Inflammation pulmonaire et nanoparticules inhalées : l'influence de la surface pulmonaire retenue

L'INRS a développé le dispositif NanoTIREx [1], un système destiné à étudier la toxicologie des nanoaérosols par inhalation. Seize campagnes d’expositions subaiguës (1 mois) ont été menées au cours de la dernière décennie avec divers types d'aérosols issus de différentes poudres, présentant des distributions de tailles et des concentrations variées.
L'objectif majeur de ces recherches était d'établir des liens entre certaines propriétés physicochimiques des nanomatériaux (NM) et les événements clés régissant les voies toxicologiques menant à des effets indésirables, en particulier au niveau pulmonaire.

Les investigations ont notamment porté sur la relation entre l’inflammation, mesurée grâce à l’influx de polynucléaires neutrophiles (% PMN) dans le lavage bronchoalvéolaire pulmonaire, et la surface pulmonaire de NM déposés (ou retenue) après l'inhalation chez le rat. Trois classes de NM ont été examinées : les dioxydes de titane (TiO2) et les noirs de carbone (CB) en tant que particules peu solubles de faible toxicité (PSLT) et les nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT). Des temps de récupération post-exposition courts et longs (immédiatement et jusqu'à plus de 6 mois après l'exposition) nous ont permis d'examiner l'inflammation aiguë et chronique.

Les résultats obtenus ont été comparés à ceux issus de près de 30 articles rigoureusement sélectionnés. Ces articles devaient rapporter les informations suivantes :
- Le mode d'exposition (corps entier, oro-nasale).
- La durée d'exposition (aiguë, subaiguë, subchronique).
- Les résultats concernant le %PMN dans le BALF après au moins un temps post-exposition (ou les données brutes permettant dans le calculer).
- Les données sur la charge pulmonaire et la méthodologie de mesure, ou à défaut les caractéristiques des aérosols et les données sur les animaux utilisés (souche, sexe, biométrie) pour permettre le calcul des charges pulmonaires en utilisant le modèle de dosimétrie MPPD (Multiple-Path Particle Dosimetry Model).
- Les caractéristiques de la poudre utilisée (diamètre, composition chimique, pureté, forme cristallographique, surface spécifique).

Il a été mis en évidence une relation entre le %PMN et la surface particulaire retenue (mesurée ou estimée) dans le poumon à la fois à court terme et à long terme [2]. Selon la classe de NM considérée, et parfois en fonction de la durée de l'exposition, cette relation prend la forme d’une sigmoïde unique et indépendante de la période post-exposition. Sur la base de la surface retenue, les MWCNT longs et épais, quelques centaines de nm de long avec un facteur de forme supérieur à 25, sont plus inflammatogènes que les PSLT ; une surface retenue de 5 cm² / g de poumon étant suffisante pour déclencher une réponse inflammatoire (à 6% de PMN) alors qu’une surface de 150 cm² / g de poumon est nécessaire pour les PSLT.

Ces résultats soulignent l'importance de considérer les doses déposées plutôt que les concentrations inhalées pour évaluer les effets toxiques des NM. La surface déposée pourrait même constituer la métrique la plus pertinente pour catégoriser à la fois les NM et les matériaux micrométriques par classe de danger. A terme, une mesure directe dans le poumon (et le recours à l’animal) ne serait plus forcément nécessaire. En effet, la surface retenue pourrait être estimée de manière alternative à partir de la mesure de surface spécifique (analyse BET) de la poudre et d’un modèle de dosimétrie (MPPD) en utilisant les paramètres de l'aérosol, déterminés de manière rigoureuse selon une stratégie de caractérisation de l'aérosol bien définie.

1. Cosnier, F., et al., Design and Characterization of an Inhalation System to Expose Rodents to Nanoaerosols. Aerosol and Air Quality Research, 2016. 16(12): p. 2989-3000.
2. Cosnier, F., et al., Retained particle surface area dose drives inflammation in rat lungs following acute, subacute, and subchronic inhalation of nanomaterials. Particle and Fibre Toxicology, 2021. 18(1): 29.