Protoxyde d'azote

Pathologie - Toxicologie

• Toxicocinétique - Métabolisme [15]

  Le protoxyde d’azote, très volatil, est rapidement absorbé par inhalation puis distribué dans les tissus très vascularisés. Non métabolisé, il est très vite éliminé par les poumons sous forme inchangée. Il est capable de traverser la barrière placentaire.

  Absorption, distribution, métabolisme et excrétion

  Chez l'animal

  Très peu d’informations sont disponibles chez l’animal.

  Le protoxyde d’azote pénètre principalement par inhalation puis est rapidement distribué dans tous les tissus, en particulier les tissus richement vascularisés dont le cerveau, le cœur, les reins, et les glandes endocrines. Le protoxyde d’azote est relativement peu réactif, il n’est quasiment pas métabolisé et est vite éliminé par les poumons ; un métabolisme rénal ou hépatique limité peut être décelé.

  Chez l'Homme

  Absorption

  Le protoxyde d’azote pénètre principalement par inhalation. Il est rapidement absorbé : le taux d’absorption dans les 2 premières minutes est d’environ 1 L/min pour une concentration de 80 % dans l’air. En moins de 5 minutes, la concentration dans les alvéoles est presque équivalente à celle inhalée [16].

  Distribution

  Comme chez l’animal, le protoxyde d’azote est rapidement distribué dans tous les tissus, en particulier les tissus richement vascularisés.

  L’équilibre sanguin est atteint environ 15 minutes après une exposition à une concentration de 70 % de protoxyde d’azote dans l’air. Il passe la barrière placentaire et apparaît chez le fœtus après 6 minutes, avec un rapport de concentrations sanguines mère/fœtus de 0,6.

  Métabolisme

  Comme chez l’animal, une infime partie (< 0,01 %) est métabolisée par des bactéries dans les intestins.

  Excrétion

  Très volatil, le protoxyde d’azote est rapidement éliminé par les poumons, sous forme inchangée ; de faibles quantités passent dans les urines ou diffusent à travers la peau. L’élimination cutanée ne compte que pour 6 à 7 % de la quantité quittant les alvéoles. Seize heures après la fin de l’exposition, il est complètement éliminé du sang [17].

  Mode d'actions [15]

  Le protoxyde d’azote, 35 fois plus soluble que l’azote, s’échange avec celui-ci et diffuse dans les espaces corporels susceptibles de contenir de l’air. Cette diffusion augmente le volume de gaz emprisonné dans le corps et augmente la pression dans ces espaces clos (comme dans les sinus paranasaux, le péritoine ou les ventricules cérébraux).

  Quand l’administration est discontinue, le protoxyde d’azote est libéré dans les alvéoles, diluant le gaz alvéolaire (en particulier l’oxygène) et pouvant conduire à une anoxie. Lors d’une anesthésie par protoxyde d’azote, les très fortes concentrations utilisées peuvent entraîner une hypoxie.

  Le protoxyde d’azote exerce également un effet inhibiteur irréversible sur l’enzyme méthionine synthétase aux niveaux hépatique et cortical par inactivation de la vitamine B12 (par oxydation de l’ion cobalt Co⁺) ; cet effet apparaît après 4 à 5 minutes chez le rat (1000 ppm) et 45 minutes chez l’Homme (> 400 ppm). Le résultat est un déficit en méthionine et une capture de la molécule tétrahydrofolate sous forme de méthyl-tétrahydrofolate engendrant une baisse du pool intracellulaire de folates et une diminution de la synthèse des nucléotides et de l’ADN. La méthionine joue un rôle important dans la synthèse de l’ADN et de l’ARN, la méthylation des histones, la synthèse de neurotransmetteurs ou de myéline [10].

• Toxicité expérimentale

  Toxicité expérimentale

  L’exposition unique par inhalation de fortes concentrations de protoxyde d’azote entraine une modification du comportement et des atteintes neurologiques chez les rongeurs. L’exposition répétée à de fortes concentrations de protoxyde d'azote entraine des effets neurotoxiques tels qu’une ataxie, des changements structuraux au niveau du cerveau et de la moelle épinière, des modifications neurochimiques et/ou des atteintes comportementales. Des effets immunotoxiques sont aussi rapportés chez les rongeurs : leucotoxicité, atteintes de la fonction immunitaire et de la moelle osseuse. Ces effets sont liés au déficit en vitamine B12. Les tests de génotoxicité réalisés in vitro et in vivo sont négatifs. Aucun effet cancérogène n’a été mis en évidence chez le rat ou la souris par inhalation. Des lésions testiculaires, une perturbation des cycles œstraux, une baisse de la fertilité et des effets sur le développement (embryotoxicité, fœtotoxicité et tératogénicité) sont décrits chez le rat mais absents chez la souris.

  Toxicité aiguë

  Seule une CL₅₀ supérieure à 500 000 ppm pour 4 heures est rapportée chez la souris [1].

  Des modifications histopathologiques du cerveau (vacuolisation des neurones), de l’activité locomotrice et/ou des changements de comportement ont été observés chez le rat après une exposition unique ≥ 300 000 ppm ; des modifications comportementales sont aussi rapportées chez la souris, pour des concentrations ≥ 500 000 ppm.

  Lorsque l’exposition est répétée sur 8 jours (mâles, 0-1000-2000 ppm, 8 h/j), les souris présentent une diminution des comportements stéréotypés et une diminution de l’activité locomotrice spontanée (tendance, non statistiquement significative et non liée à la dose) [18].

  • Irritation, sensibilisation [19]

  Le protoxyde d’azote n’est pas irritant. Aucune donnée n’est disponible concernant son potentiel sensibilisant.

  Toxicité subchronique, chronique [10]

  • Effets sur le système hématopoïétique et la fonction immunitaire

  Aucun effet sur l’hématopoïèse n’est rapporté chez des rats exposés par intermittence à 200 000 ppm pendant 21 à 35 jours [20] ou à 1000 ppm pendant 6 semaines ou 6 mois (1 %, 6 h/j, 5 j/sem) [21].

  À des concentrations supérieures, des effets sur la moelle osseuse sont observés dans les premiers jours d’exposition, allant jusqu’à l’arrêt de la division cellulaire. Ainsi, chez des rats exposés en continu à 800 000 ppm (80 % N₂O + 20 % O₂, pendant 2, 4 ou 6 jours), le nombre de globules blancs n’est pas modifié après 2 jours d’exposition mais il est fortement diminué après 4 et 6 jours. La distribution des types cellulaires est aussi impactée : au 6^e jour d’exposition, les granulocytes ont totalement disparu. Une hypoplasie progressive est rapportée dans la moelle osseuse des fémurs examinés : au 6^e jour, le nombre d’espaces vides est augmenté et les mitoses sont arrêtées [22].

  Chez le singe, aucun effet hématologique n’est rapporté à 150 000 ppm de protoxyde d'azote (15 % N₂O + 25 % O₂ + 60 % N₂, pendant 8 semaines en continu) [23].

  Chez les souris, des résultats contradictoires sont notés, probablement en lien avec une différence de susceptibilité en fonction des souches de souris utilisées :

  • aucun effet hématologique ou au niveau de la moelle osseuse pour une souche jusqu’à 400 000 ppm (souris Swiss Webster mâle et femelle, 4 h/j, 5 j/sem, de 14 semaines à 2 ans) [24] ;
  • pour l’autre souche testée (CD-1), immunotoxicité (baisse de certains anticorps ou du nombre de cellules spléniques) chez les souris exposées à 5000 ppm (6 h/j, 5 j/sem pendant 13 semaines). Dès 50 ppm, une diminution du nombre de globules blancs (leucopénie) est observée, mais sans relation dose-réponse [25].

   

  • Effets sur le système nerveux

  Les primates sont plus sensibles que les rongeurs aux effets du protoxyde d'azote sur le système nerveux. Le singe (150 000 ppm i.e. 15 % N₂O + 25 % O₂ + 60 % N₂ en continu pendant 2 semaines) développe une incoordination musculaire dans les premiers jours avec ataxie progressive. Si l’administration est prolongée au-delà de 2 semaines, il se produit une atteinte irréversible du tissu nerveux dans la moelle épinière (dégénérescence et démyélinisation) [23].

  Chez le rat, une diminution de l’activité locomotrice spontanée et de la force de préhension est notée suite à une exposition à 500 000 ppm (mâle, 50 % N₂O + 50%  O₂, 1,5 ou 2h/j, pendant 60 jours). À l’autopsie, des atteintes histopathologiques ont été observées au niveau du cerveau (dégénérescence neuronale cérébrale, foyers de démyélinisation dans la couche externe du cortex cérébral, modifications dégénératives de la couche pyramidale) ou de la moelle épinière (vacuolisation, lésions de la myéline dans toute la substance blanche de la moelle épinière) [26, 27]. Aucun signe de neurotoxicité périphérique n’est observé jusqu’à des concentrations de 700 000 ppm pendant 6 mois (i.e. 70 % N₂O + 30 % O₂, 4 h/j, 5 j/sem) [28].

  Chez la souris, une exposition pendant 14 semaines à 500 000 ppm (mâle et femelle, 4 h/j, 5 j/sem) n’entraine, au niveau du cerveau, ni modification de son poids ni atteinte histopathologique [29].

  Effets génotoxiques [1]

  • In vitro

  Les tests in vitro donnent des résultats négatifs : tests d’Ames (S. typhimurium TA98, TA100, TA1535), échanges entre chromatides sœurs sur cellules ovariennes de hamster chinois ou lymphocytes humains, test de mutation génique HGPRT sur cellules V79 de hamster.

   

  • In vivo

  Un essai de mutation létale dominante est négatif chez les rats mâles exposés jusqu’à 10 000 ppm de N₂O (6 h/j, 6 j/sem pendant 9 semaines) ; les auteurs notent, toutefois, une tendance à la hausse concernant le nombre de résorptions [30]. De même, un test d’induction d’anomalies spermatiques chez la souris (80 % i.e. 800 000 ppm, 4 h/j, pendant 5 jours) et un test de létalité récessive liée au sexe chez la drosophile (exposition pendant 1 heure, 40 et 80 % N₂O) ont donné des résultats négatifs [31].

  Effets cancérogènes

  Le protoxyde d’azote n’est pas cancérogène pour le rat (10 ppm halothane + 500 ppm de protoxyde d’azote, 7 h/j, 5 j/sem, pendant 104 semaines) ou la souris (100 000 ppm ou 400 000 ppm de N₂O, 4 h/j, 5 j/sem, pendant 78 semaines) [32, 33].

  Effets sur la reproduction

  Fertilité

  Les effets sur les systèmes reproducteurs mâle et femelle varient selon l’espèce :

  • chez le rat mâle, une diminution du poids des testicules et diverses atteintes (atrophie des tubes séminifères, diminution du nombre de spermatozoïdes matures et apparition de cellules multinucléées) sont observées suite à une exposition à 200 000 ppm de protoxyde d'azote (20 % N₂O + 20 % O₂ + 60 % N₂) continue ou 8 h/j pendant 35 jours ; ces effets sont réversibles après l’arrêt de l’exposition [34] ;
  • chez le rat mâle, diminution de la taille des spermatozoïdes et augmentation du nombre de spermatozoïdes anormaux (5000 ppm i.e. 0,5 % N₂O dans l’air, 6 h/j, 5 j/sem pendant 30 jours) [35] ;
  • chez des rats femelles exposées à 500 ppm (8 h/j, 5 j/sem, pendant 35 jours) ou à 300 000 ppm de protoxyde d'azote (8 h/j, pendant 4 jours), une perturbation transitoire du cycle œstral (allongement de la durée du proestrus) et une diminution de 50 % de la fertilité par rapport aux témoins sont observées [36, 37] ;
  • chez la souris, aucun effet sur les spermatozoïdes, les testicules, les ovaires ou le nombre moyen d’ovocytes n’est observé jusqu’à des concentrations de 500 000 ppm de protoxyde d'azote (4 h/j, 5 j/sem, pendant 9 à 14 semaines) [38, 39].

   

  Développement

  Chez la souris, aucun effet n’est montré sur le développement après exposition des mères jusqu’à des concentrations de 500 000 ppm de protoxyde d'azote (4 h/j, du 6^e au 15^e jour de gestation) [40].

  Les effets chez le rat sont détaillés dans le tableau ci-dessous.

  

  Tableau 1 : Effets sur le développement de nouveau-nés suite à différentes durées d’exposition au protoxyde d’azote pendant la gestation (G : exposition durant toute la gestation ; GD : jour de gestation)

   

  Le protoxyde d’azote serait aussi à l’origine d’une diminution de la taille des portées chez des femelles accouplées avec des mâles exposés, immédiatement après l’arrêt de l’exposition ; les nouveau-nés présentaient un retard de développement par rapport aux témoins (5000 ppm pendant 30 jours, 6 h/j, 5 j/sem). Le même protocole, réalisé avec des accouplements 6 mois après la fin de l’exposition, n’est à l’origine d’aucun effet sur les portées, signe d’une réversibilité des effets du N₂O [49].

  Concernant les potentiels effets neurocomportementaux des descendants, leur niveau d’activité est impacté suite à des expositions in utero à 750 000 ppm (8 h/j, aux 14^e et 15^e jours de gestation ou seulement au 15^e jour) : hyperactivité chez les mâles et les femelles exposés 2 jours, légère hypoactivité chez les femelles et hyperactivité chez les mâles après une exposition seulement au 15^e jour de gestation [50].

  Effets pertubateurs endocriniens

  Le protoxyde d’azote est présent sur les listes établies par l’ANSES (catégorie II – PE présumé) et par DEDuCT (catégorie III - effets rapportés uniquement in vivo chez le rongeur, données sur le mode d’action manquantes).

• Toxicité sur l’Homme

  Les intoxications aiguës au protoxyde d’azote provoquent principalement des troubles digestifs et neurocognitifs. L'exposition répétée au protoxyde d’azote peut entrainer des atteintes neurocognitives ou hématologiques. Les données disponibles ne permettent pas de conclure quant à la génotoxicité et la cancérogénicité du protoxyde d'azote chez l’Homme. Il existe des signaux d’alertes forts pour la fertilité et le développement fœtal (anomalies congénitales, réduction du poids à la naissance).

  Toxicité aiguë [9, 10, 51-54]

  Le protoxyde d’azote n’est pas irritant pour la muqueuse de l’œil et des voies aériennes [55]. Des brûlures par le froid sont possibles par contact avec le gaz liquéfié.   
  Son inhalation entraine une hypoxie avec atteinte possible des fonctions cardiaques et cérébrales. Les symptômes les plus fréquemment rapportés sont des maux de tête, des nausées, des vomissements, des troubles de la vision, une ataxie et des hallucinations.

  Des effets neurocognitifs dose-dépendants sont observés lors d'expositions aiguës au protoxyde d'azote. Une légère altération des capacités auditive et visuelle a été retrouvée suite à une exposition à 50 ppm pendant 4 heures chez 24 volontaires mais celle-ci était probablement en lien avec une sensibilité accrue des volontaires aux effets cognitifs du protoxyde d’azote. À 500 ppm sur la même durée, une diminution de l’acuité visuelle, de la mémoire immédiate et de la vigilance a été mise en évidence. D’autres études réalisées à des concentrations plus importantes (plus de 100 000 ppm) ont montré une atteinte des capacités auditives et visuelles, de la mémoire, de la vigilance, du temps de réaction. Les étourdissements, les paresthésies et l’euphorie observés chez les volontaires exposés au protoxyde d’azote étaient rapidement réversibles.

  Des effets sur la conduction nerveuse sont également rapportés pour des expositions de 15 minutes à 200 000 ppm.   

  Par ailleurs, le protoxyde d’azote pourrait entraîner des phénomènes de dépendance [56].

  Les études sur les atteintes des systèmes hématologiques et immunitaires sont contradictoires et ne permettent pas de conclure.

  Toxicité chronique [9, 10, 54, 55]

  • Système nerveux

  Des études conduites en milieu professionnel ont montré des effets sur le système nerveux central. Une augmentation du temps de réaction et des troubles de l’humeur sont rapportés chez des infirmiers pour des concentrations moyennes supérieures à 50 ppm. À plus forte dose (concentrations pouvant dépasser 500 ppm), les mêmes symptômes ont été observés chez des dentistes, accompagnés d’une asthénie, d’une perturbation des fonctions cognitives, de faiblesses musculaires diffuses et de paresthésies.   
  L'exposition prolongée, dans un usage détourné du protoxyde d’azote dans le cadre de toxicomanie, peut être responsable de myéloneuropathies [57].

  • Systèmes hématologique et  immunitaire

  Plusieurs études observationnelles transversales rapportent des altérations de l’hémogramme chez des travailleurs en salle d’opération ou chez des dentistes exposés au protoxyde d’azote. Toutefois, la plupart de ces études présentent des biais méthodologiques importants.
  Une étude réalisée en 2001 chez des anesthésistes (co-exposition à d’autres gaz anesthésiques et aux rayons X) montre une diminution dose-dépendante des lymphocytes T CD4, sans pouvoir établir une relation quantitative exposition-réponse.

  • Autres effets

  Dans une enquête effectuée par questionnaires postaux auprès de 36 650 dentistes (hommes) et 30 547 assistantes dentaires, les sujets fortement exposés aux gaz anesthésiques ont présenté une augmentation des pathologies rénales (lithiases et infections urinaires) et hépatiques [58].

  Effets génotoxiques [10, 59]

  Plusieurs études rapportent une augmentation du nombre d’échanges de chromatides sœurs (SCE), de micronoyaux et d’aberrations chromosomiques chez le personnel soignant exposé à des gaz anesthésiques dont le protoxyde d’azote. Compte-tenu des co-expositions (autres gaz, agents stérilisants, rayonnement ionisant), il n’est pas possible de conclure sur le potentiel génotoxique du protoxyde d’azote.

  Effets cancérogènes [8, 10, 60]

  Certaines études épidémiologiques ont signalé des fréquences élevées de cancers chez les travailleurs exposés professionnellement à des gaz anesthésiques. Cependant, dans ces études, les expositions étaient mal ou non caractérisées. Aucune donnée épidémiologique portant spécifiquement sur l’exposition au protoxyde d’azote n’a été identifiée.

  Le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC) considère que l'exposition aux anesthésiques volatils est inclassable quant à sa cancérogénicité pour l'Homme.

  Effets sur la reproduction [8, 10, 54, 61]

  • Fertilité

  Une étude rétrospective réalisée sur 7 000 assistantes dentaires âgées de 18 à 39 ans retrouve, pour une exposition au protoxyde d’azote de plus de 5 heures par semaine, sans système d’évacuation, une baisse significative de la fertilité. En revanche, aucune association n’a été trouvée pour des expositions plus courtes ou en présence d’un système d’évacuation. 

  Dans une autre étude réalisée en Suède auprès de 3985 sages-femmes, une baisse significative du taux de fécondabilité a été rapportée dans le groupe ayant réalisé plus de 30 accouchements par mois pendant lesquels du protoxyde d’azote était utilisé.

  Dans ces deux études la co-exposition potentielle et l’absence de caractérisation quantitative des expositions entraînent des incertitudes dans l’interprétation des résultats.

   

  • Développement

  Des études réalisées en milieu professionnel montrent que le protoxyde d’azote peut induire des anomalies congénitales ou un poids réduit à la naissance, en cas de forte exposition.

  Une étude réalisée chez 9 433 infirmières potentiellement exposées aux gaz anesthésiques a retrouvé chez 50 sur 517 enfants (9,7 %) dont les mères avaient été potentiellement exposées au protoxyde d’azote au cours de l’année de leur premier trimestre de grossesse, des malformations notamment cutanées, sous-cutanées et des phanères. Le risque d’anomalies était significativement plus élevé chez les infirmières les plus exposées. Les gaz étudiés comprenaient le protoxyde d’azote et divers gaz halogénés (desflurane, isoflurane, halothane, etc.).

  Une autre étude réalisée chez des sages-femmes fait mention d’une baisse du poids de naissance (en moyenne 77 grammes) des nouveaux-nés dont les mères ont été exposées (sans autre précision) au protoxyde d’azote par rapport aux nouveaux-nés de mères non exposées.

  Dans ces études, l'interprétation des données est difficile en raison des co-expositions potentielles, du manque de caractérisation fiable de l'exposition et de l'absence d'ajustement sur d'autres facteurs de risques potentiels.

   

  Des résultats contradictoires sont rapportés sur le risque d’avortement spontané dans les études réalisées en milieu professionnel. En 1980, une enquête postale réalisée auprès de 36 650 dentistes hommes et 30 547 assistantes dentaires potentiellement exposés à des gaz anesthésiques a montré chez les assistantes dentaires exposées au protoxyde d’azote un taux significativement plus élevé d’avortements spontanés et d’anomalies congénitales par rapport aux non exposées. De plus, les épouses des dentistes les plus exposés aux gaz anesthésiques l’année précèdant la conception avaient aussi un taux plus élevé d’avortements spontanés.

  Une étude menée en 1995 auprès de 7000 assistantes dentaires exposées au moins trois heures par semaine à du protoxyde d’azote a mis en évidence une augmentation significative du risque de fausse couche. Tandis que deux études transversales réalisées chez le personnel de bloc opératoire, une étude de cohorte rétrospective réalisée chez des sages-femmes ainsi qu’une étude réalisée sur une cohorte d’assistante dentaire n’ont pas mis en évidence d’excès de fausses couches.  

• Cohérence des réponses biologiques chez l'Homme et l'animal