Dioxyde de titane

Pathologie - Toxicologie

• Toxicocinétique - Métabolisme

  Le dioxyde de titane pénètre dans l’organisme essentielle­ment par inhalation, et dans une moindre mesure, par voie orale. Que ce soit sous forme micrométrique ou nanomé­trique, les données disponibles à ce jour ne sont pas suffi­santes pour pouvoir conclure quant à la présence d’une absorption percutanée.

  A la suite d’une exposition par inhalation, l’accumu­lation se fait principalement au niveau des poumons et des ganglions lym­phatiques alors que par voie orale, les particules micro et nanométriques s’accumulent au niveau du foie, de la rate, des poumons et des reins, suite à une translocation (migration des particules à partir de leur site de déposition) circu­latoire.

  Sous forme nanométrique, elles sont majoritairement excrétées via les urines, après administra­tion intraveineuse.

  Chez l'animal

  Absorption

  • Absorption broncho-pulmonaire

  Après inhalation, le dioxyde de titane s'accumule dans les différentes régions de l'appareil respiratoire en fonction de la taille des particules.

  La biopersistance du nano-TiO₂ (fusiforme ; 12x55 nm) a été évaluée chez le rat après inhalation pendant 4 semaines à 0,50 et 1,84 mg/m³ [24] : la demi-vie biologique était d’environ 2 mois dans le poumon. Les auteurs suggèrent que la biopersistance est un bon indicateur du danger du nano- TiO₂, car une bonne corrélation a été trouvée entre la biopersistance et les effets observés. Des demi-périodes de rétention dans le poumon (≥ 60 jours) ont aussi été rapportées pour le nano- TiO₂ (Aeroxide TiO₂ P25 ; anatase 80 %/rutile 20 % ; Ø 21 nm) après inhalation corps entier pendant 13 semaines chez le rat [25]ou après 3 instillations à 4 jours d'intervalle [26]1. Ces valeurs de demi-vie biologique ont été obtenues à des concentrations induisant une inflammation pulmonaire mais sans générer de situation de surcharge.1https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#

  Les dépôts de particules chez des rats exposés à 10 mg/m³ d’Aeroxide TiO₂ P25, 6h/j pendant 21 jours s'accumulent principalement dans les macrophages alvéolaires et, dans une moindre mesure, dans les pneumocytes de type I [23]. Le nano- TiO₂ est retrouvé aussi dans les ganglions lymphatiques hilaires [27].

  Il est généralement reconnu que moins de 1 % du nano- TiO₂ déposé dans les poumons passe dans la circulation systémique et pénètre dans d'autres organes (translocation) [23].

  Kreyling et al [28] ont analysé la distribution tissulaire du nano- TiO₂ anatase après une exposition unique par instillation intratrachéale. Ils ont observé une translocation du nano- TiO₂ à travers la barrière alvéolo-capillaire dans la circulation sanguine, conduisant à une accumulation faible mais persistante de nano- TiO₂ dans presque tous les organes et tissus étudiés. La plus grande fraction de nano- TiO₂ transloquée s'accumulent dans les tissus mous, suivis du squelette, tandis que les concentrations les plus élevées par poids d'organe ont été trouvées dans les reins, le foie et la rate.

   

  • Absorption cutanée

  Des études in vitro et in vivo, réalisées dans le cadre d'un projet européen[29], n'ont mis en évidence aucune pénétration percutanée des nanoparticules de TiO₂ testées. Dans ce projet, plusieurs types de prétraitements cutanés ont été réalisés (nettoyage à l'éthanol ou excès d'eau), combinés à diverses formulations (produits dermatologiques ou crèmes solaires) appliquées sur différents types de peau (peau de porc, peau humaine provenant de volontaires ou transplantation de peau humaine sur des souris, peau saine ou psoriasique). Dans le cas de la peau saine, le titane a été principalement détecté dans la partie supérieure du stratum corneum et dans les couches supérieures du stratum corneum disjunctum, les nanoparticules étant sous forme agrégée.

   

  Au niveau de la peau, la plupart des études réalisées chez l'homme ou l'animal ont montré que le nano- TiO₂ ne pénétrait pas au-delà des couches externes du stratum corneum (jusqu'aux cellules viables) et n'atteignait pas la circulation générale, que ce soit sur une peau saine ou altérée [30]. Selon le SCCS (Comité scientifique de la sécurité du consommateur) [31, 32] et sur la base des preuves scientifiques disponibles démontrant une absence globale d'absorption cutanée, le nano- TiO₂ issu des écrans solaires ne présente aucun risque pour la santé lorsqu'il est appliqué sur la peau saine, intacte ou brûlée par le soleil à une concentration allant jusqu'à 25 %. En effet, selon la plupart des études, le nano- TiO₂ reste généralement sur la peau après application d'une formulation d'écran solaire ; seule une petite proportion des nanoparticules est susceptible de pénétrer plus profondément dans la couche cornée sans atteindre les cellules viables de l'épiderme ou du derme ou pénètrent dans les follicules pileux et les glandes sudoripares [33]. Seules 2 études ont suggéré une pénétration cutanée des nano- TiO₂ dans le stratum granulosum en utilisant des greffons de prépuce humain transplantés sur des souris ou dans le derme de mini porcs [34]. Cependant, dans cette dernière étude, seule une quantité insignifiante de nanoparticules dispersées et isolées a été détectée par microscopie électronique. En outre, si l'on considère que la peau de porc s'est révélée jusqu'à 4 fois plus perméable que la peau humaine, il est difficile d'extrapoler cet effet chez l'homme in vivo.

  Selon le SCCS [32], des lacunes existent dans les connaissances concernant la pénétration cutanée possible des nano- TiO₂ lors de l'utilisation répétée ou à long terme de produits cosmétiques sur une peau saine, fléchie, au niveau de plis cutanés ou sur une peau présentant des lésions ou des coupures.

  Aucune autre information n'est disponible concernant la forme micrométrique.

   

  • Absorption gastro-intestinale

  Une étude met en évidence le faible taux d'absorption gastro-intestinale, les nanoparticules de TiO₂, localisées au niveau de la muqueuse de l'estomac et de l'intestin grêle de rat, ne passant pas dans la circulation systémique [35]. En effet, les nanoparticules se retrouvent sous forme d'agglomérats de taille importante (comprise entre 1 702 et 2 080 nm), limitant considérablement absorption et translocation.

  Selon l’EFSA [36], l'absorption du TiO₂ administré par voie orale est faible. Sa disponibilité systémique orale (mesurée soit sous forme de particules, soit sous forme de titane) est estimée à 0,02-0,1 %, la grande majorité étant éliminée sous forme inchangée dans les fèces. Les experts de l’EFSA ont aussi noté que la petite quantité de TiO₂ ingérée par voie orale semblait être absorbée par les plaques de Peyer, un groupe de cellules du tissu lymphoïde associé à l'intestin. Elle est ensuite distribuée à divers organes (par ordre de concentration décroissante : ganglions lymphatiques mésentériques, foie, rate, reins, poumons, cœur et organes reproducteurs), d'où elle disparaît avec des demi-vies variables.

  Aucune information n'est disponible concernant la forme micrométrique.

  Distribution

  Par voie orale [37, 38], les souris exposées à des particules de dioxyde de titane de taille nanométrique (25 et 80 nm) et micrométrique (155 nm) présentent une augmentation, par rapport aux témoins, des concentrations en titane au niveau du foie, de la rate, des poumons et des reins, 2 semaines après l'exposition.

  L’EFSA[36] a expertisé l’étude par voie orale de Kreyling chez le rat [39]. Après gavage, la majeure partie de la radioactivité a été excrétée dans les fèces. Un dépôt mesurable n'a pu être observé qu'après 4 heures dans la rate, les reins, le coeur et l'utérus. Le maximum de rétention a été atteint dans la rate, les reins et le coeur 24 heures après l'administration de la dose. Environ 0,6 % de la dose appliquée a été absorbée (i.e. translocation dans le système circulatoire) pendant la première heure après le gavage ; la fraction encore présente dans les tissus après 7 jours s'élevait à environ 0,05 % de la dose appliquée. Dans le foie, les poumons et le sang, la rétention des nanoparticules a diminué de la 4^e heure au 7^e jours. Dans le cerveau, l'utérus et les reins, les concentrations les plus élevées ont été observées au 7e jour. La concentration maximale dans le foie et la rate était respectivement de 12,5 % (4 h) et 2,6 % (24 h) de la dose absorbée. Selon les auteurs, en raison de la lenteur de la cinétique d'excrétion, l'accumulation de particules dans des cellules et organes spécifiques est susceptible de se produire chez les sujets exposés de manière chronique aux NPs de TiO₂. A partir de cette étude, le groupe d'experts a considéré que la disponibilité systémique des NPs de TiO₂ administrées par voie orale est de 0,6 %, en se basant sur l'hypothèse que le TiO₂ radio-marqué au ⁴⁸Vanadium est un traceur fidèle des NPs de TiO₂. Le groupe a également considéré que cette étude montre des différences significatives dans la distribution entre les voies d'exposition.

  Le groupe d'experts de l’EFSA [36] a aussi conclu, à partir d’un calcul sur des données de l’étude de Tassinari et al. [40], que 0,001 % de la dose totale ingérée de NP de TiO₂anatase (0, 1, 2 mg/j pendant 5 jours) était présente dans la rate et les ovaires.

   

  Après une exposition par inhalation, les particules de TiO₂ sont retrouvées au niveau des poumons et des ganglions lymphatiques [25]. Les nanoparticules (20 nm) sont retrouvées en plus grand nombre dans les ganglions lymphatiques que les particules fines (250 nm). Elles possèdent par ailleurs une plus grande capacité à pénétrer les espaces interstitiels, après leur déposition au niveau des alvéoles (respectivement 44 % et 13 %) [41424344]. Une quantité très faible est retrouvée dans le foie de souris, suite à l'inhalation de 40 mg/m³ de TiO₂ (agglomérats entre 10 et 100 nm, surface spécifique 107 m²/g, forme rutile, présence d'impuretés - Zr, Si, Al - et enrobées de polyalcools) pendant 10 jours, 1 heure par jour [45].

  Après instillation nasale, une translocation neuronale est suspectée d'être à l'origine de l'accumulation de nanoparticules de TiO₂ dans certaines parties du cerveau [46]. Une accumulation de nanoparticules de TiO₂ est observée dans le cerveau (principalement au niveau du cortex cérébral, du thalamus, de l'hippocampe et du bulbe olfactif), signe d'un passage de la barrière hémato-encéphalique [4647].

  Chez le rat, la clairance alvéolaire des particules ultrafines est augmentée, par rapport à celle des fines, du fait d'une translocation plus importante de ces particules dans l'interstitium pulmonaire [4142].

   

  Après instillation intra-trachéale d'une dose unique comprise entre 40 et 240 µg/kg de poids corporel chez des rats femelles adultes, la biocinétique de nanoparticules de TiO₂ radiomarquées au ⁴⁸V (taille médiane de 70 nm) a été étudiée à 1 h, 4 h, 24 h, 7 j et 28 j [28]. Environ 4 % de la dose pulmonaire initiale a traversé la barrière air-sang après 1 h et a été retenue principalement dans la carcasse (90 % des nanoparticules transloquées). Après 28 jours, 0,4 % de la dose initiale dans les poumons est encore retenue. Les concentrations les plus élevées dans les organes étaient dans le foie et les reins (chacun environ 7 % à 28 jours de la dose transloquée). À l'exception de la carcasse et des tissus mous, aucun des organes et tissus situés au-delà de la barrière air-sang n'a atteint une rétention totale de 0,1 % de la dose pulmonaire initiale. Les nanoparticules qui ont traversé l'épithélium intestinal après une élimination rapide et à long terme des poumons via le larynx ont contribué pour 20 % de toutes les nanoparticules absorbées.

   

  Après l'administration intraveineuse de nanoparticules de TiO₂ dans du sérum (5 ou 10 mg/kg), les niveaux les plus importants sont retrouvés dans le foie, puis de manière décroissante, dans la rate, les poumons et les reins de rats exposés [49 ; 50]2. Après exposition à des doses plus élevées (56 et 560 mg/kg de TiO₂), les nanoparticules sont retrouvées dans le foie, les poumons et les reins, et s'avèrent toujours présentes dans ces organes 26 semaines après l'injection [50].2https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#ancre_BiblioTexte

  Kreyling et al. [51]ont étudié le devenir d'une suspension aqueuse de nanoparticules de TiO₂ radiomarquées au ⁴⁸V administrée par voie intraveineuse chez des rats femelles : taille de particule primaire 7-10 nm, taille de particule dans l'eau/tissu 88 nm. À 1 h, 4 h, 24 h, 7 jours et 28 jours, quatre rats par temps ont été euthanasiés. Quatre heures après l'injection, 99,5 % de la dose a été retrouvée dans le foie et à 28 jours 88,9 % de la dose a été retrouvée dans le foie. La rate et les reins contenaient quelques pour cent de la dose (rate 2,5-4 %, reins 0,05-0,2 %). Tous les autres tissus avaient des contenus plus faibles. Les os (y compris la moelle) et les autres tissus contenaient 1 % et 0,7 %.

   

  À la suite d’injections sous-cutanées de nanoparticules de TiO₂ à des souris et à doses élevées (560 et 5600mg/kg), les agglomérats les plus importants sont observés au niveau des ganglions inguinaux et, dans une moindre mesure, au niveau du foie, de la rate et des poumons [50].

  Métabolisme

  Aucune donnée de disponible, les particules de dioxyde titane n'étant pas métabolisées, du fait de leur caractère insoluble dans les liquides biologiques.

  Excrétion

  Pujalte et al. [52]ont montré que le nano- TiO₂ après inhalation est principalement excrété dans les fèces par rapport à l'urine. Les auteurs ont estimé que ces données, combinées aux évolutions temporelles observées du nano- TiO₂ dans les poumons, le sang et les ganglions lymphatiques, sont compatibles avec une élimination mucociliaire des voies respiratoires et une ingestion de particules. En ce sens, cette excrétion dans les fèces n’est pas représentative d’une élimination de nano- TiO₂ préalablement absorbé au niveau systémique [23].

  Demi-vies d’élimination

  Après administration par inhalation : calculées par Hext [53] d’après les données de Bermudez [54, 25], ces T1/2 sont : pour les particules fines de qualité pigmentaire chez le rat [100 jours], la souris [50 jours], le hamster [40 jours] et pour les nanoparticules chez le rat [395  jours], la souris [319 jours] et le hamster [39 jours]).

  Après administration IV : d’après Kreyling et al. [51], les nanoparticules radiomarquées ⁴⁸V-TiO2 était excrétées dans l'urine : en 28 jours l'excrétion s'élevait à environ 1 %, la plus grande quantité étant excrétée le premier jour. L'excrétion par les fèces, indicative d'une excrétion biliaire, s'élevait à 3 % sur 28 jours. A partir des données de Geraets et al. [55] aussi en administration IV, le groupe d'experts de l’EFSA[36]a estimé la demi-vie des NPs de TiO2 pour le corps entier à respectivement environ 200 et 450 jours et le temps nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre à 3 et 5 ans, pour les nano- TiO₂s NM-100 et NM-102.

  Aucune information quantitative n'est disponible pour la forme micrométrique administrée par voie IV.

  Chez l'Homme

  Les études ont été principalement conduite avec du TiO₂ de qualité alimentaire (E171) constitué de nanoparticules et de microparticules de 15 nm à 5 µm : la plupart d’entre elles sont entre 60 et 300 nm avec une fraction nanométrique en nombre d'au moins 10 à 15 % [57].

  Voie orale [57, 36]33https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#ancre_BiblioTexte

  Chez l’homme, l’étendue de la translocation des particules administrées par voie orale vers la circulation systémique n'est pas claire bien que des études humaines, utilisant le TiO2, en fournissent un aperçu.

  • Les niveaux sanguins séquentiels de titane ont été recherchés chez six volontaires (hommes de 24 à 66 ans) après l'ingestion de capsules de gélatine ou de poudres contenant 23 ou 45 mg de TiO₂ (anatase, 0,16 et 0,38 µm). Les auteurs ont démontré une augmentation de 5 à 10 fois par rapport à la ligne de base des niveaux de titane dans le sang, atteignant généralement un pic 8-12 heures après l'ingestion mais avec une forte fluctuation individuelle. Les particules de 0,38 µm montraient une absorption moindre, très probablement due à des phénomènes d'agglomération selon les auteurs.
  • Huit volontaires (sept ont terminé l'étude) ont ingéré deux capsules contenant chacune 50 mg d'E 171 avec 250 mL d'eau. Des échantillons de sang ont été prélevés à 0, 30 min et 1, 1,5, 2, 3, 6, 8 et 10 h après l'ingestion. La concentration de Ti dans le sang a augmenté d'environ 5 à 10 fois de 6 à 10 heures après l'administration. Les mesures étaient corrélées et le pic d'absorption chez un participant se situait 6 h après l'ingestion (environ 11 μg/L). Les auteurs ont considéré que deux voies d'absorption des particules semblent exister dans l'intestin humain, une proximale (dans le duodénum/jéjunum) et une distale (absorption tardive par la plaque de Peyer dans l'iléon). La concentration de Ti dans le sang et le nombre de particules ont augmenté démontrant la disponibilité systémique du TiO₂ oral.
  • Une autre étude [57] n’a pas pu démontrer l'absorption aiguë de TiO₂ chez l'homme lors de l'administration de 5 mg/kg de poids corporel mais les niveaux de base élevés dans la détection du signal pour le Ti peuvent avoir masqué la détection des nanoparticules absorbées dans le sang (15 nm, 100 nm et microparticules <5µm).

  En conclusion, l'absorption systémique de TiO₂ de qualité alimentaire ingéré peut se produire à de faibles niveaux bien que la façon dont les particules sont incorporées dans la matrice ingérée puisse influencer l'ampleur de cette absorption.

   

  Transfert placentaire

  Des particules de TiO₂ ont été trouvées dans le placenta humain en faibles concentrations [36], indiquant outre la disponibilité systémique du TiO₂ après ingestion qu’il peut également se distribuer dans le placenta. Dans un modèle de placenta humain ex vivo, des particules ont été transférées et leur distribution de taille était similaire à celle du E171 présent dans le perfusat. Le groupe d'experts de l’EFSA a noté que l'étendue du transfert à travers les membranes placentaires était faible.

• Mode d'actions

  Le TiO₂ est peu soluble dans des circonstances physiologiques normales ainsi que dans des suspensions aqueuses d'après les taux de dissolution dans les fluides pulmonaires artificiels et la lenteur de la clairance pulmonaire chez l'homme, avec une demi-vie de plus de 100 jours lors d'expositions court terme.

  Le raisonnement qui sous-tend le mécanisme pouvant conduire à un effet indésirable chez le rat est que, lors d'une exposition chronique par inhalation au TiO₂ à des concentrations relativement élevées, les particules peuvent s'accumuler dans les poumons. Dans le cas où l'accumulation de particules dépasse la capacité normale d’élimination dans les poumons, une clairance altérée est induite, objectivée par une augmentation de la demi-vie de rétention pulmonaire. Cet événement entraîne un recrutement continu de macrophages alvéolaires et de neutrophiles conduisant à une inflammation persistante. En raison de l'inflammation persistante et/ou de l'interaction cellulaire avec la surface des particules de TiO₂, des espèces réactives de l'oxygène (ERO) sont générées, ce qui peut induire un stress oxydatif si la capacité antioxydante des poumons est dépassée.

  Des lésions des cellules épithéliales peuvent alors survenir induisant une prolifération régénérative de cellules épithéliales et conduisant à des lésions prénéoplasiques et finalement à des tumeurs pulmonaires épithéliales (par ex. des adénomes et des carcinomes). Il convient de souligner que la prolifération cellulaire et les lésions prénéoplasiques ne conduisent pas automatiquement à des tumeurs pulmonaires.

  En plus des dommages indirects à l'ADN, les particules de TiO₂ pourraient être capables d'induire des dommages directs à l'ADN des cellules épithéliales, ce qui pourrait également entraîner des tumeurs pulmonaires.

  En résumé chez les rats, l'altération de la clairance induite par une exposition pulmonaire dépassant les capacités normales d’épuration des poumons est associée à un recrutement de macrophages alvéolaires (MA) et de cellules polymorphonucléaires dans la région alvéolaire pouvant conduire à une inflammation chronique, une prolifération cellulaire et finalement à un cancer du poumon. Une interaction des nanoparticules de TiO₂ avec l'ADN ne peut pas être exclue comme mode d'action possible (génotoxicité directe) pour l'induction de lésions pulmonaires néoplasiques.

• Toxicité expérimentale

  Toxicité aiguë

  Après instillation intratrachéale, il s’avère que les particu­les ultra-fines (< 100 nm) sont plus dangereuses que les particules fines (> 100 nm). Au niveau pulmonaire, les prin­cipaux effets observés sont une réponse inflammatoire, une atteinte des tissus, une cytotoxicité et des altérations morphologiques, plus ou moins marquées selon la taille des particules. L'inhalation de particules ultra-fines de TiO₂ entraîne une inflammation et une cytotoxicité pulmonaires, associée à des modifications histopathologiques épithéliales. Un dysfonctionnement microvasculaire a également été observé après exposition au nano-TiO₂ par inhalation et instillation intratrachéale, en présence d'une inflammation pulmonaire.

  Par voie orale, la toxicité aiguë est faible. Une inflamma­tion et de légères altérations histologiques au niveau du foie et des reins sont rapportées à la suite de l’administra­tion de fortes doses de TiO₂ par gavage (5 000 mg/kg, taille particules 150 nm).

  Les particules micrométriques sont à l’origine d’une irrita­tion mécanique des muqueuses respiratoire et oculaire. Concernant les particules nanométriques, aucune irritation ou sensibilisation cutanée n’a été mise en évidence.

  • Après instillation intratrachéale d'une dose unique de dioxyde de titane, les effets suivants sont rapportés :

  ►Réponse inflammatoire pulmonaire (avec infiltration de macrophages et/ou de neutrophiles au niveau des alvéoles et du tissu interstitiel), plus prononcée chez les animaux exposés au dioxyde de titane sous forme nanométrique [43, 44, 58 à 65].

  Après 72 heures, aucun signe d'inflammation n'est rapporté chez des souris exposées à des particules fines de TiO2 (diamètre moyen 250 nm) 4[664]. Atteinte des tissus avec augmentation de la perméabilité de l'épithélium pulmonaire et cytotoxicité (augmentation du taux de LDH dans le liquide broncho- alvéolaire) [43, 65, 58], plus marquée chez les rongeurs exposés au dioxyde de titane sous forme nanométrique.4https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#ancre_BiblioTexte

  ►Altérations morphologiques des poumons (hypertrophie de l'épithélium alvéolaire notamment), plus prononcée chez les animaux exposés au dioxyde de titane nanométrique [58, 64].

  ►Modification de l'expression des gènes, associée à une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires, chez le rat exposé à des particules micrométriques (290 nm) [67] et la souris exposée à des particules nanométriques (10, 50 et 100 nm). Cette amplification est d'autant plus marquée que la taille des particules diminue [59].

   

  De nombreux auteurs ont donc montré que les particules ultra-fines de TiO₂ (taille < 100 nm) étaient plus dangereuses que les particules fines (> 100 nm) à doses équivalentes en masse. Dans ces études, la dose exprimée en surface était mieux corrélée aux effets observés que la dose exprimée en masse. Il semblerait que la surface spécifique plus élevée des nanoparticules joue un rôle important, vraisemblablement par libération de radicaux libres [42, 43, 65, 58, 59].

  En revanche, pour une même forme cristalline (anatase), il a été montré que des particules de 5 nm étaient moins dangereuses que celles de 21 nm, à la suite d'une exposition corps entier ou par instillation nasale [60]. Ces observations montrent qu'à elle seule, la taille des particules n'explique pas leur potentielle toxicité  : d'autres paramètres, tels que la surface spécifique ou la forme cristalline doivent aussi être pris en compte dans l'interprétation des résultats [43].

  De nombreuses études de toxicité aiguë par instillation intratrachéale sont disponibles. Bien que non transposables quantitativement, car non représentatives d'une exposition normale (les voies respiratoires supérieures sont contournées), elles apportent des informations complémentaires pour l'identification des dangers. La plupart de ces études ont montré des effets pulmonaires similaires à ceux des études par inhalation. Les doses utilisées dans les études par instillation sont difficiles à comparer entre elles en raison des différentes métriques utilisées par les auteurs et encore plus avec les études par inhalation [23].

   

  • Inhalation

  Une étude a étudié les effets pulmonaires de deux nano- TiO₂ différents (5 nm anatase et 21 nm anatase/rutile) administrés à environ 0,7 et 7 mg/m³ pendant 4 heures. Des effets similaires ont été rapportés avec les deux formes à la haute concentration, dont une inflammation montrée dans le liquide de lavage broncho-alvéolaire (LLBA) sans changements histopathologiques dans le poumon [23].

  Des souris ont été exposées par inhalation nasale à du TiO₂ 20 nm (anatase : brookite 3/1) pendant 30 min à 0, 8, 20 et 30 mg/m³. L'effet principal était une réduction du débit d'air qui s'est produite à chaque concentration étudiée. Par la suite, les mêmes auteurs ont étudié les effets respiratoires chez la souris après une exposition de 30 min au TiO₂ rutile (10 x 40 nm) recouvert de nano silice à 0, 5, 10, 20 et 30 mg/m³. L'exposition a induit une première phase d'irritation pulmonaire (respiration rapide et superficielle), à partir de 10 mg/m³ d'exposition, mais n'a pas induit d'inflammation [23].

  Des rats Wistar ont été exposés à des aérosols de 0 (contrôle), 2, 10 et 50 mg/m³ de nano-dioxyde de titane (TiO₂) par inhalation 6 h/jour pendant 5 jours [68]. L'inflammation pulmonaire a été associée à des augmentations dose-dépendantes du nombre total de cellules et de neutrophiles dans le LLBA, de la teneur en protéines totales, des activités enzymatiques et des niveaux d'un certain nombre de médiateurs cellulaires. La réplication cellulaire (déterminée par l'incorporation de 5-bromo-2'-désoxyuridine) a augmenté à toutes les doses de nano- TiO₂ dans les bronches grandes et moyennes et les bronchioles terminales. Les effets sur les paramètres mesurés étaient les plus marqués aux jours 5 ou 8 de l'étude, certains paramètres revenant à des niveaux de contrôle au jour 21.

  Dans l’étude de Landsiedel et al. [69], des rats Wistar mâles (8 animaux/groupe) ont été exposés (nez seul) 6h/jour sur 5 jours consécutifs à 0,5, 2 et 10 mg/m³ de nano- TiO₂ (T-Lite SF, 15x50 nm, rutile avec un minimum d'anatase, enrobé avec un copolymère diméthicone/méthicone). L'exposition a induit une augmentation concentration-dépendante des cellules polymorphonucléaires (PMN) et des monocytes dans le LLBA à 2 mg/m³ et 10 mg/m³. La réponse inflammatoire était associée à une augmentation de la libération de LDH et de phosphatase alcaline aux mêmes concentrations. Les marqueurs de l’inflammation dans le LLBA sont restés élevés à la fin de la période de récupération pour le groupe exposé à 10 mg/m³. En outre, de nombreux macrophages alvéolaires chargés de pigments ont été observés dans les alvéoles ainsi qu'une légère histiocytose diffuse à cette concentration, non entièrement réversible après 3 semaines de récupération. Les auteurs rapportent une NOAEC de 0,5 mg/m³ basée sur l'inflammation pulmonaire mise en évidence dans le LLBA. Ces résultats sont cohérents avec ceux de Bermudez et al. [25].

  Selon le SCCS[31], les études d'exposition aiguë et subchronique par inhalation aux nanomatériaux de TiO₂ ont montré des réponses inflammatoires substantielles et des indications histologiquement claires d'hypertrophie et d'hyperplasie épithéliale aux doses élevées d'exposition.

   

  • Effets cardiovasculaires

  Une série de publications entre 2009 et 2015 d’une même équipe citée par l’ANSES [23] a étudié l'effet de l'exposition à l'Aéroxide TiO₂ P25 (anatase/rutile ; 21 nm) sur la fonction microvasculaire. Les animaux ont été exposés selon différentes combinaisons temps-concentration dans une étude, puis à 6 mg/m³ pendant 4 heures dans les autres. Ces études montrent que l'exposition aiguë à l'Aéroxide TiO₂ P25 induit un dysfonctionnement vasculaire via la génération de ROS, ce qui conduit à réduire la biodisponibilité du NO et finalement altère la vasodilatation. De plus, compte tenu des observations, il a été estimé que les effets cardiovasculaires observés sont concomitants à un faible effet inflammatoire pulmonaire. Les effets sur la fonction cardiovasculaire après une exposition aiguë ont également été observés dans d'autres études réalisées par instillation.

   

  • Exposition par voie orale

  Les nanomatériaux de TiO₂ testés pour la toxicité orale aiguë sont principalement des mélanges d'anatase/rutile, recouverts de triméthoxy-n-octyl-silane. La DL50 dérivée chez le rat est >2150 mg/kg et une étude a déterminé la dose létale approximative à >11 000 mg/kg [31].

  Des souris, exposées par gavage à 5000 mg/kg de TiO₂ de tailles variées (25, 80 ou 155 nm), ne présentent aucun signe de toxicité aiguë. Toutefois, les nanoparticules sont à l'origine d'une réponse inflammatoire (augmentation du taux des transaminases sériques) et de légères altérations histopathologiques du foie (présence d'hépatocytes nécrosés) et des reins (présence de protéines dans les tubules rénaux et augmentation du volume glomérulaire) [3837].

  Une DL50 supérieure à 5 000 mg/kg a été déterminée chez des rats femelles exposés à différentes doses de nano- TiO₂ (taille moyenne en solution 140 nm, mélange rutile/anatase 79/21 %, surface spécifique 38,5 m²/g, enrobées d'alumine et de silice amorphe) [64].

   

  • Irritation

  Selon les experts du SCCS [32], il semble que les nanomatériaux de TiO₂ soient peu ou pas irritants pour la peau. Le potentiel d'irritation des yeux du nano- TiO₂ semble être faible.

  Les particules micrométriques de dioxyde de titane sont à l'origine d'une irritation mécanique des muqueuses respiratoire et oculaire (effet poudre). Concernant les particules nanométriques, l'application de 0,5 g de TiO₂ (taille moyenne en solution 140 nm, rutile/anatase 79/21 %, surface spécifique 38,5 m2/g, enrobées d'alumine et de silice amorphe), sur la peau de lapin rasée, n'engendre aucune irritation. Aucun signe de toxicité ou de perte de poids n'est observé par la suite [64]. De même, l'application de 100 µg/mL de TiO₂ (particules primaires entre 30 et 50 nm) ne provoque ni œdème, ni irritation, après 24 ou 72 heures d'exposition [73].

  L'application répétée chez le mini-porc (in vivo), pendant 22 jours, de différentes crèmes solaires, contenant du dioxyde de titane de différentes tailles (comprises entre 30 et 500 nm), n'entraîne aucune irritation [34].

  Au niveau oculaire, une légère rougeur de la conjonctive est observée, chez le rat, après l'instillation des particules ultrafines de TiO₂ ; elle est réversible au bout de 48 heures[64].

   

  • Sensibilisation

  Aucune sensibilisation cutanée n'est mise en évidence au cours d'essais de stimulation locale des ganglions lymphatiques, réalisés chez la souris avec des particules nanométriques [6473].

  D'après deux études analysées par le SCCS [31], les nanomatériaux de TiO₂ (mélange d'anatase et de rutile, revêtu de triméthoxy-caprylylsilane ou de triméthoxy-n-octyl-silane) ont été considérés comme non sensibilisants. Un autre matériau (rutile ultrafin, revêtu d'alumine/silice) est classé comme un sensibilisant faible selon la classification de Magnusson-Kligman mais les informations sur la caractérisation des matériaux testés n'ont pas été rapportées (distribution en taille des particules). En raison de l'absence de pénétration cutanée du TiO₂, comme le démontrent de nombreuses études, l'utilité de l’étude du pouvoir de sensibilisation de ces nanomatériaux basé sur l'exposition à une peau intacte est douteuse. Les données utiles sont limitées mais les nano- TiO₂ semblent être des sensibilisants cutanés faibles ou non sensibilisants.

  Toxicité subchronique, chronique [70]

  Par inhalation, différents types d’effets ont été rapportés au niveau des poumons, à la suite d’une exposition répé­tée : inflammatoire, cytotoxique, prolifératif, avec altéra­tions histopathologiques. L’intensité des effets dépend notamment, de la taille des particules, de la forme cristal­line et de l’enrobage éventuel des particules. Des effets cardiovasculaires et neurotoxiques ont aussi été observés dans le cas du nano-TiO₂. Des effets hépatotoxiques et des tumeurs intestinales ont été observées après ingestion de nano-TiO₂ (additif alimentaire E171). 

  Des études d’exposition répétée sont disponibles par inhalation ou par instillation. Ces dernières, ne peuvent pas être utilisées pour l'évaluation des risques, principalement parce que cette exposition contourne les voies respiratoires supérieures et n'est donc pas représentative de l'exposition par inhalation [70]5.5https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#ancre_BiblioTexte

  Plusieurs facteurs influent sur la réponse observée, comme la taille des particules, la forme cristalline, l'enrobage des particules, l'espèce étudiée ou la voie d'exposition. Ainsi, les particules ultra-fines sont à l'origine d'une réponse inflammatoire pulmonaire plus sévère que les particules fines [42].

   

  • TiO₂ micrométrique (particules fines)

  A titre d’exemple et à fin de comparaison avec les effets obtenus chez le rongeur avec les particules ultrafines (cf infra), on peut citer l’étude de Bermudez et al [54].

  Des souris, des rats et des hamsters femelles ont été exposés à 10, 50 ou 250 mg/m³ de particules de TiO₂ pigmentaire (rutile, diamètre aérodynamique moyen en masse de 1,40 µm) 6 h/j, 5j/semaine pendant 13 semaines. Des groupes de récupération ont été maintenus pendant 4, 13, 26 ou 52 semaines supplémentaires après l'exposition (46 semaines pour les hamsters exposés). Les résultats suggèrent que les rats et les souris étaient en surcharge pulmonaire à partir de 50 mg/m³, c’est-à-dire une concentration d’exposition excessive entraînant une accumulation des particules associée à une clairance pulmonaire insuffisante. Une inflammation a été observée chez les trois espèces à 50 et 250 mg/m³ : augmentation du nombre de macrophages et de neutrophiles et des marqueurs de l’inflammation dans le LLBA (rats > souris, hamsters). Chez les souris et les rats, les réponses inflammatoires du LLBA sont restées élevées par rapport aux témoins pendant toute la période de récupération post-exposition chez les animaux les plus exposés. Les lésions pulmonaires étaient les plus graves chez les rats, où des changements épithéliaux et fibroprolifératifs progressifs ont été observés dans le groupe exposé à 250 mg/m³. Ces changements épithéliaux prolifératifs se sont également manifestés chez les rats par une augmentation du marquage des cellules épithéliales alvéolaires dans les études de prolifération cellulaire. L'accumulation de particules interstitielles et la fibrose du septum alvéolaire étaient associées à ces foyers de prolifération épithéliale.

   

  • TiO₂ nanométrique (particules ultrafines)

  Les résultats des études de toxicité à doses répétées avec le TiO₂ nanométrique réalisées par inhalation montrent que l'effet le plus sensible est l'inflammation pulmonaire qui est observée à partir de 2 mg/m³ chez le rat. Des effets pulmonaires plus sévères, y compris la tumorigenèse pulmonaire, se sont produits à des concentrations plus élevées (≥ 10 mg/m³). Des effets sur d'autres organes sont également rapportés à des concentrations supérieures à 2 mg/m³ dont des effets sur le système cardiovasculaire à 6 mg/m³. De même, une neurotoxicité et des effets sur le développement ont été observés à une seule concentration testée de 10 mg/m³. En ce qui concerne la toxicité sur le foie et les reins, les études ont toutes été réalisées par instillation et ne peuvent être comparées de manière adéquate avec les études par inhalation.

  Dans l'étude réalisée par Bermudez et al. [25], des rats, souris et hamsters femelles ont été traités avec des concentrations cibles d'aérosols de 0,5, 2 ou 10 mg/m³ de nano- TiO₂ (Aéroxide TiO₂ P25, taille moyenne des particules primaires de 21 nm) pendant 13 semaines. Des groupes de 25 animaux par espèce et par temps ont été utilisés. Après la période d'exposition, les animaux ont été maintenus pour des périodes de récupération de 4, 13, 26 ou 52 semaines (49 semaines pour les hamsters). À chaque temps, ont été étudiés les charges pulmonaires et dans les ganglions lymphatiques ainsi que certaines réponses pulmonaires dont l'inflammation, la cytotoxicité, la prolifération des cellules pulmonaires et les altérations histopathologiques. De nettes différences entre les espèces au niveau de la clairance pulmonaire et des lésions ont été observées, le rat étant l’espèce la plus sensible. Une inflammation a été observée chez les rats et les souris à 10 mg/m³, comme en témoigne l'augmentation du nombre de macrophages et de neutrophiles ainsi que la LDH et les protéines dans le LLBA. Lors de l'évaluation histopathologique, les lésions pulmonaires étaient les plus graves chez le rat par rapport aux souris et aux hamsters. La NOAEC pour les rats a été établie à 0,5 mg/m³, sur la base d’une LOAEC à 2 mg/m³ basée sur une inflammation mise en évidence dans le LLBA et des lésions pulmonaires (hypertrophie et hyperplasie minimes des cellules épithéliales alvéolaires de type II). La NOAEC pour les souris a été fixée à 2 mg/m³ sur la base de l'inflammation mise en évidence dans le LBA. La NOAEC pour le hamster a été fixée à la plus forte concentration testée de 10 mg/m³.

   

  Parmi les expériences par inhalation avec des nanoparticules de TiO₂, l’étude de Bermudez et al. [25] de 13 semaines est considérée comme une étude clé [23]. Il s'agit en effet de l'étude la plus robuste disponible par inhalation. Le nano- TiO₂ utilisé (Aéroxide TiO₂ P25 ; 80 % anatase/20 % rutile ; environ 21 nm) est l'une des formes de référence de nano- TiO₂ de l'OCDE et est entièrement caractérisé [70] : les propriétés physico-chimiques intrinsèques d'un nanomatériau, telles que la cristallinité, la taille, la surface et la modification de la surface des particules sont supposées influencer sa réactivité et son comportement. De plus, par rapport à la plupart des autres études disponibles, les concentrations utilisées (0,5, 2 et 10 mg/m³) sont adaptées à l’observation d’une relation dose-réponse et à l’identification d’une concentration sans effet observé. L’inclusion de trois espèces de rongeurs (souris, rats et hamsters) a aussi permis d'évaluer la sensibilité de différentes espèces au nano- TiO₂. Les autres études de toxicité à doses répétées réalisées avec plusieurs concentrations par inhalation, même si elles sont réalisées sur d'autres formes de nano- TiO₂ [24, 68, 69, 73], confirment qualitativement et quantitativement les résultats obtenus par Bermudez et al. [25].

   

  Comparaison des effets obtenus entre les particules de TiO2 fin et ultrafin

  Bermudez et al [25] ont trouvé de nombreuses similitudes entre leurs deux études d'inhalation inter-espèces sur 90 jours : l'une avec des particules de TiO₂ de qualité pigmentaire à 0, 10, 50 et 250 mg/m3 et l'autre avec des particules de TiO2 ultrafines à 0, 0,5, 2 et 10 mg/m³.

  Dans l'étude sur les particules de qualité pigmentaire, les expositions à 50 et 250 mg/m³ ont produit une surcharge pulmonaire en particules chez les rats et les souris mais pas chez les hamsters. L'inflammation pulmonaire a été observée chez les trois espèces à 50 et 250 mg/m³. Les lésions pulmonaires étaient les plus sévères chez les rats, avec des changements épithéliaux métaplasiques et fibroprolifératifs progressifs concomitants avec une prolifération accrue des cellules épithéliales alvéolaires observée dans le groupe exposé à 250 mg/m³.

  Pour l’étude sur les particules ultrafines et chez les trois espèces de rongeurs, la charge pulmonaire à la concentration de 10 mg/m³ correspondait à celle obtenue avec des particules fines de dioxyde de titane à des concentrations de 50 mg/m³. La comparaison des marqueurs de l’inflammation dans le LLBA a révélé une image similaire.

   

  Voie orale [72]66https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#ancre_BiblioTexte

  Des études ont été réalisées avec l’additif alimentaire E171 qui est constitué de particules de TiO₂ dont les différentes distributions en taille comprennent des nanoparticules : entre 10 et 49 % en nombre (des différences dans la structure cristalline et les revêtements de surface sont également possibles).

  Les études expérimentales récentes ont signalé des effets indésirables sur le foie et la formation de tumeurs intestinales après une exposition orale tandis que d'autres n'ont observé aucun effet sur le foie et l'intestin malgré une exposition prolongée et/ou des doses élevées. Le TiO₂ semble être capable d'exercer des effets précoces dans les études animales tels que la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), l'induction du stress oxydatif et l'inflammation. D’après l’étude de Brand et al [72] ces effets sont observés à des concentrations de TiO₂ dans le foie qui ne sont qu'un facteur de 30 fois en concentration médiane et 6 fois la concentration la plus élevée trouvée dans cette étude chez les humains. Cela confirme les conclusions antérieures selon lesquelles on ne peut exclure des effets néfastes sur le foie chez l'homme à la suite d'une exposition orale au TiO₂. Les données pour la comparaison avec les niveaux de Ti dans les tissus intestinaux, la rate et les reins humains avec les concentrations d'effets étaient trop limitées pour tirer des conclusions fermes.

  Effets génotoxiques [19, 53]

  Les données disponibles concernant les effets génotoxiques induits par les particules de TiO₂ sont très hétérogènes. Elles portent essentiellement sur les formes nanométriques du dioxyde de titane. Les résultats sont difficiles à interpré­ter car fortement influencés par les conditions expérimen­tales, le type de lignée cellulaire et le type de particules (taille et/ou surface spécifique, forme cristalline, présence ou absence d’enrobage...).

  Les données disponibles concernant les effets génotoxiques induits par les particules de TiO₂ sont très hétérogènes. Elles portent essentiellement sur les formes nanométriques du dioxyde de titane.

  Les études in vitro et in vivo publiées montrent que le TiO₂ induit des dommages à l'ADN, même à des doses qui ne surchargent pas la capacité de clairance des macrophages. Cependant, malgré les efforts intenses de recherche associés à l'harmonisation des protocoles, malgré l'utilisation de modèles standardisés de nano- TiO₂ bien caractérisés, des études montrant des résultats contradictoires ont également été publiées [75].

   

  In Vitro [23] : De nombreuses études de génotoxicité in vitro sont disponibles pour le nano- TiO₂. La plupart des résultats publiés se réfèrent à la forme anatase ainsi qu'à un mélange d'anatase et de rutile (généralement l'Aéroxide TiO₂ P25). Des résultats négatifs et positifs sont rapportés dans les tests mutagènes in vitro. La plupart des résultats positifs ont été trouvés à des doses élevées dans les tests du micronoyau et des comètes avec une relation dose-réponse. Les incohérences observées dans les résultats des études peuvent être le résultat de différences dans les matériaux d'essai (taille, cristallinité, revêtement), les conditions d'essai (stabilité de la suspension de particules), les interactions avec les protéines ou les enzymes utilisées pendant l'essai, l’internalisation cellulaire...

  In Vivo [23] : Plusieurs études in vivo avec différents protocoles, matériaux testés, voies d'exposition sont disponibles avec le nano- TiO₂. La plupart des études se réfèrent à la forme anatase. La plupart des résultats positifs ont été trouvés dans les tests des comètes, les tests 8-oxodG et les tests de phosphorylation H2Ax. Comme pour les données in vitro, les résultats des études in vivo sont incohérents et les résultats positifs sont fournis principalement par les tests des comètes à des doses élevées. La plupart des études in vivo sont associées à plusieurs limitations méthodologiques (absence de contrôle positif, absence de preuve d'exposition des organes cibles, caractérisation insuffisante du matériau testé, voie d'administration non physiologique, etc.…).

  D’autres limitations peuvent être soulignées qui sont relatives au type de test utilisé. Ainsi selon l’OCDE [70] : « lors de l'évaluation du potentiel mutagène d'un produit chimique testé, il convient d'accorder plus de poids à la mesure des modifications permanentes de l'ADN (c'est-à-dire les mutations) qu'aux dommages à l'ADN qui sont réversibles ». En d’autres termes, les réponses positives à des tests tels que la mesure des cassures de l'ADN, des échanges de chromatides sœurs sont certainement associées à l'exposition mais doivent être considérées comme insuffisantes pour déterminer un effet mutagène.

  En conclusion et selon l’ANSES [23], le nano- TiO₂ est un génotoxique faible, avec des effets n'apparaissant qu'à des doses élevées mais montrant une relation dose-réponse dans plusieurs études positives.

  Effets cancérogènes [19]

  Par voie orale, aucun effet cancérogène n’a été observé avec des particules de taille non précisée.

  Par inhalation, l’incidence des tumeurs pulmonaires béni­gnes est augmentée chez les rats exposés à des particules micrométriques à une concentration extrêmement élevée. Les particules nanométriques sont à l’origine d’une aug­mentation des tumeurs bénignes (adénome, épithélioma) et malignes chez le rat à forte dose. A la suite d’instillations intratrachéales, seules les particules nanométriques entraî­nent une augmentation significative des tumeurs pulmo­naires malignes (adénocarcinomes et carcinomes malpighiens).

  Par inhalation, l’incidence des tumeurs pulmonaires bénignes est augmentée chez les rats exposés à des particules micrométriques à une concentration extrêmement élevée et non transposable à l’homme. Les particules nanométriques sont à l’origine d’une augmentation des tumeurs bénignes (adénome, épithélioma) et malignes chez le rat à forte exposition. Par voie orale (taille des particules non précisée), aucun effet cancérogène n'a été observé chez le rat ou la souris.

  • TiO₂ micrométrique

  Par inhalation, des rats ont été exposés à 0-10-50 et 250 mg/m³ de dioxyde de titane micrométrique (MMAD entre 1,5 et 1,7 µm, forme rutile) 6 heures par jour, 5 jours par semaine, pendant 2 ans [76, 77]. L'incidence des tumeurs pulmonaires bénignes est augmentée pour les deux sexes à 250 mg/m3, une exposition entraînant une surcharge pulmonaire massive. Des carcinomes malpighiens, identifiés comme tels à la fin de l'étude, ont été réévalués en kystes kératinisants bénins en 2006.

   

  • TiO₂ nanométrique

  Une seule étude de cancérogénicité par inhalation est disponible [78] 7 avec un nano-TiO₂ adéquatement caractérisé : P25 anatase/rutile 80/20, particules primaires 15-40 nm, MMAD 0,8 µm. Des rats femelles et des souris ont été exposés à différentes doses successives, 18 h/jour, 5 jours/semaine : 7,2 mg/m³ pendant 4 mois, 14,8 mg/m³ pendant 4 mois puis 9,4 mg/m³ pendant 16 mois pour les rats et 5,5 mois pour les souris. Après la période d'exposition, les animaux ont été maintenus dans des conditions d'air pur pendant 6 mois supplémentaires pour les rats et 9,5 mois pour les souris. Les rats ont développé des tumeurs pulmonaires (tumeurs épidermoïdes kératinisantes bénignes, carcinomes épidermoïdes, adénomes bronchio-alvéolaires et adénocarcinomes) à partir de 18 mois d'exposition. Une augmentation du taux de mortalité (60 % contre 42 % dans le groupe témoin), une diminution du poids corporel, une augmentation du poids humide des poumons, une altération de la clairance alvéolaire des poumons et des effets non néoplasiques dans les poumons (hyperplasie bronchioalvéolaire et fibrose interstitielle) ont également été signalés. Aucune augmentation du taux de tumeurs pulmonaires n'a été signalée chez la souris. Cependant, le taux élevé de tumeurs de fond dans le groupe témoin pourrait avoir limité la capacité de détecter tout effet cancérigène dans cette étude.7https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_291&section=pathologieToxicologie#ancre_BiblioTexte

   

  Pour référence complémentaire, les données animales relatives au potentiel cancérogène du TiO2 (micro et nano formes) ont été examinées par l’IARC [19], par le NIOSH [3] et aussi récemment par le RAC (Risk Assessment Committee) de l'ECHA [79] dans le cadre du règlement CLP (EC n°1272/2008).

  Effets sur la reproduction

  Concernant la fertilité, quelques paramètres s’avèrent modifiés à la suite d’une administration de particules nanométriques en sous-cutanée à des souris, notamment au niveau des tubes séminifères (diminution de la produc­tion de sperme et baisse de la motilité des spermatozoïdes) . Une diminution de la taille des portées et du poids des petits, ainsi qu'un dysfonctionnement microvasculaire et des signes de neurotoxicité chez la progéniture ont été observés après inhalation de nano-TiO_2.

  Aucune information n’est disponible concernant les particules micrométriques.

  Chez les mammifères, les données animales in vivo et in vitro disponibles sont limitées mais suggèrent que les expositions aux NPs de TiO₂ peuvent exercer certaines toxicités sur la reproduction et le développement. Des études supplémentaires sont nécessaires pour clarifier les mécanismes qui sous-tendent ces résultats de toxicité. Aucune étude réalisée avec un protocole standard pour évaluer la fertilité et le développement n'est disponible par voie respiratoire.

  Nombre d’études, décrites dans le rapport de l’Anses [23], ont suivi des protocoles mettant en œuvre des expositions excessives et non transposables à plus de 40 mg/m3 et par conséquent ne sont pas citées dans cette fiche.

  Fertilité

  En ce qui concerne les études in vivo, Takeda et al [80] ont démontré que l'exposition sous-cutanée prénatale de souris à des NPs de TiO₂ (25 et 70 nm ; 16 mg/kg) aux jours 3, 7, 10 et 14 peut endommager les systèmes nerveux génital et crânien de la progéniture. Dans cette étude, des NPs de TiO₂ identifiées par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie ont été trouvées dans les testicules et le cerveau de souris mâles de 6 semaines exposées, ce qui indique que les NPs de TiO₂ peuvent pénétrer à la fois dans le testicule et dans la barrière hémato-encéphalique.

  Développement

  Dans les études ci-dessous, l’Aéroxide TiO₂ P25 a été étudié sur des rats femelles Sprague Dawley et leur progéniture par le même groupe à une seule concentration. Dans ces études, les femelles gestantes ont été exposées corps entier 5h/jour soit à de l'air pur filtré (contrôle ; 0 mg/m³), soit à une concentration cible de 10 mg/m³ après l'implantation (à partir du 6e, 7e ou 10e jour de gestation), avec une durée moyenne d'environ 7-8 jours (Aéroxide TiO₂ P25 ; anatase 80 %, rutile 20 % ; particules primaires 21 nm ; diamètre aérodynamique moyen des agglomérats formés lors de l'aérosolisation 149,1 ± 3,7 nm ; surface spécifique 48 m²/g ; potentiel zêta -56,6 mV). Les aérosols générés excluaient les agglomérats > 400 nm.

  L'impact de la durée de l'exposition (≤ 7 jours versus ≥ 7 jours) a été étudié par Stapleton et al. [81]. Les auteurs ont montré des diminutions significatives de la taille et du poids moyen des portées, ainsi que du poids des petits après 11 jours d'exposition par inhalation, tandis qu'une exposition de 7 jours n'a eu aucun effet sur le poids maternel, les sites d'implantation, la taille des portées, le sexe des petits ou le gain de poids de la progéniture femelle. Aucune différence significative dans les caractéristiques de la mère ou de la portée (poids maternel, site d'implantation, nombre et poids des petits) n'a été notée.

  Les caractéristiques microvasculaires ont été analysées par Stapleton et al. [81, 82]. Les auteurs ont rapporté un dysfonctionnement microvasculaire fœtal après l'exposition in utero à l'Aéroxide TiO₂ P25. La dilatation dépendante de l'endothélium et la mécanotransduction active dans les artérioles coronaires et utérines étaient significativement altérées dans la progéniture femelle étudiée à l'âge de 11-16 semaines. En outre, une réduction significative de la respiration mitochondriale maximale dans le ventricule gauche et l'utérus a été notée. Ces diminutions de la respiration basale et maximale, ont été reliées aux anomalies systoliques et diastoliques et à l'atténuation de la contractilité des cardiomyocytes observées chez la progéniture [83]. Enfin, Stapleton et al. [83] ont rapporté une diminution de la dysfonction cardiaque (caractérisée par des changements épigénétiques et transcriptomiques) chez les fœtus tout en montrant une propension aux maladies hépatiques et rénales et une augmentation de la signalisation inflammatoire.

  Concernant la neurotoxicité, le comportement et les fonctions cognitives des petits ont été évalués à l'âge de 5 mois par Engler-Chiurazzi et al. [84] après exposition maternelle (10mg/m³, 5h/j et 4j/semaine à partir du 7^e jour de la gestation pour un total de 7,8 jours). Ils ont montré des altérations significatives de la mémoire de travail, en particulier sous un test mnémotechnique maximal, et de possibles déficits de la motivation initiale chez les adultes mâles F1. Selon les auteurs, ces résultats indiquent que l'exposition maternelle pendant la gestation produit des déficits psychologiques qui persistent à l'âge adulte chez les rats mâles.

  Les conclusions de l’ECHA indiquent que le TiO₂ ne présente pas de risque de toxicité pour la reproduction sur la base des études disponibles de toxicité et de carcinogénicité à long terme chez les rongeurs et des informations pertinentes sur le comportement toxicocinétique chez les rats.

  Toujours selon l’ECHA et concernant l’administration orale, dans six études conformes aux directives et aux BPL, le dioxyde de titane n'a montré aucun effet sur le développement des fœtus de rats lorsqu'il a été administré jusqu'à la dose limite de 1000 mg/kg pc/jour. Les essais portaient sur le dioxyde de titane sous les formes cristallines rutile et anatase en qualité pigmentaire et ultrafine. En conclusion, une classification comme toxique pour la reproduction n'est pas justifiée en raison de l'absence totale d'effets indésirables.

• Toxicité sur l’Homme

  Les poussières de dioxyde de titane peuvent entraîner une irritation mécanique des yeux et des voies respiratoires. Dans leur ensemble, les données disponibles sont en faveur de l’absence de lien entre l’exposition chronique au dioxyde de titane micrométrique et le risque de survenue de pathologies respiratoires chroniques et de cancer notamment pulmo­naire. Toutefois, les études présentent de nombreux fac­teurs limitants. Aucune d’entre elles n’a par ailleurs consi­déré spécifiquement le dioxyde de titane sous sa forme nanométrique. Il n’y a pas de donnée concernant les effets spécifiques des différentes formes cristallines.

  Toxicité aiguë

  Les poussières de dioxyde de titane peuvent causer une irritation mécanique des yeux et des voies respiratoires. L'ingestion de petites quantités de dioxyde de titane n'entraîne pas de trouble [1].

  Il n'a pas été décrit de cas de sensibilisation cutanée ou respiratoire chez l'homme.

  Toxicité chronique

  Selon l’analyse de l’ANSES [23], neuf études humaines ont été identifiées sur les effets toxicologiques suite à l'exposition par inhalation du TiO₂ chez les travailleurs. Parmi elles, trois études ont porté sur des travailleurs chinois et cinq ont examiné un échantillon de travailleurs de la République tchèque. Toutes ces études ont été considérées comme inadéquates, en raison de biais de sélection, de biais de classification de l'exposition au TiO₂ et de facteurs de confusion. Dans l'ensemble, aucune des neuf études considérées ne permet d'établir une relation causale entre l'exposition à des gammes de tailles nanométriques ou micro-métriques (correspondant toutes deux à la fraction alvéolaire) de TiO₂ et l'apparition d'effets biologiques ou sanitaires chez les travailleurs. Ces études suggèrent des effets possibles sur les fonctions respiratoires et cardiovasculaires dont les mécanismes peuvent inclure des réactions de stress oxydatif, l'inflammation et la régulation du système nerveux parasympathique. Cependant, aucune d'entre elles ne comporte d'analyses dose-réponse basées sur les concentrations de TiO₂ mesurées aux postes de travail ou individuellement. L'absence de méthode validée pour évaluer l'exposition individuelle est une limitation commune à toutes les études avec d'une part, l'incapacité de comparer les concentrations nanométriques de TiO2 avec le bruit de fond formé par d'autres particules de l'air intérieur, et d'autre part, l'incapacité d'évaluer la dose interne ou la dose effective (nano- TiO₂ déposé dans les voies respiratoires).

  Effets génotoxiques

  Il n'existe aucune donnée publiée chez l'homme.

  Effets cancérogènes

  Dans son évaluation de 2006, publiée en 2010 [19], le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a classé le dioxyde de titane, quelle que soit sa granulométrie, dans le groupe 2B des agents possiblement cancérogènes pour l'homme en raison de preuves suffisantes issues de l'expérimentation animale et de données inadéquates dans l'espèce humaine. Sept études épidémiologiques ont analysé le lien potentiel entre l'exposition professionnelle au TiO₂ et l'apparition de cancers, dont 5 rapportent des cohortes historiques basées sur l'industrie et 2 études cas-témoins. La caractérisation (taille, cristallinité) du TiO₂ n'est pas fournie dans les publications. Dans ce contexte, il ne peut être exclu que les travailleurs soient exposés, au moins partiellement, au TiO₂ sous nanoforme dans ces études [23].

  Malgré la disponibilité de cinq études de cohorte rétrospectives, certaines d'entre elles partagent une grande partie de leur population conduisant en fait à seulement trois populations distinctes. Toutes ces études présentent des biais pour la sélection des travailleurs et une possible mauvaise classification de l'exposition et de l'état de santé. Malgré ces limites, deux publications portant sur deux populations différentes (l'une américaine et l'autre européenne) ont signalé une augmentation statistique de la mortalité par cancer du poumon [85, 86].

  Boffetta et al. [86] ont signalé une augmentation statistiquement significative du ratio standardisé de mortalité (SMR) pour la mortalité par cancer du poumon (augmentation de 23 % en considérant tous les pays étudiés avec une augmentation de 51 % en Allemagne).

  Ellis et al.[85]ont signalé une augmentation significative de la mortalité par cancer du poumon (augmentation de 68 %) par rapport aux travailleurs référents de Dupont.

  En outre, une augmentation de la mortalité par cancer du poumon d'une importance statistique faible a également été constatée dans toutes les publications, à l'exception de Chen & Fayerweather (1988). L'absence de relation statistique entre la durée / le niveau d'exposition au TiO₂ et un excès de cancer du poumon peut être cachée en raison de déficiences méthodologiques (sélection biaisée, mauvaise classification de l'exposition et de l'état de santé, effet sur la santé des travailleurs, facteurs de confusion, catégorisation par niveau d'exposition, etc.)

  En ce qui concerne les études cas-témoins, elles sont jugées peu pertinentes pour conclure à la cancérogénicité pulmonaire du TiO₂, étant donné que le mode d'action devrait être principalement lié à sa nature de poussière [23].

  Guseva Canu et al.[87] pointaient sur l’insuffisance des données épidémiologiques pour conclure sur la cancérogénicité du nano-TiO2. En 2020 aussi, Guseva Canu et al. [88] ont réanalysé les données d’une sous-cohorte française de travailleurs du TiO₂ de l’étude européenne. Les données d’exposition étaient disponibles mais sans caractérisation physico-chimique du TiO₂ : les auteurs supposent que les travailleurs ont manipulé essentiellement du TiO₂ de qualité pigmentaire. Cette étude courte suggère une relation positive entre l'exposition au TiO₂ et une faible augmentation de la mortalité par cancer broncho-pulmonaire (CBP) mais, selon les auteurs, doit être confirmée dans d'autres cohortes, en utilisant des approches statistiques différentes.

  Effets sur la reproduction

  L'analyse de placentas humains et de méconium (premières selles des nouveau-nés) collectés lors de grossesses normales suggère un passage materno-fœtal du TiO₂, ce qui ne fournit pas d'informations sur la source des particules de TiO₂ dans ces organes et les voies d'exposition de la mère[90]. Ainsi, bien que des preuves expérimentales montrent que les particules de TiO₂ absorbées peuvent être capables de traverser le placenta pour atteindre le tissu fœtal, il n'a pas encore été établi si l'exposition humaine aux particules de TiO₂ entraîne des toxicités pour la reproduction et le développement.