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Mécanismes de toxicité

Dimanche, Janvier 16 2011 16: 18

Introduction et notions

La toxicologie mécaniste est l'étude de la façon dont les agents chimiques ou physiques interagissent avec les organismes vivants pour provoquer une toxicité. La connaissance du mécanisme de toxicité d'une substance améliore la capacité à prévenir la toxicité et à concevoir des produits chimiques plus souhaitables ; elle constitue la base de la thérapie en cas de surexposition et permet souvent une meilleure compréhension des processus biologiques fondamentaux. Aux fins de ce Encyclopédie l'accent sera mis sur les animaux pour prédire la toxicité humaine. Les différents domaines de la toxicologie comprennent la toxicologie mécaniste, descriptive, réglementaire, médico-légale et environnementale (Klaassen, Amdur et Doull 1991). Tous ces éléments bénéficient de la compréhension des mécanismes fondamentaux de la toxicité.

Pourquoi comprendre les mécanismes de toxicité ?

Comprendre le mécanisme par lequel une substance provoque une toxicité améliore différents domaines de la toxicologie de différentes manières. La compréhension mécaniste aide le régulateur gouvernemental à établir des limites de sécurité juridiquement contraignantes pour l'exposition humaine. Il aide les toxicologues à recommander des plans d'action concernant le nettoyage ou l'assainissement des sites contaminés et, avec les propriétés physiques et chimiques de la substance ou du mélange, peut être utilisé pour sélectionner le degré d'équipement de protection requis. Les connaissances mécanistes sont également utiles pour former la base de la thérapie et de la conception de nouveaux médicaments pour le traitement des maladies humaines. Pour le toxicologue médico-légal, le mécanisme de la toxicité donne souvent un aperçu de la façon dont un agent chimique ou physique peut causer la mort ou une incapacité.

Si le mécanisme de la toxicité est compris, la toxicologie descriptive devient utile pour prédire les effets toxiques des produits chimiques apparentés. Il est important de comprendre, cependant, qu'un manque d'informations mécanistes ne dissuade pas les professionnels de la santé de protéger la santé humaine. Des décisions prudentes basées sur des études animales et l'expérience humaine sont utilisées pour établir des niveaux d'exposition sûrs. Traditionnellement, une marge de sécurité était établie en utilisant le « niveau sans effet nocif » ou le « niveau le plus faible avec effet nocif » provenant d'études sur des animaux (en utilisant des modèles d'exposition répétée) et en divisant ce niveau par un facteur de 100 pour l'exposition professionnelle ou de 1,000 XNUMX pour l'exposition professionnelle. autre exposition environnementale humaine. Le succès de ce processus est évident d'après les quelques incidents d'effets néfastes sur la santé attribués à l'exposition chimique chez les travailleurs pour lesquels des limites d'exposition appropriées avaient été fixées et respectées dans le passé. De plus, la durée de vie humaine continue d'augmenter, tout comme la qualité de vie. Dans l'ensemble, l'utilisation des données de toxicité a conduit à un contrôle réglementaire et volontaire efficace. Une connaissance détaillée des mécanismes toxiques améliorera la prévisibilité des nouveaux modèles de risque en cours d'élaboration et se traduira par une amélioration continue.

La compréhension des mécanismes environnementaux est complexe et suppose une connaissance des perturbations et de l'homéostasie (équilibre) des écosystèmes. Bien que cela ne soit pas abordé dans cet article, une meilleure compréhension des mécanismes toxiques et de leurs conséquences ultimes dans un écosystème aiderait les scientifiques à prendre des décisions prudentes concernant la manipulation des déchets municipaux et industriels. La gestion des déchets est un domaine de recherche en plein essor et continuera d'être très importante à l'avenir.

Techniques d'étude des mécanismes de toxicité

La majorité des études mécanistes débutent par une étude toxicologique descriptive chez l'animal ou des observations cliniques chez l'homme. Idéalement, les études animales comprennent des observations comportementales et cliniques minutieuses, un examen biochimique minutieux des éléments du sang et de l'urine à la recherche de signes de fonctionnement indésirable des principaux systèmes biologiques de l'organisme, et une évaluation post-mortem de tous les systèmes d'organes par examen microscopique pour vérifier blessure (voir les directives d'essai de l'OCDE ; les directives de la CE sur l'évaluation des produits chimiques ; les règles d'essai de l'EPA des États-Unis ; la réglementation japonaise sur les produits chimiques). Ceci est analogue à un examen physique humain approfondi qui aurait lieu dans un hôpital sur une période de deux à trois jours, à l'exception de l'autopsie.

Comprendre les mécanismes de la toxicité est l'art et la science de l'observation, la créativité dans la sélection de techniques pour tester diverses hypothèses et l'intégration innovante des signes et des symptômes dans une relation causale. Les études mécanistes commencent par l'exposition, suivent la distribution temporelle et le devenir dans le corps (pharmacocinétique) et mesurent l'effet toxique résultant à un certain niveau du système et à un certain niveau de dose. Différentes substances peuvent agir à différents niveaux du système biologique en provoquant une toxicité.

Exposition

La voie d'exposition dans les études mécanistes est généralement la même que pour l'exposition humaine. La voie est importante parce qu'il peut y avoir des effets qui se produisent localement au site d'exposition en plus des effets systémiques après que le produit chimique a été absorbé dans le sang et distribué dans tout le corps. Un exemple simple mais convaincant d'un effet local serait l'irritation et la corrosion éventuelle de la peau suite à l'application de solutions acides ou alcalines fortes conçues pour nettoyer les surfaces dures. De même, une irritation et une mort cellulaire peuvent survenir dans les cellules tapissant le nez et/ou les poumons suite à une exposition à des vapeurs ou des gaz irritants tels que les oxydes d'azote ou l'ozone. (Les deux sont des constituants de la pollution de l'air, ou smog). Suite à l'absorption d'un produit chimique dans le sang par la peau, les poumons ou le tractus gastro-intestinal, la concentration dans tout organe ou tissu est contrôlée par de nombreux facteurs qui déterminent la pharmacocinétique du produit chimique dans le corps. Le corps a la capacité d'activer et de détoxifier divers produits chimiques, comme indiqué ci-dessous.

Rôle de la pharmacocinétique dans la toxicité

La pharmacocinétique décrit les relations temporelles pour l'absorption chimique, la distribution, le métabolisme (altérations biochimiques dans le corps) et l'élimination ou l'excrétion du corps. Par rapport aux mécanismes de toxicité, ces variables pharmacocinétiques peuvent être très importantes et, dans certains cas, déterminer si la toxicité se produira ou non. Par exemple, si un matériau n'est pas absorbé en quantité suffisante, la toxicité systémique (à l'intérieur du corps) ne se produira pas. À l'inverse, un produit chimique hautement réactif qui est détoxifié rapidement (en quelques secondes ou minutes) par des enzymes digestives ou hépatiques peut ne pas avoir le temps de provoquer une toxicité. Certaines substances et mélanges halogénés polycycliques ainsi que certains métaux comme le plomb n'entraîneraient pas de toxicité significative si l'excrétion était rapide; mais l'accumulation à des niveaux suffisamment élevés détermine leur toxicité puisque l'excrétion n'est pas rapide (parfois mesurée en années). Heureusement, la plupart des produits chimiques n'ont pas une rétention aussi longue dans le corps. L'accumulation d'un matériau inoffensif n'induirait toujours pas de toxicité. Le taux d'élimination du corps et de détoxication est souvent appelé la demi-vie du produit chimique, qui est le temps nécessaire pour que 50 % du produit chimique soit excrété ou transformé en une forme non toxique.

Cependant, si un produit chimique s'accumule dans une cellule ou un organe particulier, cela peut signaler une raison d'examiner plus avant sa toxicité potentielle dans cet organe. Plus récemment, des modèles mathématiques ont été développés pour extrapoler des variables pharmacocinétiques de l'animal à l'homme. Ces modèles pharmacocinétiques sont extrêmement utiles pour générer des hypothèses et tester si l'animal expérimental peut être une bonne représentation pour l'homme. De nombreux chapitres et textes ont été écrits sur ce sujet (Gehring et al. 1976 ; Reitz et al. 1987 ; Nolan et al. 1995). Un exemple simplifié d'un modèle physiologique est illustré à la figure 1.

Figure 1. Un modèle pharmacocinétique simplifié

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Différents niveaux et systèmes peuvent être affectés négativement

La toxicité peut être décrite à différents niveaux biologiques. La lésion peut être évaluée sur l'ensemble de la personne (ou de l'animal), du système organique, de la cellule ou de la molécule. Les systèmes organiques comprennent les systèmes immunitaire, respiratoire, cardiovasculaire, rénal, endocrinien, digestif, musculo-squelettique, sanguin, reproducteur et nerveux central. Certains organes clés comprennent le foie, les reins, les poumons, le cerveau, la peau, les yeux, le cœur, les testicules ou les ovaires et d'autres organes majeurs. Au niveau cellulaire/biochimique, les effets indésirables comprennent l'interférence avec la fonction normale des protéines, la fonction des récepteurs endocriniens, l'inhibition de l'énergie métabolique ou l'inhibition ou l'induction d'enzymes xénobiotiques (substances étrangères). Les effets indésirables au niveau moléculaire comprennent l'altération de la fonction normale de la transcription ADN-ARN, de la liaison spécifique aux récepteurs cytoplasmiques et nucléaires, et des gènes ou des produits géniques. En fin de compte, le dysfonctionnement d'un système d'organe majeur est probablement causé par une altération moléculaire dans une cellule cible particulière au sein de cet organe. Cependant, il n'est pas toujours possible de retracer un mécanisme jusqu'à une origine moléculaire de causalité, et ce n'est pas non plus nécessaire. L'intervention et la thérapie peuvent être conçues sans une compréhension complète de la cible moléculaire. Cependant, la connaissance du mécanisme spécifique de la toxicité augmente la valeur prédictive et la précision de l'extrapolation à d'autres produits chimiques. La figure 2 est une représentation schématique des différents niveaux où l'interférence des processus physiologiques normaux peut être détectée. Les flèches indiquent que les conséquences pour un individu peuvent être déterminées de haut en bas (exposition, pharmacocinétique à la toxicité du système/organe) ou de bas en haut (modification moléculaire, effet cellulaire/biochimique à la toxicité du système/organe).

Figure 2. Représentation des mécanismes de toxicité

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Exemples de mécanismes de toxicité

Les mécanismes de toxicité peuvent être simples ou très complexes. Souvent, il existe une différence entre le type de toxicité, le mécanisme de toxicité et le niveau d'effet, selon que les effets indésirables sont dus à une seule dose aiguë élevée (comme un empoisonnement accidentel) ou à une dose plus faible. exposition répétée (due à une exposition professionnelle ou environnementale). Classiquement, à des fins de test, une dose élevée unique aiguë est administrée par intubation directe dans l'estomac d'un rongeur ou par exposition à une atmosphère de gaz ou de vapeur pendant deux à quatre heures, selon ce qui ressemble le mieux à l'exposition humaine. Les animaux sont observés pendant une période de deux semaines après l'exposition, puis les principaux organes externes et internes sont examinés pour détecter les blessures. Les tests à doses répétées varient de quelques mois à plusieurs années. Pour les espèces de rongeurs, deux ans sont considérés comme une étude chronique (durée de vie) suffisante pour évaluer la toxicité et la cancérogénicité, tandis que pour les primates non humains, deux ans seraient considérés comme une étude subchronique (moins que la durée de vie) pour évaluer la toxicité à doses répétées. Après l'exposition, un examen complet de tous les tissus, organes et fluides est effectué pour déterminer tout effet indésirable.

Mécanismes de toxicité aiguë

Les exemples suivants sont spécifiques aux effets aigus à forte dose pouvant entraîner la mort ou une incapacité grave. Cependant, dans certains cas, l'intervention entraînera des effets transitoires et entièrement réversibles. La dose ou la gravité de l'exposition déterminera le résultat.

Asphyxiants simples. Le mécanisme de toxicité des gaz inertes et de certaines autres substances non réactives est le manque d'oxygène (anoxie). Ces produits chimiques, qui causent une privation d'oxygène au système nerveux central (SNC), sont appelés asphyxiants simples. Si une personne pénètre dans un espace clos contenant de l'azote sans suffisamment d'oxygène, un appauvrissement immédiat en oxygène se produit dans le cerveau et entraîne une perte de conscience et éventuellement la mort si la personne n'est pas rapidement évacuée. Dans les cas extrêmes (proche de zéro oxygène), l'inconscience peut survenir en quelques secondes. Le sauvetage dépend d'un déplacement rapide vers un environnement oxygéné. La survie avec des lésions cérébrales irréversibles peut survenir à la suite d'un sauvetage retardé, en raison de la mort des neurones, qui ne peuvent pas se régénérer.

Asphyxiants chimiques. Le monoxyde de carbone (CO) entre en compétition avec l'oxygène pour se lier à l'hémoglobine (dans les globules rouges) et prive donc les tissus d'oxygène pour le métabolisme énergétique ; la mort cellulaire peut en résulter. L'intervention comprend l'élimination de la source de CO et le traitement à l'oxygène. L'utilisation directe de l'oxygène est basée sur l'action toxique du CO. Un autre asphyxiant chimique puissant est le cyanure. L'ion cyanure interfère avec le métabolisme cellulaire et l'utilisation de l'oxygène pour l'énergie. Le traitement au nitrite de sodium provoque une modification de l'hémoglobine des globules rouges en méthémoglobine. La méthémoglobine a une plus grande affinité de liaison avec l'ion cyanure que la cible cellulaire du cyanure. Par conséquent, la méthémoglobine lie le cyanure et éloigne le cyanure des cellules cibles. Cela constitue la base du traitement antidote.

Dépresseurs du système nerveux central (SNC). La toxicité aiguë est caractérisée par la sédation ou l'inconscience pour un certain nombre de matériaux comme les solvants qui ne sont pas réactifs ou qui sont transformés en intermédiaires réactifs. On suppose que la sédation/anesthésie est due à une interaction du solvant avec les membranes des cellules du SNC, ce qui altère leur capacité à transmettre des signaux électriques et chimiques. Alors que la sédation peut sembler une forme légère de toxicité et a été à la base du développement des premiers anesthésiques, « la dose fait toujours le poison ». Si une dose suffisante est administrée par ingestion ou inhalation, l'animal peut mourir par arrêt respiratoire. Si la mort anesthésique ne se produit pas, ce type de toxicité est généralement facilement réversible lorsque le sujet est retiré de l'environnement ou que le produit chimique est redistribué ou éliminé du corps.

Effets sur la peau. Les effets indésirables sur la peau peuvent aller de l'irritation à la corrosion, selon la substance rencontrée. Les acides forts et les solutions alcalines sont incompatibles avec les tissus vivants et sont corrosifs, provoquant des brûlures chimiques et d'éventuelles cicatrices. La cicatrisation est due à la mort des cellules cutanées profondes du derme responsables de la régénération. Des concentrations plus faibles peuvent simplement provoquer une irritation de la première couche de peau.

Un autre mécanisme toxique spécifique de la peau est celui de la sensibilisation chimique. Par exemple, la sensibilisation se produit lorsque le 2,4-dinitrochlorobenzène se lie aux protéines naturelles de la peau et que le système immunitaire reconnaît le complexe lié aux protéines altérées comme un corps étranger. En réagissant à ce corps étranger, le système immunitaire active des cellules spéciales pour éliminer le corps étranger en libérant des médiateurs (cytokines) qui provoquent une éruption cutanée ou une dermatite (voir « Immunotoxicologie »). C'est la même réaction du système immunitaire lorsque l'exposition à l'herbe à puce se produit. La sensibilisation immunitaire est très spécifique au produit chimique particulier et nécessite au moins deux expositions avant qu'une réponse ne soit déclenchée. La première exposition sensibilise (prépare les cellules à reconnaître le produit chimique) et les expositions suivantes déclenchent la réponse du système immunitaire. Le retrait du contact et le traitement symptomatique avec des crèmes anti-inflammatoires contenant des stéroïdes sont généralement efficaces pour traiter les personnes sensibilisées. Dans les cas graves ou réfractaires, un immunosuppresseur à action systémique comme la prednisone est utilisé en conjonction avec un traitement topique.

Sensibilisation pulmonaire. Une réponse de sensibilisation immunitaire est provoquée par le diisocyanate de toluène (TDI), mais le site cible est les poumons. La surexposition au TDI chez les personnes sensibles provoque un œdème pulmonaire (accumulation de liquide), une constriction bronchique et une altération de la respiration. Il s'agit d'une affection grave qui nécessite de soustraire l'individu à des expositions ultérieures potentielles. Le traitement est avant tout symptomatique. La sensibilisation de la peau et des poumons suit une dose-réponse. Le dépassement du niveau fixé pour l'exposition professionnelle peut entraîner des effets indésirables.

Effets sur les yeux. Les lésions oculaires vont du rougissement de la couche externe (rougeur de la piscine) à la formation de cataracte de la cornée jusqu'aux lésions de l'iris (partie colorée de l'œil). Des tests d'irritation oculaire sont effectués lorsqu'on pense qu'aucune blessure grave ne se produira. De nombreux mécanismes à l'origine de la corrosion cutanée peuvent également provoquer des lésions oculaires. Les matériaux corrosifs pour la peau, comme les acides forts (pH inférieur à 2) et les alcalis (pH supérieur à 11.5), ne sont pas testés dans les yeux des animaux car la plupart provoqueront la corrosion et la cécité en raison d'un mécanisme similaire à celui qui provoque la corrosion cutanée . De plus, les agents tensioactifs tels que les détergents et les tensioactifs peuvent provoquer des lésions oculaires allant de l'irritation à la corrosion. Un groupe de matériaux qui nécessite de la prudence est celui des tensioactifs chargés positivement (cationiques), qui peuvent provoquer des brûlures, une opacité permanente de la cornée et une vascularisation (formation de vaisseaux sanguins). Un autre produit chimique, le dinitrophénol, a un effet spécifique de formation de cataracte. Cela semble être lié à la concentration de ce produit chimique dans l'œil, qui est un exemple de spécificité de distribution pharmacocinétique.

Bien que la liste ci-dessus soit loin d'être exhaustive, elle est conçue pour donner au lecteur une appréciation des divers mécanismes de toxicité aiguë.

Mécanismes de toxicité subchronique et chronique

Lorsqu'ils sont administrés en une seule dose élevée, certains produits chimiques n'ont pas le même mécanisme de toxicité que lorsqu'ils sont administrés à plusieurs reprises à une dose plus faible mais toujours toxique. Lorsqu'une seule dose élevée est administrée, il y a toujours la possibilité de dépasser la capacité de la personne à détoxifier ou à excréter le produit chimique, ce qui peut entraîner une réponse toxique différente de celle obtenue lorsque des doses répétitives plus faibles sont administrées. L'alcool est un bon exemple. De fortes doses d'alcool entraînent des effets primaires sur le système nerveux central, tandis que des doses répétées plus faibles entraînent des lésions hépatiques.

Inhibition de l'anticholinestérase. La plupart des pesticides organophosphorés, par exemple, ont peu de toxicité pour les mammifères jusqu'à ce qu'ils soient activés métaboliquement, principalement dans le foie. Le principal mécanisme d'action des organophosphorés est l'inhibition de l'acétylcholinestérase (AChE) dans le cerveau et le système nerveux périphérique. L'AChE est l'enzyme normale qui termine la stimulation du neurotransmetteur acétylcholine. Une légère inhibition de l'AChE sur une période prolongée n'a pas été associée à des effets indésirables. À des niveaux d'exposition élevés, l'incapacité à mettre fin à cette stimulation neuronale entraîne une surstimulation du système nerveux cholinergique. La surstimulation cholinergique entraîne finalement une foule de symptômes, y compris un arrêt respiratoire, suivi de la mort si elle n'est pas traitée. Le traitement principal est l'administration d'atropine, qui bloque les effets de l'acétylcholine, et l'administration de chlorure de pralidoxime, qui réactive l'AChE inhibée. Par conséquent, la cause et le traitement de la toxicité des organophosphates sont abordés en comprenant la base biochimique de la toxicité.

Activation métabolique. De nombreux produits chimiques, y compris le tétrachlorure de carbone, le chloroforme, l'acétylaminofluorène, les nitrosamines et le paraquat sont métaboliquement activés en radicaux libres ou autres intermédiaires réactifs qui inhibent et interfèrent avec la fonction cellulaire normale. À des niveaux d'exposition élevés, cela entraîne la mort cellulaire (voir « Lésion cellulaire et mort cellulaire »). Alors que les interactions spécifiques et les cibles cellulaires restent inconnues, les systèmes d'organes qui ont la capacité d'activer ces produits chimiques, comme le foie, les reins et les poumons, sont tous des cibles potentielles de blessures. En effet, des cellules particulières au sein d'un organe ont une capacité plus ou moins grande à activer ou détoxifier ces intermédiaires, et cette capacité détermine la susceptibilité intracellulaire au sein d'un organe. Le métabolisme est l'une des raisons pour lesquelles une compréhension de la pharmacocinétique, qui décrit ces types de transformations ainsi que la distribution et l'élimination de ces intermédiaires, est importante pour reconnaître le mécanisme d'action de ces produits chimiques.

Mécanismes du cancer. Le cancer est une multiplicité de maladies, et bien que la compréhension de certains types de cancer s'améliore rapidement grâce aux nombreuses techniques de biologie moléculaire qui ont été développées depuis 1980, il reste encore beaucoup à apprendre. Cependant, il est clair que le développement du cancer est un processus en plusieurs étapes et que les gènes critiques sont essentiels à différents types de cancer. Des altérations de l'ADN (mutations somatiques) d'un certain nombre de ces gènes critiques peuvent entraîner une susceptibilité accrue ou des lésions cancéreuses (voir « Toxicologie génétique »). L'exposition à des produits chimiques naturels (dans les aliments cuits comme le bœuf et le poisson) ou à des produits chimiques synthétiques (comme la benzidine, utilisée comme colorant) ou à des agents physiques (lumière ultraviolette du soleil, radon du sol, rayonnement gamma provenant de procédures médicales ou d'activités industrielles) sont tous contributeurs aux mutations génétiques somatiques. Cependant, il existe des substances naturelles et synthétiques (comme les antioxydants) et des processus de réparation de l'ADN qui protègent et maintiennent l'homéostasie. Il est clair que la génétique est un facteur important dans le cancer, puisque les syndromes de maladies génétiques telles que le xeroderma pigmentosum, où il y a un manque de réparation normale de l'ADN, augmentent considérablement la susceptibilité au cancer de la peau due à l'exposition à la lumière ultraviolette du soleil.

Mécanismes de reproduction. Comme dans le cas du cancer, de nombreux mécanismes de toxicité pour la reproduction et/ou le développement sont connus, mais il reste encore beaucoup à apprendre. On sait que certains virus (comme la rubéole), des infections bactériennes et des médicaments (comme la thalidomide et la vitamine A) nuiront au développement. Récemment, les travaux de Khera (1991), examinés par Carney (1994), montrent de bonnes preuves que les effets anormaux sur le développement dans les tests sur les animaux avec l'éthylène glycol sont attribuables aux métabolites acides métaboliques maternels. Cela se produit lorsque l'éthylène glycol est métabolisé en métabolites acides, notamment l'acide glycolique et l'acide oxalique. Les effets ultérieurs sur le placenta et le fœtus semblent être dus à ce processus de toxicité métabolique.

Conclusion

Le but de cet article est de donner une perspective sur plusieurs mécanismes connus de toxicité et la nécessité d'études futures. Il est important de comprendre que les connaissances mécanistes ne sont pas absolument nécessaires pour protéger la santé humaine ou environnementale. Cette connaissance améliorera la capacité du professionnel à mieux prévoir et gérer la toxicité. Les techniques réelles utilisées pour élucider un mécanisme particulier dépendent des connaissances collectives des scientifiques et de la pensée de ceux qui prennent les décisions concernant la santé humaine.

 

Noir

Dimanche, Janvier 16 2011 16: 29

Lésion cellulaire et mort cellulaire

Pratiquement toute la médecine est consacrée soit à prévenir la mort cellulaire, dans des maladies telles que l'infarctus du myocarde, les accidents vasculaires cérébraux, les traumatismes et les chocs, soit à la provoquer, comme dans le cas des maladies infectieuses et du cancer. Il est donc essentiel d'en comprendre la nature et les mécanismes impliqués. La mort cellulaire a été classée comme « accidentelle », c'est-à-dire causée par des agents toxiques, l'ischémie, etc., ou « programmée », comme cela se produit au cours du développement embryologique, y compris la formation des doigts et la résorption de la queue du têtard.

Les lésions cellulaires et la mort cellulaire sont donc importantes à la fois en physiologie et en physiopathologie. La mort cellulaire physiologique est extrêmement importante au cours de l'embryogenèse et du développement embryonnaire. L'étude de la mort cellulaire au cours du développement a conduit à des informations importantes et nouvelles sur la génétique moléculaire impliquée, notamment à travers l'étude du développement chez les animaux invertébrés. Chez ces animaux, la localisation précise et la signification des cellules destinées à subir la mort cellulaire ont été soigneusement étudiées et, grâce à l'utilisation des techniques classiques de mutagénèse, plusieurs gènes impliqués ont maintenant été identifiés. Dans les organes adultes, l'équilibre entre la mort cellulaire et la prolifération cellulaire contrôle la taille de l'organe. Dans certains organes, comme la peau et l'intestin, il y a un renouvellement continu des cellules. Dans la peau, par exemple, les cellules se différencient lorsqu'elles atteignent la surface, et subissent finalement une différenciation terminale et la mort cellulaire au fur et à mesure que la kératinisation se poursuit avec la formation d'enveloppes réticulées.

De nombreuses classes de produits chimiques toxiques sont capables d'induire des lésions cellulaires aiguës suivies de la mort. Ceux-ci comprennent l'anoxie et l'ischémie et leurs analogues chimiques tels que le cyanure de potassium ; les cancérigènes chimiques, qui forment des électrophiles qui se lient de manière covalente aux protéines des acides nucléiques ; des produits chimiques oxydants, entraînant la formation de radicaux libres et des lésions oxydantes ; activation du complément ; et une variété d'ionophores de calcium. La mort cellulaire est également une composante importante de la carcinogenèse chimique; de nombreux carcinogènes chimiques complets, à des doses cancérigènes, produisent une nécrose et une inflammation aiguës suivies d'une régénération et d'une prénéoplasie.

Définitions

Lésion cellulaire

Une lésion cellulaire est définie comme un événement ou un stimulus, tel qu'un produit chimique toxique, qui perturbe l'homéostasie normale de la cellule, provoquant ainsi un certain nombre d'événements (figure 1). Les principales cibles des lésions mortelles illustrées sont l'inhibition de la synthèse d'ATP, la perturbation de l'intégrité de la membrane plasmique ou le retrait des facteurs de croissance essentiels.

Figure 1. Lésion cellulaire

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Les blessures mortelles entraînent la mort d'une cellule après une période de temps variable, en fonction de la température, du type de cellule et du stimulus ; ou ils peuvent être sublétaux ou chroniques, c'est-à-dire que la lésion entraîne une altération de l'homéostasie qui, bien qu'anormale, n'entraîne pas la mort cellulaire (Trump et Arstila 1971 ; Trump et Berezesky 1992 ; Trump et Berezesky 1995 ; Trump, Berezesky et Osornio-Vargas 1981). Dans le cas d'une blessure mortelle, il y a une phase avant le moment de la mort cellulaire

pendant ce temps, la cellule récupérera; cependant, après un moment donné (le "point de non-retour" ou le point de mort cellulaire), l'élimination de la blessure n'entraîne pas de récupération, mais la cellule subit une dégradation et une hydrolyse, atteignant finalement un équilibre physico-chimique avec le environnement. C'est la phase dite de nécrose. Au cours de la phase prélétale, plusieurs types principaux de changements se produisent, selon la cellule et le type de blessure. Celles-ci sont connues sous le nom d'apoptose et d'oncose.

 

 

 

 

 

L'apoptose

L'apoptose est dérivé des mots grecs apo, c'est-à-dire loin de, et ptosis, signifiant tomber. Le terme s'éloigner de vient du fait que, lors de ce type de changement prélétal, les cellules se rétractent et subissent un important bourgeonnement en périphérie. Les bulles se détachent alors et flottent. L'apoptose se produit dans une variété de types de cellules suite à divers types de lésions toxiques (Wyllie, Kerr et Currie 1980). Il est particulièrement important dans les lymphocytes, où il est le mécanisme prédominant de renouvellement des clones de lymphocytes. Les fragments résultants donnent les corps basophiles observés dans les macrophages des ganglions lymphatiques. Dans d'autres organes, l'apoptose se produit typiquement dans des cellules individuelles qui sont rapidement éliminées avant et après la mort par phagocytose des fragments par des cellules parenchymateuses adjacentes ou par des macrophages. L'apoptose survenant dans des cellules individuelles avec phagocytose ultérieure n'entraîne généralement pas d'inflammation. Avant la mort, les cellules apoptotiques présentent un cytosol très dense avec des mitochondries normales ou condensées. Le réticulum endoplasmique (RE) est normal ou peu dilaté. La chromatine nucléaire est nettement agglutinée le long de l'enveloppe nucléaire et autour du nucléole. Le contour nucléaire est également irrégulier et une fragmentation nucléaire se produit. La condensation de la chromatine est associée à la fragmentation de l'ADN qui, dans de nombreux cas, se produit entre les nucléosomes, donnant un aspect caractéristique en échelle lors de l'électrophorèse.

En apoptose, augmentation de [Ca2+]i peut stimuler K+ efflux entraînant un rétrécissement cellulaire, ce qui nécessite probablement de l'ATP. Les blessures qui inhibent totalement la synthèse d'ATP sont donc plus susceptibles d'entraîner l'apoptose. Une augmentation soutenue de [Ca2+]i a un certain nombre d'effets délétères, y compris l'activation des protéases, des endonucléases et des phospholipases. L'activation de l'endonucléase entraîne des ruptures de brins d'ADN simples et doubles qui, à leur tour, stimulent des niveaux accrus de p53 et de ribosylation poly-ADP, et de protéines nucléaires essentielles à la réparation de l'ADN. L'activation des protéases modifie un certain nombre de substrats, y compris l'actine et les protéines apparentées, conduisant à la formation de bulles. Un autre substrat important est la poly(ADP-ribose) polymérase (PARP), qui inhibe la réparation de l'ADN. Augmentation de [Ca2+]i est également associée à l'activation d'un certain nombre de protéines kinases, telles que la MAP kinase, la calmoduline kinase et autres. Ces kinases sont impliquées dans l'activation des facteurs de transcription qui initient la transcription des gènes précoces immédiats, par exemple, c-fos, c-jun et c-myc, et dans l'activation de la phospholipase A2 ce qui se traduit par une perméabilisation de la membrane plasmique et des membranes intracellulaires telles que la membrane interne des mitochondries.

Oncose

Oncose, dérivé du mot grec Est-ce que s, gonfler, est ainsi nommé parce que dans ce type de changement prélétal, la cellule commence à gonfler presque immédiatement après la blessure (Majno et Joris 1995). La raison du gonflement est une augmentation des cations dans l'eau à l'intérieur de la cellule. Le principal cation responsable est le sodium, qui est normalement régulé pour maintenir le volume cellulaire. Cependant, en l'absence d'ATP ou si la Na-ATPase du plasmalemme est inhibée, le contrôle du volume est perdu à cause des protéines intracellulaires et le sodium dans l'eau continue d'augmenter. Parmi les événements précoces de l'oncose sont donc augmentés [Na+]i ce qui conduit à un gonflement cellulaire et à une augmentation de [Ca2+]i résultant soit de l'influx de l'espace extracellulaire, soit de la libération des réserves intracellulaires. Il en résulte un gonflement du cytosol, un gonflement du réticulum endoplasmique et de l'appareil de Golgi, et la formation de bulles aqueuses autour de la surface cellulaire. Les mitochondries subissent initialement une condensation, mais plus tard, elles présentent également un gonflement de grande amplitude en raison de dommages à la membrane mitochondriale interne. Dans ce type de changement prélétal, la chromatine subit une condensation et finalement une dégradation ; cependant, le modèle d'échelle caractéristique de l'apoptose n'est pas observé.

Nécrose

La nécrose fait référence à la série de changements qui se produisent après la mort cellulaire lorsque la cellule est convertie en débris qui sont généralement éliminés par la réponse inflammatoire. Deux types peuvent être distingués : la nécrose oncotique et la nécrose apoptotique. La nécrose oncotique survient généralement dans de grandes zones, par exemple, dans un infarctus du myocarde ou régionalement dans un organe après une toxicité chimique, comme le tubule rénal proximal après administration de HgCl2. De larges zones d'un organe sont atteintes et les cellules nécrotiques provoquent rapidement une réaction inflammatoire, d'abord aiguë puis chronique. En cas de survie de l'organisme, dans de nombreux organes, la nécrose est suivie d'une élimination des cellules mortes et d'une régénération, par exemple dans le foie ou les reins suite à une toxicité chimique. En revanche, la nécrose apoptotique se produit généralement sur une seule cellule et les débris nécrotiques se forment dans les phagocytes des macrophages ou des cellules parenchymateuses adjacentes. Les premières caractéristiques des cellules nécrotiques comprennent des interruptions dans la continuité de la membrane plasmique et l'apparition de densités floconneuses, représentant des protéines dénaturées au sein de la matrice mitochondriale. Dans certaines formes de lésions qui n'interfèrent pas initialement avec l'accumulation de calcium mitochondrial, des dépôts de phosphate de calcium peuvent être observés dans les mitochondries. D'autres systèmes membranaires se fragmentent de la même manière, tels que le RE, les lysosomes et l'appareil de Golgi. En fin de compte, la chromatine nucléaire subit une lyse, résultant de l'attaque par les hydrolases lysosomales. Après la mort cellulaire, les hydrolases lysosomales jouent un rôle important dans l'élimination des débris avec les cathepsines, les nucléolases et les lipases, car celles-ci ont un pH acide optimal et peuvent survivre au faible pH des cellules nécrotiques tandis que d'autres enzymes cellulaires sont dénaturées et inactivées.

Mécanismes

Stimulus initial

Dans le cas de lésions mortelles, les interactions initiales les plus courantes entraînant une lésion entraînant la mort cellulaire sont l'interférence avec le métabolisme énergétique, comme l'anoxie, l'ischémie ou les inhibiteurs de la respiration, et la glycolyse comme le cyanure de potassium, le monoxyde de carbone, l'iodo-acétate et bientôt. Comme mentionné ci-dessus, des doses élevées de composés qui inhibent le métabolisme énergétique entraînent généralement une oncose. L'autre type courant de lésion initiale entraînant une mort cellulaire aiguë est la modification de la fonction de la membrane plasmique (Trump et Arstila 1971 ; Trump, Berezesky et Osornio-Vargas 1981). Cela peut être soit des dommages directs et une perméabilisation, comme dans le cas d'un traumatisme ou de l'activation du complexe C5b-C9 du complément, des dommages mécaniques à la membrane cellulaire ou une inhibition du sodium-potassium (Na+-K+) pompe avec des glycosides tels que l'ouabaïne. Les ionophores calciques tels que l'ionomycine ou A23187, qui transportent rapidement [Ca2+] vers le bas du gradient dans la cellule, provoquent également des blessures mortelles aiguës. Dans certains cas, le schéma du changement prélétal est l'apoptose ; dans d'autres, c'est une oncose.

Voies de signalisation

Avec de nombreux types de lésions, la respiration mitochondriale et la phosphorylation oxydative sont rapidement affectées. Dans certaines cellules, cela stimule la glycolyse anaérobie, qui est capable de maintenir l'ATP, mais avec de nombreuses blessures, cela est inhibé. Le manque d'ATP entraîne une incapacité à dynamiser un certain nombre de processus homéostatiques importants, en particulier le contrôle de l'homéostasie des ions intracellulaires (Trump et Berezesky 1992 ; Trump, Berezesky et Osornio-Vargas 1981). Il en résulte une augmentation rapide de [Ca2+]i, et augmenté [Na+] et [Cl-] entraîne un gonflement des cellules. Augmentation de [Ca2+]i entraîner l'activation d'un certain nombre d'autres mécanismes de signalisation discutés ci-dessous, y compris une série de kinases, ce qui peut entraîner une augmentation immédiate de la transcription précoce des gènes. Augmentation de [Ca2+]i modifie également la fonction cytosquelettique, entraînant en partie la formation de bulles et l'activation des endonucléases, des protéases et des phospholipases. Ceux-ci semblent déclencher bon nombre des effets importants discutés ci-dessus, tels que les dommages à la membrane par l'activation de la protéase et de la lipase, la dégradation directe de l'ADN à partir de l'activation de l'endonucléase et l'activation de kinases telles que la MAP kinase et la calmoduline kinase, qui agissent comme facteurs de transcription.

Grâce à un travail approfondi sur le développement chez les invertébrés C. elegans et des Drosophila, ainsi que des cellules humaines et animales, une série de gènes pro-mort ont été identifiés. Certains de ces gènes d'invertébrés se sont avérés avoir des homologues de mammifères. Par exemple, le gène ced-3, essentiel à la mort cellulaire programmée chez C. elegans, a une activité protéase et une forte homologie avec l'enzyme de conversion de l'interleukine de mammifère (ICE). Un gène étroitement apparenté appelé apopain ou prICE a récemment été identifié avec une homologie encore plus étroite (Nicholson et al. 1995). Dans Drosophila, le gène reaper semble être impliqué dans un signal qui conduit à la mort cellulaire programmée. D'autres gènes pro-mort comprennent la protéine membranaire Fas et l'important gène suppresseur de tumeur, p53, qui est largement conservé. p53 est induit au niveau protéique suite à des dommages à l'ADN et, lorsqu'il est phosphorylé, agit comme un facteur de transcription pour d'autres gènes tels que gadd45 et waf-1, qui sont impliqués dans la signalisation de la mort cellulaire. D'autres gènes précoces immédiats tels que c-fos, c-jun et c-myc semblent également être impliqués dans certains systèmes.

En même temps, il existe des gènes anti-mort qui semblent contrecarrer les gènes pro-mort. Le premier d'entre eux à être identifié était ced-9 de C. elegans, qui est homologue à bcl-2 chez l'homme. Ces gènes agissent d'une manière encore inconnue pour empêcher la destruction des cellules par des toxines génétiques ou chimiques. Certaines preuves récentes indiquent que bcl-2 peut agir comme un antioxydant. Actuellement, de nombreux efforts sont en cours pour développer une compréhension des gènes impliqués et pour développer des moyens d'activer ou d'inhiber ces gènes, selon la situation.

 

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Dimanche, Janvier 16 2011 16: 34

Toxicologie génétique

La toxicologie génétique, par définition, est l'étude de la façon dont les agents chimiques ou physiques affectent le processus complexe de l'hérédité. Les produits chimiques génotoxiques sont définis comme des composés capables de modifier le matériel héréditaire des cellules vivantes. La probabilité qu'un produit chimique particulier cause des dommages génétiques dépend inévitablement de plusieurs variables, dont le niveau d'exposition de l'organisme au produit chimique, la distribution et la rétention du produit chimique une fois qu'il pénètre dans l'organisme, l'efficacité des systèmes d'activation métabolique et/ou de détoxification dans tissus cibles et la réactivité du produit chimique ou de ses métabolites avec les macromolécules critiques dans les cellules. La probabilité qu'un dommage génétique cause une maladie dépend en fin de compte de la nature du dommage, de la capacité de la cellule à réparer ou à amplifier le dommage génétique, de la possibilité d'exprimer toute altération induite et de la capacité de l'organisme à reconnaître et à supprimer la multiplication des cellules aberrantes.

Dans les organismes supérieurs, l'information héréditaire est organisée en chromosomes. Les chromosomes sont constitués de brins étroitement condensés d'ADN associé à des protéines. Au sein d'un même chromosome, chaque molécule d'ADN existe sous la forme d'une paire de longues chaînes non ramifiées de sous-unités nucléotidiques reliées entre elles par des liaisons phosphodiester qui relient le carbone 5 d'un fragment désoxyribose au carbone 3 du suivant (figure 1). De plus, l'une des quatre bases nucléotidiques différentes (adénine, cytosine, guanine ou thymine) est attachée à chaque sous-unité désoxyribose comme des perles sur une ficelle. En trois dimensions, chaque paire de brins d'ADN forme une double hélice avec toutes les bases orientées vers l'intérieur de la spirale. Au sein de l'hélice, chaque base est associée à sa base complémentaire sur le brin d'ADN opposé ; la liaison hydrogène dicte un appariement fort et non covalent de l'adénine avec la thymine et de la guanine avec la cytosine (figure 1). Étant donné que la séquence des bases nucléotidiques est complémentaire sur toute la longueur de la molécule d'ADN duplex, les deux brins portent essentiellement la même information génétique. En effet, lors de la réplication de l'ADN chaque brin sert de matrice pour la production d'un nouveau brin partenaire.

Figure 1. L'organisation (a) primaire, (b) secondaire et (c) tertiaire de l'information héréditaire humaine

TOX090F1À l'aide d'ARN et d'un ensemble de protéines différentes, la cellule déchiffre finalement les informations codées par la séquence linéaire de bases dans des régions spécifiques de l'ADN (gènes) et produit des protéines essentielles à la survie cellulaire de base ainsi qu'à la croissance et à la différenciation normales. Essentiellement, les nucléotides fonctionnent comme un alphabet biologique utilisé pour coder les acides aminés, les éléments constitutifs des protéines.

Lorsque des nucléotides incorrects sont insérés ou que des nucléotides sont perdus, ou lorsque des nucléotides inutiles sont ajoutés pendant la synthèse de l'ADN, l'erreur est appelée mutation. Il a été estimé que moins d'une mutation se produit pour 109 nucléotides incorporés lors de la réplication normale des cellules. Bien que les mutations ne soient pas nécessairement nocives, les altérations entraînant l'inactivation ou la surexpression de gènes importants peuvent entraîner divers troubles, notamment le cancer, des maladies héréditaires, des anomalies du développement, l'infertilité et la mort embryonnaire ou périnatale. Très rarement, une mutation peut entraîner une amélioration de la survie ; de tels événements sont à la base de la sélection naturelle.

Bien que certains produits chimiques réagissent directement avec l'ADN, la plupart nécessitent une activation métabolique. Dans ce dernier cas, les intermédiaires électrophiles tels que les époxydes ou les ions carbonium sont finalement responsables de l'induction de lésions sur une variété de sites nucléophiles au sein du matériel génétique (figure 2). Dans d'autres cas, la génotoxicité est médiée par des sous-produits de l'interaction du composé avec des lipides intracellulaires, des protéines ou de l'oxygène.

Figure 2. Bioactivation de : a) benzo(a)pyrène ; et b) N-nitrosodiméthylamine

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En raison de leur abondance relative dans les cellules, les protéines sont la cible la plus fréquente des interactions toxiques. Cependant, la modification de l'ADN est plus préoccupante en raison du rôle central de cette molécule dans la régulation de la croissance et de la différenciation à travers plusieurs générations de cellules.

Au niveau moléculaire, les composés électrophiles ont tendance à attaquer l'oxygène et l'azote dans l'ADN. Les sites les plus susceptibles d'être modifiés sont illustrés à la figure 3. Bien que les oxygènes au sein des groupes phosphate dans le squelette de l'ADN soient également des cibles de modification chimique, on pense que les dommages aux bases sont biologiquement plus pertinents puisque ces groupes sont considérés comme le principal vecteur d'information. éléments de la molécule d'ADN.

Figure 3. Sites primaires de dommages à l'ADN induits chimiquement

TOX090F3

Les composés qui contiennent une fraction électrophile exercent généralement une génotoxicité en produisant des mono-adduits dans l'ADN. De même, les composés qui contiennent deux fractions réactives ou plus peuvent réagir avec deux centres nucléophiles différents et produire ainsi des réticulations intra- ou inter-moléculaires dans le matériel génétique (figure 4). Les réticulations interbrin ADN-ADN et ADN-protéine peuvent être particulièrement cytotoxiques car elles peuvent former des blocs complets pour la réplication de l'ADN. Pour des raisons évidentes, la mort d'une cellule élimine la possibilité qu'elle soit mutée ou transformée de façon néoplasique. Les agents génotoxiques peuvent également agir en induisant des cassures dans le squelette phosphodiester, ou entre les bases et les sucres (produisant des sites abasiques) dans l'ADN. De telles cassures peuvent être le résultat direct de la réactivité chimique au niveau du site endommagé ou peuvent se produire pendant la réparation de l'un des types de lésions de l'ADN susmentionnés.

Figure 4. Différents types de dommages au complexe protéine-ADN

TOX090F4

Au cours des trente à quarante dernières années, diverses techniques ont été développées pour surveiller le type de dommages génétiques induits par divers produits chimiques. Ces tests sont décrits en détail ailleurs dans ce chapitre et Encyclopédie.

Une mauvaise réplication de « microlésions » telles que des mono-adduits, des sites abasiques ou des cassures simple brin peut finalement entraîner des substitutions de paires de bases de nucléotides, ou l'insertion ou la suppression de courts fragments de polynucléotides dans l'ADN chromosomique. En revanche, les «macrolésions», telles que les adduits volumineux, les réticulations ou les cassures double brin, peuvent déclencher le gain, la perte ou le réarrangement de morceaux de chromosomes relativement volumineux. Dans tous les cas, les conséquences peuvent être dévastatrices pour l'organisme puisque chacun de ces événements peut entraîner la mort cellulaire, la perte de fonction ou la transformation maligne des cellules. La manière exacte dont les dommages à l'ADN causent le cancer est en grande partie inconnue. On pense actuellement que le processus peut impliquer une activation inappropriée de proto-oncogènes tels que monc et des ras, et/ou l'inactivation de gènes suppresseurs de tumeurs récemment identifiés tels que p53. L'expression anormale de l'un ou l'autre type de gène abroge les mécanismes cellulaires normaux pour contrôler la prolifération et/ou la différenciation cellulaire.

La prépondérance des preuves expérimentales indique que le développement d'un cancer suite à une exposition à des composés électrophiles est un événement relativement rare. Cela peut s'expliquer, en partie, par la capacité intrinsèque de la cellule à reconnaître et à réparer l'ADN endommagé ou par l'incapacité des cellules dont l'ADN est endommagé à survivre. Pendant la réparation, la base endommagée, le nucléotide ou le court tronçon de nucléotides entourant le site endommagé est retiré et (en utilisant le brin opposé comme modèle) un nouveau morceau d'ADN est synthétisé et épissé en place. Pour être efficace, la réparation de l'ADN doit se produire avec une grande précision avant la division cellulaire, avant les opportunités de propagation de la mutation.

Des études cliniques ont montré que les personnes présentant des défauts héréditaires dans la capacité de réparer l'ADN endommagé développent fréquemment un cancer et/ou des anomalies du développement à un âge précoce (tableau 1). De tels exemples fournissent des preuves solides reliant l'accumulation de dommages à l'ADN à la maladie humaine. De même, les agents qui favorisent la prolifération cellulaire (tels que l'acétate de tétradécanoylphorbol) améliorent souvent la carcinogenèse. Pour ces composés, la probabilité accrue de transformation néoplasique peut être une conséquence directe d'une diminution du temps disponible pour que la cellule effectue une réparation adéquate de l'ADN.

Tableau 1. Troubles héréditaires prédisposés au cancer qui semblent impliquer des défauts de réparation de l'ADN

Syndrome Symptômes Phénotype cellulaire
Ataxie télangiectasie Détérioration neurologique
Immunodéficience
Incidence élevée de lymphome
Hypersensibilité aux rayonnements ionisants et à certains agents alkylants.
Réplication dérégulée de l'ADN endommagé (peut indiquer un temps raccourci pour la réparation de l'ADN)
Syndrome de Bloom Anomalies du développement
Lésions sur la peau exposée
Incidence élevée de tumeurs du système immunitaire et du tractus gastro-intestinal
Fréquence élevée des aberrations chromosomiques
Ligature défectueuse des cassures associées à la réparation de l'ADN
L'anémie de Fanconi Retard de croissance
Incidence élevée de leucémie
Hypersensibilité aux agents de réticulation
Fréquence élevée des aberrations chromosomiques
Réparation défectueuse des liaisons croisées dans l'ADN
Cancer du côlon héréditaire sans polypose Forte incidence du cancer du côlon Défaut dans la réparation des mésappariements d'ADN (lorsque l'insertion d'un mauvais nucléotide se produit pendant la réplication)
Xéroderma pigmentosum Incidence élevée d'épithéliome sur les zones exposées de la peau
Atteinte neurologique (dans de nombreux cas)
Hypersensibilité aux rayons UV et à de nombreux cancérigènes chimiques
Défauts de réparation par excision et/ou de réplication de l'ADN endommagé

 

Les premières théories sur la façon dont les produits chimiques interagissent avec l'ADN remontent aux études menées lors du développement du gaz moutarde utilisé dans la guerre. Une meilleure compréhension est née des efforts visant à identifier des agents anticancéreux qui arrêteraient sélectivement la réplication des cellules tumorales à division rapide. L'inquiétude croissante du public concernant les dangers dans notre environnement a incité des recherches supplémentaires sur les mécanismes et les conséquences de l'interaction chimique avec le matériel génétique. Des exemples de divers types de produits chimiques qui exercent une génotoxicité sont présentés dans le tableau 2.

Tableau 2. Exemples de produits chimiques qui présentent une génotoxicité dans les cellules humaines

Classe de produit chimique Exemple Source d'exposition Lésion génotoxique probable
Aflatoxines Aflatoxine B1 Nourriture contaminée Adduits volumineux à l'ADN
Amines aromatiques 2-Acétylaminofluorène Environnement Adduits volumineux à l'ADN
Quinones d'aziridine Mitomycine c Chimiothérapie anticancéreuse Mono-adduits, réticulations interbrins et cassures simple brin dans l'ADN.
Hydrocarbures chlorés Chlorure de vinyle Environnement Mono-adduits dans l'ADN
Métaux et composés métalliques Cisplatine Chimiothérapie anticancéreuse Crosslinks intra- et inter-brins dans l'ADN
  Composés de nickel Environnement Mono-adduits et cassures simple brin dans l'ADN
Moutardes à l'azote Cyclophosphamide Chimiothérapie anticancéreuse Mono-adduits et réticulations interbrins dans l'ADN
Nitrosamines N-Nitrosodiméthylamine Nourriture contaminée Mono-adduits dans l'ADN
Hydrocarbures aromatiques polycycliques Benzo (a) pyrène Environnement Adduits volumineux à l'ADN

 

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Dimanche, Janvier 16 2011 18: 35

Immunotoxicologie

Les fonctions du système immunitaire sont de protéger le corps contre les agents infectieux envahisseurs et d'assurer une surveillance immunitaire contre les cellules tumorales qui apparaissent. Il possède une première ligne de défense non spécifique qui peut initier elle-même des réactions effectrices, et une branche spécifique acquise, dans laquelle les lymphocytes et les anticorps portent la spécificité de reconnaissance et de réactivité ultérieure vis-à-vis de l'antigène.

L'immunotoxicologie a été définie comme « la discipline concernée par l'étude des événements pouvant entraîner des effets indésirables du fait de l'interaction des xénobiotiques avec le système immunitaire. Ces événements indésirables peuvent résulter (1) d'un effet direct et/ou indirect du xénobiotique (et/ou de son produit de biotransformation) sur le système immunitaire, ou (2) d'une réponse immunologique de l'hôte au composé et/ou son ou ses métabolites, ou des antigènes hôtes modifiés par le composé ou ses métabolites » (Berlin et al. 1987).

Lorsque le système immunitaire agit comme une cible passive d'agressions chimiques, il peut en résulter une diminution de la résistance aux infections et à certaines formes de néoplasie, ou une dérégulation/stimulation immunitaire pouvant exacerber les allergies ou l'auto-immunité. Dans le cas où le système immunitaire répond à la spécificité antigénique du xénobiotique ou de l'antigène hôte modifié par le composé, la toxicité peut se manifester sous forme d'allergies ou de maladies auto-immunes.

Des modèles animaux pour étudier la suppression immunitaire induite par des produits chimiques ont été développés, et un certain nombre de ces méthodes sont validées (Burleson, Munson et Dean 1995 ; IPCS 1996). À des fins de test, une approche à plusieurs niveaux est suivie pour effectuer une sélection adéquate parmi le nombre écrasant de tests disponibles. Généralement, l'objectif du premier niveau est d'identifier les immunotoxiques potentiels. Si une immunotoxicité potentielle est identifiée, un deuxième niveau de test est effectué pour confirmer et caractériser davantage les changements observés. Les enquêtes de troisième niveau comprennent des études spéciales sur le mécanisme d'action du composé. Plusieurs xénobiotiques ont été identifiés comme immunotoxiques provoquant une immunosuppression dans de telles études avec des animaux de laboratoire.

La base de données sur les perturbations de la fonction immunitaire chez les humains par les produits chimiques environnementaux est limitée (Descotes 1986; NRC Subcommittee on Immunotoxicology 1992). L'utilisation de marqueurs d'immunotoxicité a reçu peu d'attention dans les études cliniques et épidémiologiques pour étudier l'effet de ces produits chimiques sur la santé humaine. De telles études n'ont pas été réalisées fréquemment et leur interprétation ne permet souvent pas de tirer des conclusions univoques, en raison par exemple du caractère non contrôlé de l'exposition. Par conséquent, à l'heure actuelle, l'évaluation de l'immunotoxicité chez les rongeurs, avec extrapolation ultérieure à l'homme, constitue la base des décisions concernant les dangers et les risques.

Les réactions d'hypersensibilité, notamment l'asthme allergique et la dermatite de contact, sont d'importants problèmes de santé au travail dans les pays industrialisés (Vos, Younes et Smith 1995). Le phénomène de sensibilisation par contact a d'abord été étudié chez le cobaye (Andersen et Maibach 1985). Jusqu'à récemment, c'était l'espèce de choix pour les tests prédictifs. De nombreuses méthodes de test de cobaye sont disponibles, les plus fréquemment utilisées étant le test de maximisation du cobaye et le patch test occlus de Buehler. Les tests sur le cobaye et les nouvelles approches développées chez la souris, telles que les tests de gonflement des oreilles et le test des ganglions lymphatiques locaux, fournissent au toxicologue les outils nécessaires pour évaluer le risque de sensibilisation cutanée. La situation en matière de sensibilisation des voies respiratoires est très différente. Il n'existe pas encore de méthodes bien validées ou largement acceptées pour l'identification des allergènes respiratoires chimiques, bien que des progrès dans le développement de modèles animaux pour l'étude de l'allergie respiratoire chimique aient été réalisés chez le cobaye et la souris.

Les données humaines montrent que les agents chimiques, en particulier les médicaments, peuvent provoquer des maladies auto-immunes (Kammüller, Bloksma et Seinen 1989). Il existe un certain nombre de modèles animaux expérimentaux de maladies auto-immunes humaines. Ceux-ci comprennent à la fois une pathologie spontanée (par exemple le lupus érythémateux disséminé chez des souris noires de Nouvelle-Zélande) et des phénomènes auto-immuns induits par une immunisation expérimentale avec un auto-antigène à réaction croisée (par exemple l'arthrite induite par l'adjuvant H37Ra chez des rats de souche Lewis). Ces modèles sont appliqués dans l'évaluation préclinique des médicaments immunosuppresseurs. Très peu d'études ont abordé le potentiel de ces modèles pour évaluer si un xénobiotique exacerbe l'auto-immunité induite ou congénitale. Les modèles animaux qui conviennent pour étudier la capacité des produits chimiques à induire des maladies auto-immunes font pratiquement défaut. Un modèle qui est utilisé dans une mesure limitée est le test des ganglions lymphatiques poplités chez la souris. À l'instar de la situation chez l'homme, les facteurs génétiques jouent un rôle crucial dans le développement de maladies auto-immunes (MA) chez les animaux de laboratoire, ce qui limitera la valeur prédictive de tels tests.

Le système immunitaire

La fonction principale du système immunitaire est la défense contre les bactéries, les virus, les parasites, les champignons et les cellules néoplasiques. Ceci est réalisé par les actions de divers types de cellules et de leurs médiateurs solubles dans un concert finement réglé. La défense de l'hôte peut être grossièrement divisée en résistance non spécifique ou innée et en immunité spécifique ou acquise médiée par les lymphocytes (Roitt, Brostoff et Male 1989).

Les composants du système immunitaire sont présents dans tout le corps (Jones et al. 1990). Le compartiment lymphocytaire se trouve au sein des organes lymphoïdes (figure 1). La moelle osseuse et le thymus sont classés comme organes lymphoïdes primaires ou centraux ; les organes lymphoïdes secondaires ou périphériques comprennent les ganglions lymphatiques, la rate et le tissu lymphoïde le long des surfaces de sécrétion telles que les voies gastro-intestinales et respiratoires, le soi-disant tissu lymphoïde associé à la muqueuse (MALT). Environ la moitié des lymphocytes du corps se trouvent à tout moment dans le MALT. De plus, la peau est un organe important pour l'induction de réponses immunitaires aux antigènes présents sur la peau. Les cellules épidermiques de Langerhans qui ont une fonction de présentation d'antigène sont importantes dans ce processus.

Figure 1. Organes et tissus lymphoïdes primaires et secondaires

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Les cellules phagocytaires de la lignée monocyte/macrophage, appelées système phagocytaire mononucléaire (MPS), sont présentes dans les organes lymphoïdes et également au niveau des sites extranodaux ; les phagocytes extranodaux comprennent les cellules de Kupffer dans le foie, les macrophages alvéolaires dans les poumons, les macrophages mésangiaux dans les reins et les cellules gliales dans le cerveau. Les leucocytes polymorphonucléaires (PMN) sont présents principalement dans le sang et la moelle osseuse, mais s'accumulent aux sites d'inflammation.

 

 

 

 

 

 

 

Défense non spécifique

Une première ligne de défense contre les micro-organismes est réalisée par une barrière physique et chimique, telle qu'au niveau de la peau, des voies respiratoires et du tube digestif. Cette barrière est aidée par des mécanismes de protection non spécifiques, notamment les cellules phagocytaires, telles que les macrophages et les leucocytes polymorphonucléaires, qui sont capables de tuer les agents pathogènes, et les cellules tueuses naturelles, qui peuvent lyser les cellules tumorales et les cellules infectées par des virus. Le système du complément et certains inhibiteurs microbiens (par exemple, le lysozyme) participent également à la réponse non spécifique.

Immunité spécifique

Après le contact initial de l'hôte avec l'agent pathogène, des réponses immunitaires spécifiques sont induites. La caractéristique de cette deuxième ligne de défense est la reconnaissance spécifique de déterminants, appelés antigènes ou épitopes, des agents pathogènes par des récepteurs à la surface cellulaire des lymphocytes B et T. Suite à l'interaction avec l'antigène spécifique, la cellule portant le récepteur est stimulée pour subir une prolifération et une différenciation, produisant un clone de cellules descendantes qui sont spécifiques de l'antigène déclenchant. Les réponses immunitaires spécifiques aident la défense non spécifique présentée aux agents pathogènes en stimulant l'efficacité des réponses non spécifiques. Une caractéristique fondamentale de l'immunité spécifique est que la mémoire se développe. Le contact secondaire avec le même antigène provoque une réponse plus rapide et plus vigoureuse mais bien régulée.

Le génome n'a pas la capacité de porter les codes d'un ensemble de récepteurs antigéniques suffisant pour reconnaître le nombre d'antigènes pouvant être rencontrés. Le répertoire de spécificité se développe par un processus de réarrangements de gènes. Il s'agit d'un processus aléatoire, au cours duquel différentes spécificités sont induites. Cela inclut des spécificités pour les composants autonomes, qui ne sont pas souhaitables. Un processus de sélection qui a lieu dans le thymus (cellules T), ou la moelle osseuse (cellules B) opère pour supprimer ces spécificités indésirables.

La fonction effectrice immunitaire normale et la régulation homéostatique de la réponse immunitaire dépendent d'une variété de produits solubles, connus collectivement sous le nom de cytokines, qui sont synthétisés et sécrétés par les lymphocytes et par d'autres types de cellules. Les cytokines ont des effets pléiotropes sur les réponses immunitaires et inflammatoires. La coopération entre différentes populations cellulaires est nécessaire pour la réponse immunitaire - la régulation des réponses d'anticorps, l'accumulation de cellules et de molécules immunitaires sur les sites inflammatoires, l'initiation de réponses de phase aiguë, le contrôle de la fonction cytotoxique des macrophages et de nombreux autres processus essentiels à la résistance de l'hôte . Celles-ci sont influencées par des cytokines agissant individuellement ou de concert, et dans de nombreux cas en dépendent.

Deux bras d'immunité spécifique sont reconnus - l'immunité humorale et l'immunité à médiation cellulaire ou cellulaire :

Immunité humorale. Dans le bras humoral, les lymphocytes B sont stimulés suite à la reconnaissance de l'antigène par les récepteurs de surface cellulaire. Les récepteurs antigéniques sur les lymphocytes B sont des immunoglobulines (Ig). Les lymphocytes B matures (cellules plasmatiques) déclenchent la production d'immunoglobulines spécifiques de l'antigène qui agissent comme des anticorps dans le sérum ou le long des surfaces muqueuses. Il existe cinq grandes classes d'immunoglobulines : (1) IgM, Ig pentamérique à capacité agglutinante optimale, qui est d'abord produite après stimulation antigénique ; (2) IgG, la principale Ig en circulation, qui peut passer le placenta ; (3) IgA, Ig sécrétoire pour la protection des surfaces muqueuses ; (4) IgE, Ig se fixant aux mastocytes ou aux granulocytes basophiles impliqués dans les réactions d'hypersensibilité immédiate et (5) IgD, dont la fonction principale est celle de récepteur sur les lymphocytes B.

Immunité à médiation cellulaire. Le bras cellulaire du système immunitaire spécifique est médié par les lymphocytes T. Ces cellules ont également des récepteurs antigéniques sur leurs membranes. Ils reconnaissent l'antigène s'il est présenté par des cellules présentatrices d'antigène dans le contexte des antigènes d'histocompatibilité. Par conséquent, ces cellules ont une restriction en plus de la spécificité antigénique. Les lymphocytes T fonctionnent comme des cellules auxiliaires pour diverses réponses immunitaires (y compris humorales), interviennent dans le recrutement de cellules inflammatoires et peuvent, en tant que lymphocytes T cytotoxiques, tuer les cellules cibles après la reconnaissance spécifique de l'antigène.

Mécanismes d'immunotoxicité

Immunosuppression

Une résistance efficace de l'hôte dépend de l'intégrité fonctionnelle du système immunitaire, qui à son tour exige que les cellules et molécules constitutives qui orchestrent les réponses immunitaires soient disponibles en nombre suffisant et sous une forme opérationnelle. Les immunodéficiences congénitales chez l'homme sont souvent caractérisées par des défauts dans certaines lignées de cellules souches, entraînant une production altérée ou absente de cellules immunitaires. Par analogie avec les maladies d'immunodéficience humaine congénitale et acquise, l'immunosuppression induite par des produits chimiques peut résulter simplement d'un nombre réduit de cellules fonctionnelles (IPCS 1996). L'absence ou le nombre réduit de lymphocytes peut avoir des effets plus ou moins profonds sur l'état immunitaire. Certains états d'immunodéficience et d'immunosuppression sévère, comme cela peut se produire lors d'une transplantation ou d'une thérapie cytostatique, ont été associés en particulier à des incidences accrues d'infections opportunistes et de certaines maladies néoplasiques. Les infections peuvent être bactériennes, virales, fongiques ou protozoaires, et le type prédominant d'infection dépend de l'immunodéficience associée. On peut s'attendre à ce que l'exposition à des produits chimiques environnementaux immunosuppresseurs entraîne des formes plus subtiles d'immunosuppression, qui peuvent être difficiles à détecter. Ceux-ci peuvent conduire, par exemple, à une incidence accrue d'infections telles que la grippe ou le rhume.

Compte tenu de la complexité du système immunitaire, avec la grande variété de cellules, de médiateurs et de fonctions qui forment un réseau compliqué et interactif, les composés immunotoxiques ont de nombreuses possibilités d'exercer un effet. Bien que la nature des lésions initiales induites par de nombreux produits chimiques immunotoxiques n'ait pas encore été élucidée, de plus en plus d'informations sont disponibles, principalement issues d'études sur des animaux de laboratoire, concernant les changements immunobiologiques qui entraînent une dépression de la fonction immunitaire (Dean et al. 1994) . Des effets toxiques peuvent se produire au niveau des fonctions critiques suivantes (et quelques exemples sont donnés de composés immunotoxiques affectant ces fonctions) :

  •  développement et expansion de différentes populations de cellules souches (le benzène exerce des effets immunotoxiques au niveau des cellules souches, provoquant une lymphocytopénie)
  •  prolifération de diverses cellules lymphoïdes et myéloïdes ainsi que des tissus de soutien dans lesquels ces cellules mûrissent et fonctionnent (les composés organostanniques immunotoxiques suppriment l'activité proliférative des lymphocytes dans le cortex thymique par cytotoxicité directe ; l'action thymotoxique du 2,3,7,8-tétrachloro -la dibenzo-p-dioxine (TCDD) et les composés apparentés sont probablement dus à une altération de la fonction des cellules épithéliales thymiques, plutôt qu'à une toxicité directe pour les thymocytes)
  •  l'absorption, le traitement et la présentation de l'antigène par les macrophages et d'autres cellules présentatrices d'antigène (l'une des cibles du 7,12-diméthylbenz(a)anthracène (DMBA) et du plomb est la présentation de l'antigène par les macrophages ; une cible du rayonnement ultraviolet est l'antigène- présentant la cellule de Langerhans)
  •  fonction régulatrice des cellules T-helper et T-suppressor (la fonction des cellules T-helper est altérée par les organostanniques, l'aldicarbe, les biphényles polychlorés (PCB), le TCDD et le DMBA ; la fonction des cellules T-suppressor est réduite par un traitement à faible dose de cyclophosphamide)
  •  production de diverses cytokines ou interleukines (le benzo(a)pyrène (BP) supprime la production d'interleukine-1 ; le rayonnement ultraviolet modifie la production de cytokines par les kératinocytes)
  •  la synthèse de diverses classes d'immunoglobulines IgM et IgG est supprimée après un traitement aux PCB et à l'oxyde de tributylétain (TBT) et augmentée après une exposition à l'hexachlorobenzène (HCB).
  •  régulation et activation du complément (affecté par TCDD)
  •  fonction des cellules T cytotoxiques (le 3-méthylcholanthrène (3-MC), le DMBA et le TCDD suppriment l'activité des cellules T cytotoxiques)
  •  fonction des cellules tueuses naturelles (NK) (l'activité NK pulmonaire est supprimée par l'ozone; l'activité NK splénique est altérée par le nickel)
  •  chimiotaxie des macrophages et des leucocytes polymorphonucléaires et fonctions cytotoxiques (l'ozone et le dioxyde d'azote altèrent l'activité phagocytaire des macrophages alvéolaires).

 

Allergie

Allergie peuvent être définis comme les effets néfastes sur la santé qui résultent de l'induction et du déclenchement de réponses immunitaires spécifiques. Lorsque des réactions d'hypersensibilité surviennent sans implication du système immunitaire, le terme pseudo-allergie est utilisé. Dans le contexte de l'immunotoxicologie, l'allergie résulte d'une réponse immunitaire spécifique aux produits chimiques et aux médicaments d'intérêt. La capacité d'un produit chimique à sensibiliser les individus est généralement liée à sa capacité à se lier de manière covalente aux protéines corporelles. Les réactions allergiques peuvent prendre diverses formes et celles-ci diffèrent en ce qui concerne à la fois les mécanismes immunologiques sous-jacents et la vitesse de la réaction. Quatre types principaux de réactions allergiques ont été reconnus : Réactions d'hypersensibilité de type I, qui sont provoquées par les anticorps IgE et où les symptômes se manifestent dans les minutes suivant l'exposition de l'individu sensibilisé. Les réactions d'hypersensibilité de type II résultent de l'endommagement ou de la destruction des cellules hôtes par les anticorps. Dans ce cas, les symptômes apparaissent en quelques heures. Les réactions d'hypersensibilité de type III, ou Arthus, sont également médiées par des anticorps, mais contre un antigène soluble, et résultent de l'action locale ou systémique de complexes immuns. Les réactions d'hypersensibilité de type IV, ou de type retardé, sont provoquées par les lymphocytes T et normalement les symptômes se développent 24 à 48 heures après l'exposition de l'individu sensibilisé.

Les deux types d'allergie chimique les plus pertinents pour la santé au travail sont la sensibilité de contact ou allergie cutanée et l'allergie des voies respiratoires.

Hypersensibilité de contact. Un grand nombre de produits chimiques sont capables de provoquer une sensibilisation cutanée. Suite à l'exposition topique d'un individu sensible à un allergène chimique, une réponse lymphocytaire T est induite dans les ganglions lymphatiques drainants. Dans la peau, l'allergène interagit directement ou indirectement avec les cellules épidermiques de Langerhans, qui transportent le produit chimique vers les ganglions lymphatiques et le présentent sous une forme immunogène aux lymphocytes T réactifs. Les lymphocytes T activés par les allergènes prolifèrent, entraînant une expansion clonale. L'individu est maintenant sensibilisé et répondra à une deuxième exposition cutanée au même produit chimique par une réponse immunitaire plus agressive, entraînant une dermatite de contact allergique. La réaction inflammatoire cutanée qui caractérise la dermatite allergique de contact est secondaire à la reconnaissance de l'allergène dans la peau par des lymphocytes T spécifiques. Ces lymphocytes s'activent, libèrent des cytokines et provoquent l'accumulation locale d'autres leucocytes mononucléaires. Les symptômes se développent environ 24 à 48 heures après l'exposition de l'individu sensibilisé, et la dermatite allergique de contact représente donc une forme d'hypersensibilité de type retardé. Les causes courantes de dermatite de contact allergique comprennent les produits chimiques organiques (tels que le 2,4-dinitrochlorobenzène), les métaux (tels que le nickel et le chrome) et les produits végétaux (tels que l'urushiol de l'herbe à puce).

Hypersensibilité respiratoire. L'hypersensibilité respiratoire est généralement considérée comme une réaction d'hypersensibilité de type I. Cependant, les réactions de phase tardive et les symptômes plus chroniques associés à l'asthme peuvent impliquer des processus immunitaires à médiation cellulaire (type IV). Les symptômes aigus associés à l'allergie respiratoire sont provoqués par des anticorps IgE dont la production est provoquée suite à l'exposition de l'individu sensible à l'allergène chimique inducteur. L'anticorps IgE se distribue de manière systémique et se lie, via des récepteurs membranaires, aux mastocytes qui se trouvent dans les tissus vascularisés, y compris les voies respiratoires. Suite à l'inhalation du même produit chimique, une réaction d'hypersensibilité respiratoire sera déclenchée. L'allergène s'associe aux protéines et se lie aux anticorps IgE liés aux mastocytes et les réticule. Cela provoque à son tour la dégranulation des mastocytes et la libération de médiateurs inflammatoires tels que l'histamine et les leucotriènes. De tels médiateurs provoquent une bronchoconstriction et une vasodilatation, entraînant des symptômes d'allergie respiratoire ; asthme et/ou rhinite. Les produits chimiques connus pour provoquer une hypersensibilité respiratoire chez l'homme comprennent les anhydrides acides (tels que l'anhydride trimellitique), certains diisocyanates (tels que le diisocyanate de toluène), les sels de platine et certains colorants réactifs. De plus, l'exposition chronique au béryllium est connue pour causer une maladie pulmonaire d'hypersensibilité.

auto-immunité

auto-immunité peut être défini comme la stimulation de réponses immunitaires spécifiques dirigées contre des antigènes endogènes du "soi". L'auto-immunité induite peut résulter soit d'altérations de l'équilibre des lymphocytes T régulateurs, soit de l'association d'un xénobiotique avec des composants tissulaires normaux de manière à les rendre immunogènes ("altéred self"). Les médicaments et les produits chimiques connus pour induire ou exacerber accidentellement des effets comme ceux de la maladie auto-immune (MA) chez les personnes sensibles sont des composés de faible poids moléculaire (poids moléculaire de 100 à 500) qui sont généralement considérés comme non immunogènes eux-mêmes. Le mécanisme de la MA par exposition chimique est pour la plupart inconnu. La maladie peut être produite directement au moyen d'anticorps circulants, indirectement par la formation de complexes immuns ou à la suite d'une immunité à médiation cellulaire, mais elle se produit probablement par une combinaison de mécanismes. La pathogénie est surtout connue dans les troubles hémolytiques immunitaires induits par les médicaments :

  •  Le médicament peut se fixer à la membrane des globules rouges et interagir avec un anticorps spécifique au médicament.
  •  Le médicament peut altérer la membrane des globules rouges de sorte que le système immunitaire considère la cellule comme étrangère.
  •  Le médicament et son anticorps spécifique forment des complexes immuns qui adhèrent à la membrane des globules rouges pour produire des lésions.
  •  La sensibilisation des globules rouges se produit en raison de la production d'auto-anticorps anti-globules rouges.

 

Une variété de produits chimiques et de médicaments, en particulier ces derniers, se sont avérés induire des réponses de type auto-immune (Kamüller, Bloksma et Seinen 1989). L'exposition professionnelle à des produits chimiques peut incidemment entraîner des syndromes de type MA. L'exposition au chlorure de vinyle monomère, au trichloroéthylène, au perchloroéthylène, aux résines époxy et à la poussière de silice peut induire des syndromes de type sclérodermique. Un syndrome similaire au lupus érythémateux disséminé (LED) a été décrit après exposition à l'hydrazine. L'exposition au diisocyanate de toluène a été associée à l'induction de purpura thrombocytopénique. Les métaux lourds tels que le mercure ont été impliqués dans certains cas de glomérulonéphrite à complexes immuns.

Évaluation des risques humains

L'évaluation de l'état immunitaire humain est effectuée principalement à l'aide de sang périphérique pour l'analyse de substances humorales telles que les immunoglobulines et le complément, et de leucocytes sanguins pour la composition de sous-ensembles et la fonctionnalité de sous-populations. Ces méthodes sont généralement les mêmes que celles utilisées pour étudier l'immunité humorale et à médiation cellulaire ainsi que la résistance non spécifique des patients suspectés d'immunodéficience congénitale. Pour les études épidémiologiques (par exemple, des populations professionnellement exposées), les paramètres doivent être sélectionnés sur la base de leur valeur prédictive dans les populations humaines, des modèles animaux validés et la biologie sous-jacente des marqueurs (voir tableau 1). La stratégie de dépistage des effets immunotoxiques après une exposition (accidentelle) à des polluants environnementaux ou à d'autres substances toxiques dépend beaucoup des circonstances, telles que le type d'immunodéficience à prévoir, le temps écoulé entre l'exposition et l'évaluation de l'état immunitaire, le degré d'exposition et le nombre d'individus exposés. Le processus d'évaluation du risque immunotoxique d'un xénobiotique particulier chez l'homme est extrêmement difficile et souvent impossible, en grande partie en raison de la présence de divers facteurs de confusion d'origine endogène ou exogène qui influencent la réponse des individus aux dommages toxiques. Cela est particulièrement vrai pour les études qui étudient le rôle de l'exposition chimique dans les maladies auto-immunes, où les facteurs génétiques jouent un rôle crucial.

Tableau 1. Classification des tests pour les marqueurs immunitaires

Catégorie d'essai Caractéristiques Tests spécifiques
Général de base
Doit être inclus avec les panneaux généraux
Indicateurs de la santé générale et de l'état du système organique Azote uréique sanguin, glycémie, etc.
Immunité basique
Doit être inclus avec les panneaux généraux
Indicateurs généraux de l'état immunitaire
Coût relativement bas
Les méthodes d'analyse sont standardisées entre les laboratoires
Les résultats en dehors des plages de référence sont cliniquement interprétables
Numérations sanguines complètes
Taux sériques d'IgG, IgA, IgM
Phénotypes de marqueurs de surface pour les principaux sous-ensembles de lymphocytes
Concentré/réflexe
Doit être inclus lorsque cela est indiqué par des résultats cliniques, des expositions suspectées ou des résultats de tests antérieurs
Indicateurs de fonctions/événements immunitaires spécifiques
Le coût varie
Les méthodes d'analyse sont standardisées entre les laboratoires
Les résultats en dehors des plages de référence sont cliniquement interprétables
Génotype d'histocompatibilité
Anticorps contre les agents infectieux
IgE sériques totales
IgE spécifique de l'allergène
Auto-anticorps
Tests cutanés pour l'hypersensibilité
Sursaut oxydatif des granulocytes
Histopathologie (biopsie tissulaire)
Une recherche
Doit être inclus uniquement avec des populations témoins et une conception d'étude minutieuse
Indicateurs de fonctions/événements immunitaires généraux ou spécifiques
Le coût varie; souvent cher
Les méthodes d'analyse ne sont généralement pas standardisées entre les laboratoires
Les résultats en dehors des plages de référence ne sont souvent pas interprétables cliniquement
Essais de stimulation in vitro
Marqueurs de surface d'activation cellulaire
Concentrations sériques de cytokines
Essais de clonalité (anticorps, cellulaire, génétique)
Tests de cytotoxicité

 

Comme des données humaines adéquates sont rarement disponibles, l'évaluation du risque d'immunosuppression induite par des produits chimiques chez l'homme est dans la majorité des cas basée sur des études animales. L'identification des xénobiotiques immunotoxiques potentiels est entreprise principalement dans des études contrôlées chez les rongeurs. Les études d'exposition in vivo présentent, à cet égard, l'approche optimale pour estimer le potentiel immunotoxique d'un composé. Cela est dû à la nature multifactorielle et complexe du système immunitaire et des réponses immunitaires. Les études in vitro sont de plus en plus utiles pour élucider les mécanismes de l'immunotoxicité. De plus, en étudiant les effets du composé à l'aide de cellules d'origine animale et humaine, des données peuvent être générées pour la comparaison des espèces, qui peuvent être utilisées dans l'approche «parallélogramme» pour améliorer le processus d'évaluation des risques. Si des données sont disponibles pour les trois pierres angulaires du parallélogramme (animal in vivo, et animal in vitro et humain), il peut être plus facile de prédire le résultat à la pierre angulaire restante, c'est-à-dire le risque chez l'homme.

Lorsque l'évaluation du risque d'immunosuppression induite par des produits chimiques doit reposer uniquement sur des données provenant d'études animales, une approche peut être suivie dans l'extrapolation à l'homme en appliquant des facteurs d'incertitude à la dose sans effet nocif observé (NOAEL). Ce niveau peut être basé sur des paramètres déterminés dans des modèles pertinents, tels que des tests de résistance de l'hôte et une évaluation in vivo des réactions d'hypersensibilité et de la production d'anticorps. Idéalement, la pertinence de cette approche pour l'évaluation des risques nécessite une confirmation par des études chez l'homme. Ces études devraient combiner l'identification et la mesure de la substance toxique, les données épidémiologiques et les évaluations de l'état immunitaire.

Pour prédire l'hypersensibilité de contact, des modèles de cobayes sont disponibles et sont utilisés dans l'évaluation des risques depuis les années 1970. Bien que sensibles et reproductibles, ces tests ont des limites car ils dépendent d'une évaluation subjective ; cela peut être surmonté par des méthodes plus récentes et plus quantitatives développées chez la souris. Concernant l'hypersensibilité chimique induite par l'inhalation ou l'ingestion d'allergènes, des tests doivent être développés et évalués quant à leur valeur prédictive chez l'homme. Lorsqu'il s'agit de fixer des niveaux d'exposition professionnelle sûrs aux allergènes potentiels, il faut tenir compte de la nature biphasique de l'allergie : la phase de sensibilisation et la phase de déclenchement. La concentration requise pour déclencher une réaction allergique chez un individu précédemment sensibilisé est considérablement inférieure à la concentration nécessaire pour induire une sensibilisation chez l'individu immunologiquement naïf mais sensible.

Comme les modèles animaux pour prédire l'auto-immunité induite par des produits chimiques font pratiquement défaut, l'accent devrait être mis sur le développement de tels modèles. Pour le développement de tels modèles, nos connaissances sur l'auto-immunité induite par des produits chimiques chez l'homme doivent être avancées, y compris l'étude des marqueurs génétiques et du système immunitaire pour identifier les individus sensibles. Les humains qui sont exposés à des médicaments qui induisent l'auto-immunité offrent une telle opportunité.

 

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Dimanche, Janvier 16 2011 18: 43

Toxicologie des organes cibles

L'étude et la caractérisation des produits chimiques et autres agents pour leurs propriétés toxiques sont souvent entreprises sur la base d'organes et de systèmes d'organes spécifiques. Dans ce chapitre, deux cibles ont été sélectionnées pour une discussion approfondie : le système immunitaire et le gène. Ces exemples ont été choisis pour représenter un système d'organe cible complexe et une cible moléculaire dans les cellules. Pour une discussion plus complète de la toxicologie des organes cibles, le lecteur est renvoyé aux textes de toxicologie standard tels que Casarett et Doull, et Hayes. Le Programme international sur la sécurité chimique (IPCS) a également publié plusieurs documents de référence sur la toxicologie des organes cibles, par système d'organes.

Les études de toxicologie des organes cibles sont généralement entreprises sur la base d'informations indiquant le potentiel d'effets toxiques spécifiques d'une substance, soit à partir de données épidémiologiques, soit à partir d'études générales de toxicité aiguë ou chronique, soit sur la base de préoccupations particulières visant à protéger certaines fonctions d'organes, telles que que la reproduction ou le développement fœtal. Dans certains cas, des tests de toxicité pour des organes cibles spécifiques sont expressément mandatés par des autorités statutaires, tels que les tests de neurotoxicité en vertu de la loi américaine sur les pesticides (voir « L'approche des États-Unis pour l'évaluation des risques des toxiques pour la reproduction et des agents neurotoxiques », et les tests de mutagénicité en vertu de la loi japonaise sur les produits chimiques). Loi sur le contrôle des substances (voir « Principes d'identification des dangers : l'approche japonaise »).

Comme indiqué dans la section « Organe cible et effets critiques », l'identification d'un organe critique est basée sur la détection de l'organe ou du système d'organes qui réagit le premier négativement ou aux doses ou expositions les plus faibles. Ces informations sont ensuite utilisées pour concevoir des investigations toxicologiques spécifiques ou des tests de toxicité plus définis qui sont conçus pour élucider des indications plus sensibles d'intoxication dans l'organe cible. Les études de toxicologie des organes cibles peuvent également être utilisées pour déterminer les mécanismes d'action, utiles dans l'évaluation des risques (voir « L'approche des États-Unis pour l'évaluation des risques des toxiques pour la reproduction et des agents neurotoxiques »).

Méthodes d'études de toxicité pour les organes cibles

Les organes cibles peuvent être étudiés par exposition d'organismes intacts et analyse détaillée de la fonction et de l'histopathologie dans l'organe cible, ou par exposition in vitro de cellules, de tranches de tissus ou d'organes entiers maintenus pendant des périodes de courte ou de longue durée en culture (voir "Mécanismes de toxicologie : Introduction et concepts »). Dans certains cas, des tissus de sujets humains peuvent également être disponibles pour des études de toxicité sur des organes cibles, et ceux-ci peuvent fournir des opportunités pour valider les hypothèses d'extrapolation inter-espèces. Cependant, il faut garder à l'esprit que de telles études ne fournissent pas d'informations sur la toxicocinétique relative.

En général, les études de toxicité pour les organes cibles partagent les caractéristiques communes suivantes : examen histopathologique détaillé de l'organe cible, y compris examen post mortem, poids des tissus et examen des tissus fixés ; études biochimiques des voies critiques dans l'organe cible, telles que les systèmes enzymatiques importants ; des études fonctionnelles de la capacité de l'organe et des constituants cellulaires à remplir les fonctions métaboliques et autres attendues ; et l'analyse des biomarqueurs d'exposition et des effets précoces dans les cellules des organes cibles.

Une connaissance détaillée de la physiologie, de la biochimie et de la biologie moléculaire des organes cibles peut être intégrée aux études sur les organes cibles. Par exemple, étant donné que la synthèse et la sécrétion de protéines de faible poids moléculaire constituent un aspect important de la fonction rénale, les études de néphrotoxicité accordent souvent une attention particulière à ces paramètres (IPCS 1991). Étant donné que la communication de cellule à cellule est un processus fondamental du fonctionnement du système nerveux, les études d'organes cibles sur la neurotoxicité peuvent inclure des mesures neurochimiques et biophysiques détaillées de la synthèse, de l'absorption, du stockage, de la libération et de la liaison aux récepteurs des neurotransmetteurs, ainsi que des mesures électrophysiologiques des modifications de la membrane. potentiel associé à ces événements.

Un degré élevé d'accent est mis sur le développement de méthodes in vitro pour la toxicité des organes cibles, pour remplacer ou réduire l'utilisation d'animaux entiers. Des progrès substantiels dans ces méthodes ont été réalisés pour les substances toxiques pour la reproduction (Heindel et Chapin 1993).

En résumé, les études de toxicité pour les organes cibles sont généralement entreprises comme test d'ordre supérieur pour déterminer la toxicité. La sélection d'organes cibles spécifiques pour une évaluation plus approfondie dépend des résultats des tests de dépistage, tels que les tests aigus ou subchroniques utilisés par l'OCDE et l'Union européenne ; certains organes et systèmes d'organes cibles peuvent être candidats a priori à une enquête spéciale en raison du souci de prévenir certains types d'effets néfastes sur la santé.

 

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Table des matières

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