Fiche toxicologique : Ozone

Pathologie - Toxicologie

• Toxicocinétique - Métabolisme [5]

  Chez l'animal

  Absorption

  L’absorption par inhalation est d’environ 45 % chez le rat et de 53 % chez le cochon d’Inde (0,3 ppm pendant 60 min), inférieure à celle mesurée chez l’Homme.

  Aucune donnée n’est disponible pour les autres voies, chez l’animal comme chez l’Homme.

  Excrétion

  Chez le rat exposé à de l'ozone radiomarqué, de l’oxygène radiomarqué est retrouvé dans les urines (53 % de la dose initiale) et dans le liquide broncho-alvéolaire pour être exhalé (20 % de la dose initiale) [18].

  Chez l'Homme

  L'ozone est modérément soluble dans l'eau, ce qui permet à une partie du gaz inhalé d'atteindre les bronchioles et les alvéoles.

  Chez l’Homme, l’absorption par inhalation de l’ozone varie selon les individus : elle dépend de la morphologie des voies respiratoires, du mode de respiration (buccale ou nasale), du rythme et de l'amplitude de la respiration, de la composition biochimique et de l'abondance du mucus. Chez des volontaires exposés à 0,3 ppm, 75 % de la dose inhalée sont absorbés (76 % par la respiration buccale et 73 % par la respiration nasale) [19].

  L'absorption se fait à travers la couche de mucus qui recouvre les voies aériennes ; 40 à 50 % sont absorbés au niveau des muqueuses du nez, de la bouche et de la gorge et 90 % de la quantité arrivant aux poumons pénètrent dans l'organisme [20]. L'ozone absorbé réagit avec des substrats biochimiques dans la couche de mucus ou diffuse vers les cellules épithéliales sous-jacentes [21].

  Mode d'actions

  L'ozone est un oxydant puissant qui réagit majoritairement avec les macromolécules biologiques telles que les protéines riches en groupement SH, les aldéhydes et les acides aminés de faible poids moléculaire, présents dans les fluides respiratoires. Cette réaction peut former des radicaux libres, des disulfures et du sulfoxyde de méthionine. Ce dernier peut produire du peroxyde d'hydrogène, des aldéhydes, des ozonides et des peroxydes lipidiques.

  Il s'ensuit une peroxydation des lipides membranaires, une perte d'activité enzymatique, une altération de la perméabilité membranaire, une induction de l'inflammation et à l'extrême, une mort cellulaire [22].

• Toxicité expérimentale

  L’ozone absorbé au niveau des muqueuses des voies respiratoires (nez, trachée, bronches, alvéoles) réagit localement en induisant des lésions des membranes cellulaires. Il provoque des lésions pulmonaires sévères du fait de son action irritante. Ces effets peuvent se traduire par un œdème pulmonaire ou une hyperréactivité bronchique non spécifique. L’exposition chronique provoque de l’emphysème et une fibrose pulmonaire. Son action sur les macrophages favorise la sensibilité aux infections. Des lésions pulmonaires sévères (dès les faibles doses) sont observées chez le rat ainsi que des atteintes neurologiques et cardiovasculaires. L’ozone induit des effets génotoxiques sur différents types de cellules, à la fois in vitro et in vivo. Des études de cancérogénicité ont été réalisées chez le rat et la souris et montrent un développement de tumeurs pulmonaires uniquement chez la souris. L’ozone activerait la multiplication cellulaire et influencerait dans certains cas le processus de cancérogénèse, particulièrement en co-exposition avec certaines substances chimiques. Aucun effet sur la fertilité n’est rapporté. En revanche, des retards d'ossification et de croissance, une embryolétalité et des effets sur le développement des réflexes et du comportement ont été observés chez le rat et la souris.

  Toxicité aiguë [20, 23, 24]

  Les CL₅₀ sont comprises entre 6 et 12 ppm chez le rat et la souris pour une exposition de 4 heures ; elles sont plus élevées chez le lapin (20 - 30 ppm) ou le cobaye (21,5 ppm) [5].

  L'ozone est un irritant très puissant des muqueuses, sa principale cible est l'appareil respiratoire et en particulier le parenchyme pulmonaire ; les animaux meurent d'un œdème et d'une hémorragie pulmonaires. Les jeunes semblent plus sensibles que les plus âgés. L'œdème pulmonaire apparaît chez le rat à partir de 0,25 à 0,5 ppm pour une exposition de 6 heures. Une augmentation de la perméabilité trachéale et bronchoalvéolaire et des troubles réversibles de la fonction respiratoire ont été observés chez des animaux exposés pendant 2 à 5 heures à des concentrations de 0,25 à 1 ppm.

  Chez le rat (1 ppm, 4 à 24 h), l'inhalation provoque, à partir de 4 heures d'exposition, une nécrose des cellules épithéliales ciliées des bronchioles terminales ainsi que des cellules de type 1 des alvéoles proximales. Cet effet précède l'afflux de neutrophiles [25]. L'ozone réduit la viabilité des macrophages pulmonaires, leur pouvoir phagocytaire et bactéricide, ainsi que leur mobilité. Cette action associée à une réduction de la clairance mucociliaire a pour conséquence une plus grande susceptibilité pulmonaire aux infections et une augmentation du temps de rétention des particules. L'adjonction d'un troisième facteur, tel que l'exposition au froid ou l'exercice physique par exemple, accroît encore l'effet de l'ozone. L'augmentation du taux de protéines dans le liquide de lavage bronchoalvéolaire est l'indicateur le plus sensible des modifications pulmonaires.

  L'exposition à des concentrations modérées d'ozone (0,3 ppm) induit chez les petits rongeurs un phénomène de tolérance à l'égard d'une dose normalement létale chez les animaux non exposés préalablement. Cette tolérance n'est observée ni pour les complications tardives (emphysème), ni pour les perturbations des épreuves fonctionnelles respiratoires.

  Lors d'une exposition subaiguë (rat, 0,35 - 0,5 ppm, 2,25 h/j, 5 jours), les modifications morphologiques et biochimiques pulmonaires progressent tandis qu'une adaptation fonctionnelle se met en place (après 2 jours) [26].

  Une synergie a été montrée avec le dioxyde d'azote et l'acide sulfurique.

   

  En plus des effets pulmonaires, l’exposition à l'ozone est à l’origine d’effets sur d’autres organes ou systèmes :

  • au niveau cardiaque, une arythmie et une variabilité du rythme cardiaque sont rapportées (rat, 0,1 ppm pendant 4 heures) [27] ;
  • au niveau hématologique, une exposition de brève durée à de fortes concentrations (3 à 8 ppm) accroît le rapport neutrophiles/lymphocytes chez le rat ainsi que le nombre d'érythrocytes et de leucocytes chez la souris ;
  • au niveau du système nerveux central, une altération de la mémoire à long terme et du comportement moteur ou la réduction du nombre d'épines dendritiques dans l'hippocampe, le striatum et le cortex préfrontal (rat, dès 1 ppm, pendant 4 heures) sont rapportées [28].

   

  Irritation, sensibilisation

  L'ozone est un irritant très puissant des muqueuses, sa principale cible est l'appareil respiratoire et en particulier le parenchyme pulmonaire. Aucune irritation oculaire n’est rapportée chez le lapin (1,9 - 2,8 ppm, pendant 4 heures) [29].

  Chez le rat, des concentrations très faibles de l’ordre de 0,05 ppm (pendant 90 min) peuvent être à l’origine d’une hyperréactivité bronchique [30]. Une exacerbation de cette hyperréactivité est rapportée chez des cochons d’Inde sensibilisés à l’ovalbumine [29].

  Toxicité subchronique, chronique [29, 31]

  Une exposition prolongée à de faibles teneurs en ozone produit des lésions pulmonaires plus étendues et plus sévères qu'une exposition aiguë à forte concentration : emphysème, fibrose, hyperplasie des parois des artérioles pulmonaires. Lors d'une exposition chronique, la gravité des lésions morphologiques dépend de la dose inhalée et de la durée d'exposition. Les différents effets rapportés sont des altérations de l'épithélium alvéolaire, une bronchiolite, une bronchite avec fibrose bronchiolaire, une pneumonie, de l'emphysème, des lésions occasionnelles de la trachée et des bronches, voire des lésions non-cancérogènes du nez et des poumons.

  Chez le rat (pendant 78 sem, exposition de base 13 h/j à 0,06 ppm et exposition à une concentration croissante 9 h/j atteignant 0,25 ppm), on observe une réponse biphasique : après une semaine d'exposition apparaît d'abord une réaction inflammatoire (œdème interstitiel, hypertrophie des cellules interstitielles et afflux de macrophages) puis, progressivement, s'installe dans la région alvéolaire proximale une hyperplasie des cellules épithéliales non réversible, une prolifération des fibroblastes et une accumulation de matrice interstitielle partiellement réversible après arrêt de l'exposition. Dans les bronchioles terminales, une atteinte des cellules ciliées et des cellules de Clara est observée [33].

  Des modifications semblables ont été observées chez le singe (0,05 - 0,65 ppm, 8 h/j, de 3 à 18 mois). Dans cette espèce, les effets d'une exposition intermittente (0,25 ppm, 8 h/j, 5 jours par semaine tous les 2 mois, 18 mois) sont soit identiques, soit supérieurs à ceux d'une exposition continue (augmentation du collagène pulmonaire, de la capacité inspiratoire et de la compliance thoracique) [23].

  Chez le rat, un phénomène de tolérance est observé après 12 à 18 mois d'exposition, qui disparaît après 4 mois d'arrêt [33].

   

  Comme en toxicité aiguë, l’ozone est aussi à l’origine d’effets :

  • sur le système cardiovasculaire, avec augmentation du nombre d'épisodes de bradyarythmie et diminution de la fréquence cardiaque, visibles dès les plus faibles doses testées (rat, dès 0,2 ppm, pendant 5 à 90 jours) ;
  • sur le système nerveux, avec des lésions dans différentes régions cérébrales, associées à une mort cellulaire et à une neurogenèse altérée (rat, dès 0,25 ppm, 4h/j, pendant 15 à 30 jours). Ces altérations pourraient être directement liées à des modifications comportementales, telles qu'une diminution de l'activité motrice [29].

  Une étude très récente menée chez la souris (0,5 à 2 ppm, pendant 12 semaines + 4 semaines de récupération) a confirmé la plus grande sensibilité des poumons aux effets de l’ozone, avec une réponse inflammatoire dose-dépendante modifiant certains paramètres de manière plus ou moins réversible (les cytokines reviennent à leur niveau de base, le rapport VEMS/CVF est définitivement diminué). En revanche, d’autres organes (le foie, les reins et le cerveau) pourraient aussi être touchés avec des atteintes certes plus légères, mais le plus souvent irréversibles et ce dès 2 ppm : dyslipidémie persistante et dérèglement métabolique (foie et reins), dégénérescence neuronale [34].

  Effets génotoxiques [5, 29, 35]

  In vitro

  Dans les tests d’Ames réalisés avec et sans activation métabolique, l’ozone est faiblement génotoxique pour la souche TA 102 de S. typhimurium ; il n’est pas génotoxique pour les souches TA 98, TA 100, TA 104 et TA 1535.

  Concernant les tests réalisés sur cellules de mammifères, les résultats suivants ont été rapportés :

  • les aberrations chromosomiques : résultats négatifs pour les lymphocytes et les fibroblastes pulmonaires humains, et positifs pour les cellules épithéliales et des lymphocytes humains. Les concentrations testées donnant des résultats positifs sont supérieures à celles donnant des résultats négatifs ;
  • les micronoyaux : résultats positifs dans les cellules alvéolaires de rat et humaines ;
  • le test des comètes : résultats positifs pour les cellules alvéolaires et les lymphocytes humains, négatifs dans les fibroblastes humains ;
  • les échanges de chromatides sœurs : résultat positif pour les fibroblastes humains.

   

  ln vivo

  La majorité des tests réalisés in vivo donne des résultats positifs :

  • tests des comètes positifs sur cellules du liquide broncho-alvéolaire (cochon d’Inde mâles, 0,4 - 1 ppm pendant 2 heures ou souris femelles, 1 - 2 ppm pendant 90 minutes) et cellules de l’épithélium trachéal (cochon d’Inde mâles, 0,4 - 1 ppm pendant 2 heures) ;
  • augmentation en fonction du temps des aberrations chromosomiques dans les lymphocytes spléniques de souris mâles et femelles (0 et 0,5 ppm, 6 h/j, 5 j/sem, 16 - 32 et 52 semaines ou pendant 12 semaines) ainsi que dans les macrophages pulmonaires de rats femelles (0,12 - 0,8 ppm, 6 heures) ;
  • augmentation de la fréquence des micronoyaux dans les érythrocytes de moelle osseuse de rats mâles (0 - 3 ppm, 6 h/j pendant 10 jours) et les réticulocytes de souris mâles et femelles (0 et 0,5 ppm, 6 h/j, 5 j/sem, 16 - 32 et 52 semaines ou pendant 12 semaines) ;
  • transformation pré-néoplasique de cellules embryonnaires de hamster syrien et de fibroblastes de souris (5 ppm pendant 5 minutes) ou de cellules de l'épithélium trachéal de rat (0,7 ppm pendant 4 minutes, 2 fois par semaine, à 9 reprises).

  A contrario, un test des comètes donne des résultats négatifs dans le sang de rats mâles exposés à 0,05 ppm (3 h/j, pendant 14 ou 28 jours) ; de même, aucune augmentation de la fréquence des micronoyaux n’est détectée dans les érythrocytes de moelle osseuse de ces animaux ou dans des cellules pulmonaires de souris femelles (1 - 2 ppm pendant 90 minutes). De la même manière, aucune transformation pré-néoplasique des cellules de l'épithélium trachéal n’est mise en évidence chez le rat (1 ou 10 ppm, pendant 40 minutes) [5].

  Aucun effet clastogène n’est observé dans les cellules de la moelle osseuse de hamster (0,23 ppm, 5 heures ou 5,2 ppm, 6 heures), dans les spermatocytes ou les lymphocytes de souris (0,21 ppm, 5 heures ou 0,99 ppm, 2 heures).

   

   

  Effets cancérogènes [5, 29]

  Plusieurs études ont mis en évidence un accroissement de l’incidence des adénomes pulmonaires chez la souris, mais pas chez le rat. Des souris femelles (A/J) ont été exposées par inhalation de manière intermittente (0,5 ppm, 102 h/sem, chaque première semaine de chaque mois, pendant 6 mois, ou 0,31 ppm, 103 h/sem pendant 6 mois) : l’incidence des adénomes pulmonaires augmente significativement dans les 2 cas, malgré un niveau chez les contrôles historiques déjà élevé [32].

  Dans son étude, le NTP [36] a exposé des souris mâles et femelles pendant 2 ans (B6C3F₁, 0 - 0,12 - 0,5 et 1 ppm, 6 h/j, 5 j/sem) ou la vie entière (B6C3F₁, 0 - 0,5 et 1 ppm, 6 h/j, 5 j/sem, 130 semaines). Une augmentation statistiquement significative de l'incidence de carcinome ou d'adénome et carcinome (combinés) alvéolaire ou bronchiolaire a été observée chez la souris femelle exposée à 1 ppm pendant 2 ans. Une augmentation statistiquement significative de l'incidence de carcinome alvéolaire ou bronchiolaire chez la souris mâle (0,5 et 1 ppm) et d'adénome alvéolaire ou bronchiolaire chez la souris femelle (1 ppm) exposée pendant 130 semaines ont été observées. En revanche, chez le rat mâle, une exposition à 0,05 ppm d’ozone pendant 13 mois (10 h/jour) n’entraine aucun développement de tumeur du poumon [37]. Il en est de même dans les études du NTP menées chez des rats mâles et femelles pendant 2 ans ou la vie entière.

  Par ailleurs, des carcinomes de l’oviducte ont été observés chez des souris femelles exposées à 0,05 ppm d’ozone (6 h/j, 5 j/sem pendant 12 semaines) [38].

  L'ozone influence le processus de cancérogenèse dans le poumon. Chez la souris A/J prétraitée par une injection intrapéritonéale d'uréthane un jour avant l'exposition à l'ozone, le nombre de tumeurs par poumon est diminué, probablement en raison d'une action cytotoxique [32]. En revanche, un effet cocancérogène est mis en évidence lorsque l'uréthane est injecté après chaque exposition [39]. Chez le rat, l'ozone augmenterait le taux de tumeurs induites par le radon [40].

  L'effet de l'ozone sur le développement de tumeurs pulmonaires, site de contact après une exposition par inhalation, peut être lié au potentiel génotoxique de l’ozone ou ses métabolites oxydés (initiation), en association avec un stress oxydant et sa capacité à induire une prolifération cellulaire (initiation et promotion) [29].

  Effets sur la reproduction

  Fertilité

  Très peu de données sont disponibles concernant les effets sur la fertilité de l’ozone. Suite à une exposition à 0,5 ppm d’ozone pendant 50 jours, les rats mâles exposés ne présentent aucune modification des paramètres reproducteurs étudiés (morphologie des spermatozoïdes, motilité spermatique, taille ou poids des testicules et des vésicules séminales, nombre d’accouplements, nombre moyen de nouveau-nés). Seule la concentration en spermatozoïdes est diminuée chez les rats exposés (baisse de 17 %) mais sans effet sur la capacité de reproduction des animaux [41].

  Dans une étude menée chez des souris mâles et femelles (0 - 0,2 - 0,4 et 0,6 ppm, 6 jours avant l'accouplement puis jusqu'au 17^e jour de gestation), aucun effet significatif sur la performance reproductrice n’est rapporté [42].

  Développement

  Chez le rat et la souris, une diminution du poids corporel, une embryolétalité et des effets sur le développement de certains réflexes et comportements ont été rapportés et sont détaillés dans les tableaux ci-dessous.

   

  

  

  Effets sur le développement observés chez le rat et la souris, exposés à l’ozone (GD : jour de gestation ; ↓ : diminution).

   

  Plus récemment, une étude a montré qu’une exposition prénatale à l’ozone pouvait perturber le métabolisme lipidique au niveau du foie des descendants à l’âge adulte (souris, 0 - 0,5 ou 1 ppm, GD 9 - 18) [51].

• Toxicité sur l’Homme

  L’ozone est un irritant et un oxydant puissant. Lors d’expositions aiguës, il provoque des lésions irritantes des muqueuses oculaires et respiratoires. Les symptômes pulmonaires vont de la toux à l’œdème aigu du poumon. Lors d’exposition chronique, la survenue de bronchopathies, d'emphysèmes et de fibroses pulmonaires est possible. Les études de génotoxicité suggèrent une relation entre l’exposition à l’ozone et des événements mutagènes. Il n’existe pas de données en milieu professionnel sur la cancérogénicité et la toxicité pour la reproduction de l’ozone.

  Toxicité aiguë [9, 29, 52]

  L’ozone est irritant pour les yeux. Une étude réalisée chez des volontaires sains a montré l’apparition d’une irritation oculaire à des concentrations de 0,1 ppm [29].
  
  L’ozone est fortement irritant pour les voies respiratoires. Différents facteurs influencent sa toxicité : la concentration, la durée d’exposition, l’exercice physique associé. Les premiers symptômes apparaissent pour des concentrations comprises entre 0,06 et 0,2 ppm. Ils se manifestent par une sécheresse buccale, une toux, une hypersécrétion bronchique, une dyspnée d’intensité variable, des douleurs rétrosternales et des troubles du rythme ventilatoire. Des symptômes neurologiques non spécifiques à type de céphalées, nausées, sensation de malaise peuvent être présents. À des concentrations plus élevées, de l’ordre de 9 ppm, ces symptômes peuvent évoluer vers un œdème aigu du poumon. Une exposition à 50 ppm peut entraîner le décès en 30 minutes.  

  Chez des volontaires sains exerçant une activité physique, une exposition à l’ozone pendant environ 6 heures entraîne dès 0,06 ppm, une diminution significative du VEMS avec inflammation neutrophilique des voies aériennes. À 0,072 ppm une augmentation des symptômes respiratoires est observée et à 0,08 ppm une baisse de la capacité vitale est également mise en évidence [53, 54].

  En milieu professionnel, un article fait état du cas d’une salariée chargée du nettoyage dans un hôtel utilisant un dispositif produisant de l’eau ozonée, rapportant une irritation des voies aériennes supérieures, prépondérante lors de la production d’eau ozonée, persistant toute la journée et disparaissant en soirée avec amélioration pendant les jours de repos [55].

  Toxicité chronique [56, 57]

  Les effets à long terme de l'ozone chez l'Homme sont mal cernés. Il est souvent difficile de les distinguer de ceux liés aux expositions associées dans les quelques études épi­démiologiques publiées à ce sujet.

  Des études de cohorte longitudinale menées chez des travailleurs de l’industrie papetière ont montré qu’une exposition répétée à des pics de gaz irritants incluant l’ozone, était associée à un déclin significativement plus rapide du VEMS (≈ –24 mL/an) et une augmentation du risque d’obstruction bronchique [58], à une augmentation significative de l’incidence de rhinite (HR = 3,4 ; IC 95 % : 1,3 - 8,7) [59], d’asthme (HR = 6,5 ; IC 95 % : 1,2 - 36,3) et d’épisodes de respiration sifflante (HR = 3,3 ; IC 95 % : 1,1 - 10,2) [60]. Toutefois, ces études souffrent de limites liées à la mesure de l’exposition (absence d’évaluation quantitative), à l’évaluation clinique (auto-évaluation dans les deux dernières études), et aux faibles nombres de salariés inclus.  

  Les expositions répétées contrôlées ont permis d'identi­fier le phénomène de « tolérance » [61], qui pourrait être en rapport avec des phénomènes réactionnels de recons­truction faisant suite à l'agression par ce gaz oxydant. Ce phénomène ne confère aucune protection à long terme ; on le suspecte au contraire d'être à l'origine des effets chroniques, surtout respiratoires.

  Les possibles effets pulmonaires chroniques  sont de trois types :

  • les bronchopathies ;
  • l'emphysème souvent associé à la fibrose, qui résulte de l'atrophie des parois alvéolaires ;
  • la fibrose qui est l'aboutissement de la réaction inflam­matoire.

  Effets génotoxiques [29]

  Une étude chez des volontaires sains (Holland et al., 2014 dans [29]), exposés à de l’air filtré ou à 100 et 200 ppb d’ozone, a mis en évidence une augmentation significative et dose-dépendante de la fréquence des micronoyaux dans les lymphocytes sanguins 24 heures après l’exposition.

  Aucune étude n’est en faveur de l’existence de mutations héréditaires dans les cellules germinales humaines.

  Effets cancérogènes [29]

  Il n’existe pas de données en milieu professionnel à la date de mise à jour de cette partie.

  Effets sur la reproduction [29]

  Il n’existe pas de données en milieu professionnel à la date de mise à jour de cette partie.

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