanorobot s’attachant à un globule rouge pour injecter un médicament. Vue d’artiste.

Les nanotechnologies apparaissent mystérieuses et potentiellement porteuses de dangers incontrôlés : la présence des nanoparticules est indétectable, l’utilisation de nano-objets permet d’obtenir des renseignements divers sans attirer l’attention, et des propriétés attribuées à des nanorobots par des auteurs de science fiction ont laissé se développer le fantasme de la « grey goo2 », hypothèse eschatologique d’une fin du monde par écophagie, où toute l’énergie de la planète finit par se consumer en l’état de gelée grise !

Parallèlement, la présence de particules ultrafines dans l’air de nos cités, pollué par différentes sources, provenant de divers combustibles utilisés par l’industrie, le déplacement routier et le chauffage, fait l’objet d’une attention continue depuis plus de 20 ans, au point qu’il ne subsiste guère de doute sur les conséquences sanitaires graves de ces particules, aux niveaux de concentrations où elles se trouvent actuellement, en termes de pathologies bronchiques, broncho-pulmonaires et cardio-vasculaires [10].

Bien qu’il n’existe aucune étude épidémiologique attestant de l’impact sanitaire des nanoparticules manufacturées, leurs propriétés particulières dans le milieu biologique peuvent laisser envisager un risque spécifique propre à l’état nanoparticulaire, risque qui semble déjà fort probable pour les nanotubes de carbone, aux propriétés toxiques assez proches de celles des fibres d’amiante (voir Analogies nanotubes de carbone et amiante : les inquiétudes sont-elles justifiées ?). Ces problèmes, abordés avec passion dans le débat organisé en 2009 par la Commission nationale du débat public, ont laissé l’impression d’un vide réglementaire. Pour y remédier, un projet législatif a été soumis à consultation en décembre 2010 par le Ministère de l’écologie, du développement durable, des transports et du logement, et a conduit à une loi publiée au journal officiel en février 2012.

Pourquoi une réglementation spécifique ?

La nécessité d’une réglementation spécifique aux nanoparticules tient essentiellement à l’incertitude existant sur les éventuels effets toxiques, et au fait que, si elles constituent des toxiques spécifiques en raison de leur structure, par analogie avec les substances fibreuses par exemple, sans importance déterminante de leur constitution chimique, la procédure REACH, ne s’applique pas. En effet, cette procédure, dont le principe directeur en matière de risque toxique est « no data no market », ne permet de réglementer des produits qu’en fonction de leur composition chimique.

En outre, dans REACH, comme le seuil imposant une obligation de déclaration de la part des industriels est au niveau de la tonne, la possibilité d’appliquer cette règle à des substances dont la masse est infime peut se révéler insatisfaisante.

D’où proviennent les nanoparticules de notre environnement ?

La première source est naturelle, et elle est abondante [4] : 90 % des nanoparticules présentes dans l’atmosphère sont dues à l’érosion éolienne (16,8 millions de tonnes) et aux poussières volcaniques, aux sels marins (3,6 millions de tonnes), aux produits de combustion de la biomasse (1,8 million de tonnes), auxquelles s’ajoutent (10 %) les nanoparticules qui se forment spontanément dans les fumées, en relation avec l’activité industrielle et domestique (1,4 million de tonnes), et aux débris biologiques (évalués à 0, 5 million de tonnes).

Si l’on ajoute à cet inventaire sommaire les virus, il est clair que les nanoparticules ne sont pas une nouveauté dans notre environnement. Leur création manufacturée intentionnelle peut elle-même être remontée jusqu’à l’Antiquité pour certains fards, et pour la coloration des verres par l’or colloïdal, sans doute à l’époque romaine. Cette utilisation est attestée au Moyen Âge (pourpre de Cassius) pour la coloration différentielle des vitraux3.

Néanmoins l’explosion des nanotechnologies ne remonte guère en deçà des années 1980, au moment où a été découvert le microscope à effet tunnel et où on a mis en œuvre la synthèse, atome par atome, de nouveaux matériaux et objets dont l’une des dimensions est nanométrique. À ce niveau, les lois de la mécanique quantique deviennent prédominantes et permettent des assemblages atomiques impossibles à réaliser à l’échelle de la chimie physique conventionnelle. Compte tenu de leur intérêt industriel, certaines productions atteignent annuellement des volumes déjà considérables en France en 2008[1] (voir encadré).

La production annuelle de nanoparticules en France

485.000 tonnes de silice utilisées dans l’alimentation animale, les pneumatiques, les parfums, les ciments, les peintures et vernis ;

469.000 tonnes d’alumine utilisées dans la plasturgie, les peintures et vernis, les céramiques et isolants, et les composants électroniques ;

250.000 tonnes de dioxyde de titane utilisées dans les pigments, les parfums et cosmétiques, les ciments, les verres et revêtements muraux, les équipements automobiles et aéronautiques, la dépollution de l’eau ;

240.000 tonnes de carbone, utilisées soit comme nanotubes dans les matières plastiques et matériaux, les pneumatiques, les accumulateurs, ou sous forme de noir de carbone utilisé dans la production chimique, les pneumatiques et caoutchoucs, les accumulateurs.

D’autres produits, à une échelle plus réduite, interrogent en raison de leur toxicité mal connue. C’est le cas des terres rares et des catalyseurs (platine, rhodium, palladium) utilisés dans les pots d’échappement, ou de l’argent ubiquitaire (quelques centaines de tonnes en Europe. 235 produits de consommation courante en contiennent, des chaussettes et linge de corps aux brosses à cheveux, emballages et suppléments alimentaires, machines à laver, produits antiseptiques divers, ou encore l’oxyde de zinc, utilisé dans les peintures et cosmétiques comme pigment, dans les semi-conducteurs et comme antiseptique).

En France, près de 7000 salariés sont exposés aux risques des nanoparticules, au cours soit de leur fabrication, soit de leur utilisation.

Quels mécanismes toxiques ?

Les nanotubes de carbone constituent une classe particulière en ce qu’ils ont un comportement déterminé par leur forme élémentaire qui les rapprochent des fibres d’amiante pour leur potentiel inflammatoire, et leur capacité à produire des mésothéliomes (cancer de la plèvre et du péritoine caractéristique de l’amiante) par injection intrapéritonéale chez des souris déficientes pour le gène p53, un gène important contrôlant le développement des cancers [16].

La toxicité spécifique des nanoparticules non tubulaires tient à la possibilité qu’ont les particules ultrafines de pénétrer les tissus de revêtement qu’on appelle épithéliums (de la peau, du poumon de l’intestin...), de diffuser globalement dans l’organisme et d’atteindre des cibles que ne permettraient ni la phase soluble de la même substance, ni sa phase particulaire dans la gamme de tailles du micromètre. Cette faculté est d’ailleurs utilisée pour la vectorisation de médicaments (administration privilégiée des médicaments à la cellule malade, sans les cellules saines) dont les principes actifs sont greffés en surface de nanoparticules. Toutefois, la possibilité de passer les épithéliums est très variable selon les nanoparticules et selon la voie d’entrée (la voie pulmonaire étant la plus perméable) [1,15].

Il reste que le transfert, généralement faible, des nanoparticules les plus fines (2nm) au travers des alvéoles pulmonaires vers l’interstitium puis leur stockage dans les reins, les testicules, le thymus et le cerveau sont établis [1], de même que le passage transplacentaire des nanoparticules d’oxyde de titane vers les nerfs et le cerveau du fœtus, dans des conditions massives d’exposition de la mère [17].

La faible taille des nanoparticules n’est pas favorable à leur phagocytose4. Les nanoparticules peuvent ainsi pénétrer dans tout type de cellule où elles sont à l’origine d’une cascade d’événements aboutissant à la libération de radicaux oxydants. C’est le stress oxydatif qui est le phénomène le plus constant associé à leurs effets toxiques [5]. Ce stress oxydatif peut aboutir, avec certaines particules, à une lésion de l’ADN, on parle alors de « génotoxicité » des nanoparticules [2,5,13 par exemple].

Dans le cerveau, qui peut être atteint soit par les cellules nerveuses de la muqueuse nasale (transport axonal), soit après passage dans le sang (transfert systémique), la toxicité est différente selon la voie empruntée [3]. Le transfert systémique est associé à une détérioration de la perméabilité membranaire et à une diminution de l’aptitude à la détoxication des substances étrangères, alors que la voie axonale le paraît beaucoup moins.

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Ces résultats ne peuvent cependant pas être étendus à l’ensemble des nano-particules et dépendent beaucoup du test choisi [1]. En particulier, les nanoparticules de TiO2 et de fullerènes n’ont d’effets génotoxiques que pour des concentrations très élevées, peu pertinentes pour la prédiction de risque en milieu environnemental.

Plus généralement, il est difficile de distinguer le potentiel toxique spécifique à chaque type de particule, de très nombreux paramètres sont impliqués et les résultats expérimentaux concernant les produits manufacturés sont contradictoires. Cette situation semble résulter d’une définition incomplète des paramètres dans les modèles expérimentaux. Une revue de 965 données expérimentales [8] montre que les paramètres de forme, de surface spécifique, de charge et de réactivité de surface, rarement pris en compte, peuvent expliquer les divergences.

Par ailleurs, si l’on dispose de nombreuses données in vitro, on ne dispose que de peu de données in vivo sur les possibilités de passage systémique. Par la voie cutanée, par exemple, si le passage des particules est bloqué sur une peau saine dans le stratum corneum, le transfert systémique est avéré sur des peaux lésées dans le cas du nano-argent [11]. Les données relatives au passage par la voie digestive sont également rares, mais le passage systémique des nanoparticules d’argent est également avéré [9]. De nombreux travaux antérieurs ont d’ailleurs montré la possibilité de pénétration de particules de la taille du micron au niveau de l’intestin, en particulier au niveau des formations lymphoïdes associées.

Certaines menaces sur la biodiversité

La plupart des nanoparticules manufacturées sont enrobées de substances diverses qui en modifient la réactivité de surface et leur confèrent des propriétés de durabilité et d’affinité pour diverses structures biologiques membranaires. Le problème émerge de leur bio-persistance et de leur accumulation dans le milieu qui en résulte, notamment dans les boues résiduaires et les sédiments des estuaires. Le lessivage des murs enduits aboutit à l’accumulation de nanoparticules de titane, également d’argent, dont les sources sont multiples en raison de sa faible stabilité dans les textiles ; l’usure des pneumatiques entraîne des nanoparticules de noir de carbone dans les eaux de pluie ; finalement ces éléments vont se retrouver dans la biosphère et provoquer chez certaines espèces des phénomènes de bioaccumulation et de toxicité. Des modifications significatives de la biodiversité affectant les populations d’algues et de champignons peuvent en résulter [14].

En 2010, le nano-argent a été classé parmi les 15 substances les plus préoccupantes du point de vue de la biodiversité dans les eaux, altérant la photosynthèse chez les algues et perturbant la dénitrification des nappes [18] ; il est également à l’origine de résistances multiples chez diverses bactéries pathogènes [6]. Par ailleurs, la dispersion des nanoparticules dans le milieu aboutira à une contamination de la chaîne alimentaire qui devra être surveillée.

Conclusion

Les nanoparticules constituent un problème toxicologique émergent indiscutable, et il est tout à fait légitime que le législateur s’en préoccupe. C’est aussi un problème complexe, qui peut difficilement être abordé dans le cadre d’une approche générique. Si l’effet toxique n’était lié qu’au paramètre de taille dans la gamme de quelques nanomètres à 100 nm, il faudrait prévoir de réglementer les nanoparticules naturelles et celles qui vont être produites dans toute entreprise de production de poudres, ce qui paraît peu judicieux.

En revanche, soumettre à déclaration et contrôle l’introduction et l’utilisation intentionnelles de nanoparticules dans un produit de consommation courante paraît indispensable. La procédure REACH l’impose et tout nouveau texte législatif devra assurer sa compatibilité avec cette réglementation européenne. Aux États-Unis la réglementation en place est particulièrement complexe [5] et l’EPA, plutôt que de traiter les nanoparticules comme des substances nouvelles, pourrait, à partir de règles spécifiques d’usage (Significant New Use Rules), obtenir des manufacturiers et des distributeurs l’obligation de déclaration et de contrôle qu’elle préconise, ce qu’elle a déjà fait pour les nanotubes de carbone en 2009.

Références
[1] Afsset Nanomatériaux et sécurité au travail 2008, 152 pages.
[2] Asharani P., LowKahMun G., Handel M., Valiyaveettil S., "Cytotoxicity and genotoxicity of silver nanoparticles in human cells". ACS nano, 2009, 3, 279-290.
[3] Brun E, Carrière M, Mabondzo A. "In vitro evidence of blood brain barrier fuction after acute and repeated long term exposure to TiO2 nanoparticles". Biomaterials, 2012, 33, 886-896.
[4] Buzea C., Pacheco H, Robie K. "Nanomaterials and nanoparticles : sources and toxicity". Biointerphases, 2007, 2 (4), MR 17-21.
[5] Donaldson, K. & Stone, V. 2007 "Toxicological properties of nanoparticles and nanotubes. Issues in environmental science and technology". Nanotechnology 24, 81-96.
[6] Faunce T, Wata A. "Nanosilver and global public health : international regulatory issues". Nanomedicine, 2010, 5, 617-632.
[7] Gangwal S, Brown J, Wang A et al. "Informing selection of nanomaterial concentrations for ToxCast in vitro testing based on occupational exposure potential". Environ Health Perspect 2011, 119, 1539-1546.
[8] Hansen, S. F. ; Larsen, B. H. ; Olsen, S. I. ; Baun, A. "Categorization framework to aid hazard identification of nanomaterials" Toxicology, 2007, 1, 243-250.
[9] Kim YS et al. "Subchronic oral toxicity of silver nanoparticles". Particle and Fibre Toxicology 2010, 7 :20.
[10] Laden F, Schwartz J, Speizer FE, Dockery DW. "Reduction in fine particate air pollution and mortality : Extended follow-up of the Harvard Six Cities study". Am J Respir Crit Care Med. 2006 Mar 15 ;173(6) :667-72.
[11] Larese FF et al. "Human skin penetration of silver nanoparticles through intact and damaged skin". Toxicology, 2009, 255, 33-37.
[12] Moos Philips J, Chung K, Woessner J et al. "ZnO Particulate Matter Requires Cell Contact for Toxicity inHuman Colon Cancer Cells". Chem. Res. Toxicol. 2010, 23, 733-739.
[13] Mroz, R. M., Schins, R. P., Drost, E. M. et al. "Nanoparticle carbon black driven DNA damage induces growth arrest and AP-1 and NFkB DNA binding in lung human epithelial A549 cell line". J Physiol Pharmacol 2007, 58 sup5, 461-470.
[14] Navarro E, Baun A, Behra R et al. « Experimental behavior and ecotoxicity of engineered nanoparticles in algae plants and fungi". Ecotoxicology, 2008, 17, 372- 386.
[15] Seaton A, Tran L, Aitken R et Donaldson K. Nanoparticles, human health hazard and regulation, J R Soc Interface, 2010, 7, S119-S129.
[16] Tagagi A, Hirose A, Nishimura T, Fukumori N, Ogata A, Ohashi N, "Induction of mesothelioma in p53+/- mouse by intraperitoneal application of multiwall carbon nano tube". J Toxicol Sci 2008, 33, 105-116.
[17] Takeda, K., Suzuki, K., Ishihara, A., Kubo-Irie, M., Fujimoto, R., Tabata, M., Oshio, S., Nihei, Y., Ihara, T. and Sugamata, M., "Nanoparticles transferred from pregnant mice to their offspring can damage the genital and cranial nerve systems", J Health Sci,2008, 55, 95- 102.
[18] Throback IN, Johansson M, Rosenquist M et al. "Silver reduces denitrification and induces enrichment of novel nirK genotypes in soil". FEMS Microbiol Lett 2007, 270, 189-194.

1 REACH est le règlement sur l’enregistrement, l’évaluation, l’autorisation et les restrictions des substances chimiques au niveau européen. Il est entré en vigueur le 1er juin 2007.

2 Eric Drexler, Engines of Creation : The Coming Era of Nanotechnology (1987).

3 En effet, le pic d’absorption lumineuse varie en fonction de la taille de l’or colloïdal, du jaune au rouge vif, et les particules non sphériques, en bâtonnets, dites anisotropes ont un pic d’absorption à la fois transverse et longitudinal. Diverses préparations empiriques, au secret jalousement gardé, permettaient de réaliser ces effets colorés.

4 Mécanisme qui permet à certaines cellules spécialisées l’ingestion de particules étrangères.

Mis en ligne le 21 février 2013
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