Pathologie - Toxicologie
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Toxicocinétique - Métabolisme
L’ozone, absorbé au niveau des muqueuses des voies respiratoires (nez, trachée, bronches, alvéoles), réagit localement en induisant des lésions des membranes cellulaires.
Chez l'animal
L'ozone est modérément soluble dans l'eau, ce qui permet à une partie du gaz inhalé d'atteindre les bronchioles et les alvéoles. Un certain nombre de facteurs sont susceptibles d'influer sur le transport et l'élimination de l'ozone au niveau des voies aériennes supérieures : la morphologie nasale, le mode, le rythme et l'amplitude de la respiration, la composition biochimique et l'abondance du mucus.
Chez l'homme, l'absorption se fait à travers la couche de mucus qui recouvre les voies aériennes ; 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 [2]. L'ozone absorbé réagit avec des substrats biochimiques dans la couche de mucus ou diffuse vers les cellules épithéliales sous-jacentes [25].
Il est généralement admis que les lésions induites par l'ozone sont attribuables à une destruction oxydative des molécules biologiques, soit par réaction directe, soit par la formation de radicaux libres et d'intermédiaires réactifs. Il s'ensuit une peroxydation des lipides membranaires, une oxydation des groupements fonctionnels, une perte d'activité enzymatique, une altération de la perméabilité membranaire, une induction de l'inflammation et à l'extrême, une mort cellulaire [26].
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Toxicité expérimentale
Toxicité aiguë [2, 8, 11]
L’ozone provoque des lésions pulmonaires sévères du fait de son action irritante. Ces effets peuvent se traduire par un emphysème, un œdème pulmonaire ou une hyperréactivité bronchique non spécifique.
La CL50 est de 8 à 12 mg/m3 (4 à 6 ppm) chez le rat et la souris pour une exposition de 4 heures ; elle est plus élevée chez le lapin, le chat, le cobaye ou le chien. 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 0,5 à 1 mg/m3 (0,25 à 0,5 ppm) pour une exposition de 6 h. 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 h à des concentrations de 0,5 à 2 mg/m3 (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 [10]. 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 (0,6 mg/m3 soit 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.
L'inhalation d'ozone entraîne une hyperréactivité bronchique non spécifique chez le chien [8] et le cobaye [9].
Chez le rat, un effet cardiaque (arythmie, bradycardie) et une hypotension ont été observés, dus en partie à un effet sur le système parasympathique [13].
Au niveau hématologique, une exposition de brève durée à de fortes concentrations (6 à 16 mg/m3) accroît le rapport neutrophiles/lymphocytes chez le rat ainsi que le nombre d'érythrocytes et de leucocytes chez la souris.
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) [12].
Une synergie a été montrée avec le dioxyde d'azote et l'acide sulfurique.
Toxicité subchronique, chronique [7]
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 lésions hématologiques.
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 semble proportionnelle au produit de la concentration par le temps d'exposition.
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 tissulaire aiguë (inflammation des cellules épithéliales, 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 et une fibrose interstitielle partiellement réversible après arrêt de l'exposition. Dans les bronchioles terminales, il y a atteinte des cellules ciliées et des cellules de Clara [19]. Des modifications semblables ont été observées chez le singe (0,4 - 0,65 ppm, 8 h/j, 90 jours). 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) [8].
Chez le rat, un phénomène de tolérance est observé après 12 à 18 mois d'exposition, qui disparaît après 4 mois d'arrêt [15]1.1https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_43§ion=pathologieToxicologie#
Au niveau hématologique, on observe une altération morphologique des érythrocytes, une diminution de leur survie et une augmentation de la fragilité osmotique [31].
Des expositions prolongées ont aussi un effet sur le comportement des rats : réduction du temps de course volontaire, augmentation du temps d'apprentissage.
Effets génotoxiques [16]
L’ozone induit des mutations géniques sur différents types de souches et cellules, à la fois in vitro et in vivo.
In vitro, l'ozone est faiblement génotoxique pour la souche TA 102 de Salmonella typhimurium avec et sans activation métabolique et pour Escherichia coli sans activation métabolique ; il n'est pas génotoxique pour les souches TA 98, TA 100, TA 104, et TA 1535 ; il induit des cassures des brins dADN (Escherichia coli et Bacillius subtilis) ; il est clastogène pour les lymphocytes humains et les cellules en culture (délétions chromatidiennes, échanges entre chromatides sœurs) et il provoque une transformation néoplasique de cellules embryonnaires de hamster syrien, de fibroblastes de souris et de cellules de l'épithélium trachéal de rat.
ln vivo, l'inhalation d'ozone augmente le taux de létalité dominante chez la drosophile (30 ppm, 3 heures) et d'aberrations de type chromatidien dans les lymphocytes périphériques de hamster chinois (0,24 - 0,43 ppm, 5 heures), mais pas chez la souris (0,21 ppm, 5 heures ou 0,99 ppm, 2 heures). Aucun effet clastogène n'a été observé dans les cellules de la moelle osseuse de hamster, de souris (2 ppm, 6 heures) ou de rat (0,075 ppm, 8 h/j, 7 jours ou 2,8 ppm, en continu pendant 5 jours), ni dans les spermatocytes de la souris (0,21 ppm, 5 heures ou 0,99 ppm, 2 heures). Des délétions chromosomiques apparaissent dans les macrophages pulmonaires de rat (0,12 - 0,8 ppm, 6 heures) mais aucune transformation prénéoplasique des cellules de l'épithélium trachéal n'a été mise en évidence chez cette espèce (0,14 - 1,2 ppm, 6 h/j, 5 j/sem, 1 - 4 semaines).
Effets cancérogènes
Des études de cancérogénèse ont été réalisées chez le rat et 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.
Quelques études montrent un accroissement de l'incidence des adénomes pulmonaires chez le rat (0,2 ppm, 6 h/j, 5 j/sem, 6 mois), sur la base de lésions macroscopiques uniquement [17], et chez la souris A/J, particulièrement sensible à l'induction de tumeurs (0,5 ppm/j, la 1re semaine de chaque mois pendant 6 mois [18] ou 0,8 ppm, 8 h/nuit, 7 j/sem, 4 mois [19]), mais pas chez la souris Swiss Webster dans les mêmes conditions [19].
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 [19]. En revanche, un effet cocancérogène est mis en évidence lorsque l'uréthane est injecté après chaque exposition [18]. Chez le rat, l'ozone augmenterait le taux de tumeurs induites par le radon [17]. Chez la souris C3H (0,8 ppm, 1 jour), il favorise le développement des métastases pulmonaires d'une lignée cellulaire de fibrosarcome injectée par voie intraveineuse ; cet effet diminue si l'exposition est prolongée pendant 14 jours [16].
L'effet de l'ozone sur le développement de tumeurs peut être lié à sa faculté d'induire la prolifération cellulaire (augmentation de l'index mitotique des cellules épithéliales de type Il, des macrophages alvéolaires et des lymphocytes pulmonaires, bronchiques et ganglionnaires, et métaplasie ou hyperplasie de l'épithélium nasal du rat et du singe) [16, 20].
Effets sur la reproduction
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, en présence de toxicité maternelle. Ces effets n'ont pas été confirmés chez la souris.
Chez le rat, des expositions à de fortes concentrations d'ozone (1,5 et 2 ppm, du 9e au 12e jour de gestation) induisent embryolétalité et retard d'ossification. Les concentrations utilisées entraînent chez les mères une baisse de poids corporel liée à une diminution de la consommation alimentaire et hydrique [21]. Les nouveau-nés de rates exposées à 1 et 1 ,5 ppm d'ozone en milieu ou en fin de gestation (du 9e au 12e ou du 17e au 20e jour) présentent un retard de croissance. L'exposition en fin de gestation produit, chez les nouveau-nés, un retard d'ouverture des paupières et un retard de développement postnatal (réflexes et comportement) ; la toxicité maternelle n'est pas précisée [22].
Chez la souris (0,1 - 0,2 ppm soit 0,2 - 0,4 mg/m3, 7 h/j, 5 j/ sem, 3 sem pendant la gestation et la lactation) on observe une diminution de la taille de la portée, une augmentation de la mortalité néonatale et une augmentation de l'incidence de blépharophimosis et de la croissance des incisives chez les souriceaux nouveau-nés ; l'absence de témoins négatifs mentionnés pourrait limiter la portée de ces résultats [23]. Dans une étude [24] où les nouveau-nés ont été nourris par des mères non traitées, l'inhalation jusqu'à 1,2 ppm, du 7e au 17e jour de gestation, n'a pas modifié la proportion de gestations menées à terme, le sex-ratio, la taille de la portée, la fréquence des mort-nés ou la mortalité néonatale ; seule une diminution de la prise de poids postnatale a été observée. Aucun effet sur le développement des réflexes ou du comportement des nouveau-nés n'a été observé. Une diminution dose-dépendante de la prise de nourriture et de boisson et de la prise de poids a été constatée chez les mères ; une tolérance à ces effets se développe au cours de l'exposition.
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Toxicité sur l’Homme
L’ozone provoque des lésions irritantes des muqueuses respiratoires (bronchopathies, emphysème, fibrose) ainsi que des muqueuses oculaires. Quelques effets rénaux ou neurologiques rares ont été reportés. Il n’y a pas de données permettant de conclure sur un risque cancérogène ou des effets sur la reproduction.
L'ozone est fréquemment rencontré comme polluant dans le milieu professionnel. Différents facteurs influencent sur sa toxicité : la concentration, la température et le degré d'humidité ambiant, la durée d'exposition, l'exercice physique associé et les susceptibilités individuelles. L'appareil respiratoire est le plus touché mais des atteintes extrapulmonaires, bien que plus discrètes, existent [27, 31].
Toxicité aiguë [8, 27 à 29]
Atteintes respiratoires : les symptômes observés dépendent de la concentration. Il peut s'agir d'une simple anesthésie olfactive transitoire (qui se manifeste dès le seuil de perception olfactif de 0,01 ppm) jusqu'à des lésions pulmonaires sévères (œdème aigu du poumon pour des concentrations de 9 ppm). Entre ces deux extrêmes, on observe une symptomatologie irritative associant sécheresse buccale, toux, hypersécrétion bronchique, dyspnée plus ou moins intense, douleur rétrosternale, anomalie du rythme respiratoire.
Des études spirométriques réalisées au cours de manifestations cliniques retrouvent une atteinte obstructive avec diminution de la capacité vitale, associée ou non à une diminution de la capacité de transfert du CO. Ces anomalies dépendent de la concentration et de la durée de l'exposition. Ainsi, des études sur volontaires ont montré que des expositions de 6 heures à une concentration supérieure à 0,4 mg/m3 provoquent notamment des modifications des épreuves fonctionnelles respiratoires (diminution de la capacité vitale fonctionnelle, du VEMS et du DEM 25 - 75) ; ces manifestations sont réversibles [33].
Atteintes oculaires : on a constaté des atteintes de certains paramètres visuels associées à des phénomènes d'irritation oculaire. Il s'agit notamment d'une diminution importante de l'acuité visuelle nocturne et de l'adaptation à la lumière, d'une augmentation de la vision périphérique et de modifications de la motricité oculaire pour des concentrations de 0,2 à 0,5 ppm.
Atteintes rénales : il a été décrit des cas de néphrite aiguë avec protéinurie, hématurie et leucocyturie.
Atteintes neurologiques : elles ne sont pas exceptionnelles au décours d'exposition à des concentrations de 1 ppm à 2 ppm. Elles peuvent être subjectives (céphalées, vertiges, asthénie, altération du goût) ou objectives (troubles de la coordination des mouvements, troubles de la parole, baisse de la vigilance).
Toxicité chronique [8, 28, 30, 31]
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.
Les expositions répétées contrôlées ont permis d'identifier le phénomène de « tolérance » 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.
Ces effets pulmonaires 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.
Les expositions répétées à de faibles concentrations d'ozone (0,04 ppm) peuvent provoquer des dyspnées asthmatiformes.
Les troubles neurologiques décrits pour des expositions prolongées de 7 à 10 ans, à des concentrations de 0,25 à 0,4 ppm, associent des maux de tête, une faiblesse, un accroissement de l'excitabilité musculaire et des troubles de la mémoire.
Effets cancérogènes [28, 32]
Les résultats des études épidémiologiques ne permettent pas de conclure à un effet cancérogène de l'ozone chez l'Homme.