Nanoforum du Cnam Séance du 23 octobre 2008

La toxicité des nanotubes de carbone :présentation des récents articles scientifiques,des éventuelles nouvelles connaissances qu’ils

apportent, et des éventuelles conséquences à tirer

Marie-Claude JAURANDDirecteur de recherche à l’INSERM

Nanoforum du CnamSéance du 23 octobre 2008

23 Octobre 2008 - Réunion Nanoforum – M.C. Jaurand -

Plan de l’exposé

1. Résumé d’articles récents sur les nanotubes decarbone

2. Méthodes expérimentales utilisées ; principes3. Résultats4. En quoi les résultats posent-ils des problèmes ?5. Comparaison avec l’amiante6. Interprétation dans le contexte de la fibrose et

du cancer7. Conclusions / Discussion


1. Références utilisées dans l’exposé

Karlsson, H. L., Cronholm, P., Gustafsson, J., and Moller, L. (2008). Copper oxide nanoparticles are highly toxic: acomparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chem Res Toxicol 21, 1726-1732.

Muller, J., Decordier, I., Hoet, P. H., Lombaert, N., Thomassen, L., Huaux, F., Lison, D., and Kirsch-Volders, M.(2008). Clastogenic and aneugenic effects of multi-wall carbon nanotubes in epithelial cells. Carcinogenesis29, 427-433.

Muller, J., Huaux, F., Fonseca, A., Nagy, J. B., Moreau, N., Delos, M., Raymundo-Pinero, E., Beguin, F., Kirsch-Volders, M., Fenoglio, I., Fubini, B., and Lison, D. (2008). Structural Defects Play a Major Role in the AcuteLung Toxicity of Multiwall Carbon Nanotubes: Toxicological Aspects. Chem Res Toxicol.

Pacurari, M., Yin, X. J., Zhao, J., Ding, M., Leonard, S. S., Schwegler-Berry, D., Ducatman, B. S., Sbarra, D., Hoover,M. D., Castranova, V., and Vallyathan, V. (2008). Raw single-wall carbon nanotubes induce oxidative stress andactivate MAPKs, AP-1, NF-kappaB, and Akt in normal and malignant human mesothelial cells. Environ HealthPerspect 116, 1211-1217.

Poland, C. A., Duffin, R., Kinloch, I., Maynard, A., Wallace, W. A., Seaton, A., Stone, V., Brown, S., Macnee, W., andDonaldson, K. (2008). Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-likepathogenicity in a pilot study. Nat Nanotechnol 3, 423-428.

Shvedova, A. A., Kisin, E., Murray, A. R., Johnson, V. J., Gorelik, O., Arepalli, S., Hubbs, A. F., Mercer, R. R.,Keohavong, P., Sussman, N., Jin, J., Yin, J., Stone, S., Chen, B. T., Deye, G., Maynard, A., Castranova, V., Baron,P. A., and Kagan, V. E. (2008). Inhalation vs. aspiration of single-walled carbon nanotubes in C57BL/6 mice:inflammation, fibrosis, oxidative stress, and mutagenesis. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 295, L552-565.

Takagi, A., Hirose, A., Nishimura, T., Fukumori, N., Ogata, A., Ohashi, N., Kitajima, S., and Kanno, J. (2008).Induction of mesothelioma in p53+/- mouse by intraperitoneal application of multi-wall carbon nanotube. JToxicol Sci 33, 105-116.


2. Étapes expérimentales, pour étudierles effets de nanoparticules, nanotubes…

Mise en suspensiondes particules

agitation(mécanique, US)± dispersant

Évaluation deseffets

• Viabilité cellulaire• Inflammation• Prolifération cellulaire• Lésions de l’ADN

• Lésions des tissus(fibrose, cancer,autres…)

Exposition

animaux

• Dépôt des particules- trachée- plèvre, péritoine

• Inhalation

Dépôt des particules

cellules

Délai post-exposition

• 23 Octobre 2008 - Réunion Nanoforum – M.C. Jaurand -

3.1. Résultats récents, chez l’animal, avec desnanotubes de carbone (NTCs)

Type de NTCs Système Résultats

Polandet al.2008

Multifeuilletslongs - courts(amosite, noir decarbone)

Injection intra-péritonéale - Souris -Réponse à court terme (1,7jours)

InflammationGranulomesEffets observés avec les fibreslongues et NTCs longs

Takagiet al.2008

Multifeuillets(crocidolite,fullerène)

Injection intra-péritonéale - Sourissensibilisées au cancer -Réponse à long terme

Mésothéliomes, avec NTCs,avec amiante

Muller,Huauxet al.2008

MultifeuilletsNon chauffés,chauffés 600°C,2400°C, 2400°C etbroyés

Dépôt intra-trachéalRéponses : à court terme(3jours); à long terme (60jours)

Inflammation (3jours)Granulomes (60 jours)Effets des NTCs chauffésmoindre que non chauffés.Broyage restaure les effets


3.2. Résultats récents, chez l’animal, avec desnanotubes de carbone (NTCs)

Type de NTCs Système Résultats

Muller,Decordieret al. 2008

Multifeuillets Dépôt intra-trachéal- Souris -0,5, 2 mg/souris

Aberrations chromosomiques(micronoyaux) pneumocytes II

Shvedovaet al. 2008

Simple feuillet Inhalation (4 jours) -Souris - 5mg/m3

(dépôt 5 µg/souris)Réponse à court, moyenterme (1, 7, 28 jours)

InflammationGranulomesFibroseMutation du gène K-ras

Dépôt larynx10µg/sourisRéponse à court, moyenterme (1, 7, 28 jours)

InflammationGranulomes - FibrosePas de mutation du gène K-rasEffets observés moindres que parinhalation


3.3. Résultats récents, sur cellules, avec desnanotubes de carbone (NTCs)

Type de NTC Système Résultats

Muller,Huaux etal. 2008

MultifeuilletsNon chauffés,chauffés 600°C,2400°C, 2400°Cet broyés

Cellules épithélialesde poumon de rat

Aberrations chromosomiques(micronoyaux)Effet moindre de l’échantillon2400°C/ 600°C et non chauffé

Muller,Decordieret al.2008

Multifeuillets Cellules épithélialeshumaines (MCF-7)

Aberrations chromosomiques(micronoyaux : cassures etnombre de chromosomes)

Karlssonet al.2008

Multifeuillets Cellules épithélialeshumaines (A549)

Cassures de l’ADN (testcomètes)

Pacurariet al.2008

Simplefeuillet

Cellulesmésothélialeshumaines

Mort cellulaireLésions de l’ADNActivation réponse au stress


4.1. En quoi les résultats posent-ils des problèmes ?

Résumé des résultats Mise en évidence d’une réaction inflammatoire Activation de la réponse au stress Différence entre effets des nanotubes

« longs » et des nanotubes « courts »

Facteurs inflammatoires

fibresparticules

↑↓ expressionde gènes

Les facteurs libérés peuvent provoquerune prolifération des cellules ; produire

des lésions des cellules et des tissus23 Octobre 2008 - Réunion Nanoforum – M.C. Jaurand -


Résumé des résultats Lésions de l’ADN Mutations Altérations chromosomiques

adduitsOH

bases

cassuresde brins

Prolifération

Réplication ADN

Cellules filles

5’3’

micronoyau

Mutations = les cellules produisentdes protéines modifiées, dont les

fonctions sont altérées ; ou absenced’expression

Aberrations chromosomiques =témoins d’altérations de l’ADN et/ou

de la mitose : les cellules qui sedivisent vont avoir une quantitéd’ADN anormale (excès, déficit)

pont inter-chromosomique

fragment



Résumé des résultats Mésothéliomes chez les souris recevant les NTCs dans le péritoine… avec souris « génétiquement modifiées » (mutation sur TP53)

GST

onconc

GST

Cell. tumoraleCell. normale

La cancérisation d’une cellule est un processus multi-étapes

Plusieurs gènes (oncogènes, suppresseurs de tumeur) sont altérés(mutations…) au cours du processus tumoral

Études de cancérogenèse (mésothéliome) = On observe laconséquence ultime du processus tumoral


5. Comparaison avec l’amiante

• Résultats => Mise en évidence d’effets partagés avec certainessubstances inflammatoires, génotoxiques ou cancérogènes

• Effets comparables à ceux de l’amiante, en ce qui concerne :1. Réponse inflammatoire ; activation en réponse à un stress2. Effets différentiels des nanotubes selon leur longueur3. Production de lésions de l’ADN4. Formation d’aberrations chromosomiques5. Induction de mésothéliomes après exposition de cellules

mésothéliales (IP)

Signification des résultats??


6. Quelle est la signification de ces résultats dansle contexte de la pathologie ?

1. Réponse inflammatoire = processus normal de réparation ;pathologique en fonction de certains paramètres : durée,intensité … (dépend de dose de particules, dimensions,épuration…)

2. Production de lésions de l’ADN, des chromosomes : questionimportante : quelles sont les conséquences ?

• Quelles localisations sur le génome ?• Les mécanismes de réparation de l’ADN et du contrôle

de l’intégrité cellulaire… ont-ils restauré l‘intégrité ?ont-ils laissé des erreurs ?

3. Les lésions peuvent-elles produire la mort cellulaire, à pluslong terme ?


6. Conclusions

Mise en évidence d’effets similaires à ceux de l’amiante Études encore peu nombreuses Questions sur la diversité des types de nanotubes de carbone ;

effets non généralisables, a priori, à tous les NTCs Différence de situation avec l’amiante ;

1. observations chez l’Homme2. études épidémiologiques3. études expérimentales

Situation avec les NTCs1. études expérimentales :

=> quelle pertinence par rapport à des effets potentielschez l’Homme ?


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