Oxydes métalliques et stress oxydant

La production de nanomatériaux manufacturés représente une percée scientifique et technologique indiscutable. Cependant bien que les nanotechnologies puissent être à la fois, des solutions innovantes aux grands défis sociétaux (énergie, santé, environnement) et un vecteur permettant la croissance de l'économie mondiale, nous devons également tenir compte de l’impact des propriétés physico-chimiques des nanoparticules sur l’environnement et sur les systèmes biologiques. Afin d'évaluer les dangers des nanoparticules de manière fiable et reproductible, des approches de dépistage sont nécessaires. En particulier, de nombreux laboratoires de recherche commencent à développer des plateformes de test afin d’analyser les interactions bio-physico-chimiques à l'interface nanomatériaux / biologie. L’étude des effets et mécanismes mis en jeu permet une approche toxicologique prédictive. L'utilisation de méthodes de criblage à haut débit (CHD) in vitro, couplées à de l’analyse statistique s’appuyant sur de librairies combinatoires permet de prédire quels sont les nanomatériaux qui peuvent conduire à la génération de pathologies ou de maladies. Les résultats des tests in vivo sur animal et sur cellules humaines ou lignées cellulaires implantées sont utilisées pour valider et améliorer le système de tests in vitro par MCHD. La modélisation, associée à une combinaison appropriée des résultats in vitro et in vivo, permet d’établir de manière robuste les relations structure-activité des nanomatériaux et de les classer en fonction des risques de toxicité. Dans ce cadre nous avons centré notre propos sur l’analyse nanotoxicologique de particules à bases d’oxydes métalliques de formule MxOy (M = Al, Ti, Co, Cr, Ce, Fe, Gd, Hf, La, Mn, Ni, Sb, Sn, Si,W, Y, Zn, Yb…) Dans ce cas particulier, le stress oxydant créé par certains oxydes et / ou la solubilité du nano-objet sont les principales causes de toxicité. Le stress oxydant peut en particulier générer des pathologies diverses (vieillissement, cancer, inflammations chroniques, maladies neurodégénératives). Il y a trois niveaux de réponse cellulaire au stress oxydant par rapport auxquels l’activité des différentes nanoparticules a pu être classé : la défense anti-oxydant, l’inflammation, la cytoxicité. En particulier l’analyse des données publiées permet d’établir un paradigme prédictif en toxicologie permettant l’évaluation des risques présentés par les nanomatériaux de cette famille d’oxydes. Pour le stress oxydant en particulier il semblerait qu’il existe une bonne corrélation entre la toxicité du nano-objet et la position énergétique de sa bande de conduction par rapport au potentiel d’oxydo-réduction du couple H⁺/H₂. Dans le cadre de cet ensemble d’analyses, les nanoparticules des oxydes de Nickel, Cobalt, Manganèse et Chrome sont nettement toxiques car elles génèrent un stress oxydant important. Par contre la cause principale de la toxicité des nanoparticules d’oxydes de Zinc et de Cuivre est associée à leur forte solubilité qui entraine des ruptures lysosomales par effet de pompe à protons. Connaissant la cause, la toxicité du ZnO peut être très fortement diminuée par insertion de fer dans la structure, ce dernier diminuant fortement la solubilité du nano-objet. En effet, l’ensemble des tests in vitro (CHD) et in vivo (sur souris et poisson zèbre) semblent montrer une absence de toxicité pour des taux de substitution en fer de 8 %. Par contre les autres oxydes étudiés ne répondant pas positivement à l’ensemble des tests de toxicité in vitro (CHD) et in vivo sont peu ou pas toxiques. Certains d’entre eux sont utilisés comme agents de contraste dans l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (oxyde de fer magnétiques), en médecine régénérative pour soigner la dégénérescence maculaire (oxyde de cérium), comme sonde luminescente (oxydes de lanthanides) ou comme nanovecteurs thérapeutiques hybrides pour la thérasnostique (silice). Ce dernier matériau, la silice, est au centre de nombreuses recherches (en cosmétique et nanomédecine) et de développements industriels. Cependant l’analyse de la littérature concernant la toxicité des silices semblait montrer une disparité dans les conclusions des études menées par différents auteurs. C’est pourquoi au cours de la leçon suivante nous avons fait le point sur la toxicité de la silice.