Soutenance mémoire
Généralités sur la pollution de l’air
Les polluants atmosphériques constituent un mélange hétérogène complexe de substances composées de gaz (ozone, dioxyde de soufre, dioxyde d’azote, monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, etc), de composés organiques volatiles (benzène, toluène, xylènes, etc.), et de matières particulaires (PM). Ces polluants peuvent avoir des effets délétères sur la santé ; ils constituent ainsi un risque environnemental considérable. Historiquement, plusieurs épisodes majeurs de pollution de l’air se sont produits dans le monde au début du XXe siècle avec des conséquences graves sur la santé. Le plus tragique, le « The great smog » de Londres en 1952 a entrainé 12 000 décès, une augmentation du nombre d’hospitalisation liées à des problèmes cardiaques et respiratoires, et de graves effets à long terme sur la santé, comme l’augmentation du risque de développement de l’asthme chez les sujets exposés .
Les catastrophes dues à cet épisode de pollution, aussi bien que celles survenues dans la Vallée de la Meuse en 1930 et à Donoroa en Pennsylvanie en 1948, ont clairement montré que des niveaux extrêmement élevés de smog à base de particules pouvaient augmenter considérablement le taux quotidien de mortalité. La mise en évidence d’une association causale entre l’exposition à un air pollué et l’augmentation du nombre de décès a contribué à la mise en place, par les autorités concernées, de directives visant à limiter l’émission des polluants qui participent à la dégradation de la qualité de l’air. La survenue de différents épisodes de pollution a suscité la mise en œuvre de nombreuses études épidémiologiques montrant à chaque fois que l’exposition à un air de mauvaise qualité influence négativement la santé. Les effets peuvent donc être observés immédiatement suite à des pics de pollution ou après exposition à long terme [3]. En effet, une augmentation de la mortalité et du nombre d’hospitalisation pour des raisons respiratoires a été observée après exposition à des pics de pollution [4–8]. Différentes études épidémiologiques réalisées montrent que les expositions à long terme à un air pollué touchent le plus souvent les systèmes respiratoire et circulatoire [9]. La pollution de l’air constitue en effet un des facteurs de risques de la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO), l’asthme, et les allergies respiratoires [10]. Elle a également été associée à des maladies cardiovasculaires comme l’athérosclérose, ainsi qu’à des maladies inflammatoires de l’intestin et au diabète [11]. Plus récemment, d’autres études ont montré que les particules présentes dans l’air pouvaient entrainer des dommages au niveau du système nerveux central (SNC). Plus particulièrement, Maher et ses collaborateurs ont observé des particules de magnétite dans des coupes histologiques de cerveaux de patients atteints de la maladie d’Alzheimer provenant de Manchester et Mexico. Ces types de particules sont retrouvées normalement dans une atmosphère polluée, ce qui suggère que la pollution de l’air contribue au développement de maladies neurodégénératives [12]. La pollution de l’air peut également provoquer des malformations congénitales, ainsi que des effets sur le système immunitaire [10,13,14].
La variabilité des effets de la pollution de l’air sur la santé peut être attribuable à la différence de composition chimique des aérocontaminants et à la différence de dose ou de temps d’exposition à ces composés, ou encore au fait que les personnes sont souvent exposées à un mélange de polluants plutôt qu’à des substances isolées.
Sources, caractéristiques physico-chimiques des PM et règlementations
Sources des particules
Plusieurs types de PM peuvent être retrouvés dans l’air. Si les PM sont émises directement dans l’atmosphère, elles seront considérées comme PM primaires ; mais si elles sont formées dans l’air suite à des interactions avec d’autres substances, elles seront nommées particules secondaires.
Sources primaires
Même si une grande partie de la pollution de l’air résulte des activités humaines, les particules primaires peuvent être également d’origine naturelle contribuant à la dégradation de la qualité de l’air et l’exposition de l’homme à un air de mauvaise qualité. Parmi les sources naturelles de PM, on peut retrouver : 1) l’aérosol marin contenant des particules de sel de mer, 2) les cendres émises lors des éruptions volcaniques et des activités sismiques, 3) les particules émises par les incendies de forêts, 4) les particules provenant des déserts, et 5) l’aérosol biologique constitué d’endotoxines, de pollens, de champignons et/ou de microorganismes vivants ou non, etc. [15]. Une étude menée par Bauer et ses collaborateurs a montré que les champignons présentes dans l’air constituent environ 5% des PM10 [16]. Une autre étude montre que les particules fines contiennent également des éléments d’origine biologique [17]. Les effets des PM issues de ces secteurs naturels peuvent aggraver les allergies respiratoires et les maladies pulmonaires chez l’homme [18].
Puisque les émissions naturelles ne peuvent pas être contrôlées, les directives visant à réduire la concentration des polluants dans l’air, proposent aux gouvernements d’envisager toutes les mesures appropriées pour réduire l’exposition excessive à ces polluants [19]. Comme annoncé précédemment, les sources anthropogéniques participent d’une manière plus importante à la pollution de l’air. En effet, les différentes activités humaines quotidiennes engendrent des quantités importantes de polluants d’origines diverses. La mise en place de directives visant à réduire les émissions de PM et d’autres polluants atmosphériques a permis ces dernières années de diminuer leur concentration dans l’air. Parmi les sources qui émettent le plus de PM dans l’air [19–21], on retrouve (Figure 2):
– Les activités urbaines qui participent à l’émission de particules résultant de la combustion de carburants comme le bois, le charbon ou le fioul pour le chauffage, la cuisine, etc. Cette source d’émission représente plus de la moitié de celles qui génèrent des PM1 (68%). Par ailleurs, 35% et 51% des PM10 et des PM2,5 sont respectivement issues de cette source.
– L’agriculture, avec essentiellement, le travail du sol, la fermentation entérique, la gestion des déchets vétérinaires, et la consommation de combustiblesfossiles; les activités agricoles représentent respectivement 21%, 9% et 3% des sources d’émission de PM10, PM2,5 et PM1.
– L’industrie manufacturière : Ce secteur regroupe plusieurs activités, notamment la construction, les sources de combustion, la métallurgie, etc. Elle occupe une partie importante des sources d’émission avec une proportion respective de 28%, 21% et 12% des PM10, PM2,5 et PM1.
– Le transport : le trafic routier représente la source qui génère la partie la plus importante de PM émis par les activités de transport. D’autres sources comme le transport aérien, ferroviaire ou maritime produisent aussi des PM. Le transport représente environ 15% des sources d’émission anthropogéniques de PM10, PM2,5 et PM1.
L’OMS propose plusieurs mesures à prendre en considération pour réduire la pollution de l’air émis par les sources citées ci-dessus: 1) l’utilisation de sources d’énergie non nuisibles à l’environnement, par exemple des carburants ayant une teneur réduite en souffre ; 2) la réduction de la consommation énergétique en construisant des villes plus écologiques ; 3) la mise en place de stratégies pour réduire les déchets et les recycler ; ainsi que 4) une meilleur gestion des déchets biologiques [22].
Particules secondaires
Les PM sont considérées secondaires lorsqu’elles sont formées dans l’atmosphère suite à une interaction entre des substances chimiques gazeuses (sulfates, nitrates, ou des composés organiques) [24]. La formation de nouvelles particules consiste en un ensemble de 3 processus complexes : la nucléation, la condensation et la coagulation (Figure 3) [25]. Ces processus sont influencés par les conditions météorologiques, le mélange des gaz présents dans l’air et la localisation géographique [26]. Par exemple, les particules secondaires de soufre sont formées par oxydation du dioxyde de souffre gazeux émis par la combustion du charbon ou du pétrole, tandis que les particules secondaires de nitrates sont formées suite à une oxydation du dioxyde d’azote émis par les véhicules [26].
La nucléation est la première étape de la formation de particules secondaires. Elle consiste en la transition d’un état gazeux en état liquide ou solide par condensation ou suite à une réaction chimique entre différents gaz, formant un nouveau noyau ou une nouvelle particule dans l’atmosphère. Les particules néoformées sont des PUF du fait de leur petite taille. Ensuite, deux autres étapes sont possibles pour former des particules de plus grande taille par condensation et coagulation [27]. Les aérosols formés dans les étapes précédentes commencent à s’agglomérer par mouvement brownien et contact entre les particules [19].
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Table des matières
INTRODUCTION
Généralités sur la pollution de l’air
Sources, caractéristiques physico-chimiques des PM et règlementations
a. Sources des particules
(i) Sources primaires
(ii) Particules secondaires
b. Caractérisations chimiques des PM
(i) Les particules sont un mélange complexe
(ii) Métaux
(iii) Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
c. Taille des PM
d. Règlementation européenne et mondiale
Pénétrance et déposition des particules dans le système respiratoire
a. Structure du système respiratoire
b. Dépôt des particules dans les poumons
c. Mécanismes de clairance
(i) Clairance mucociliaire
(ii) Clairance macrophagique
(iii) La clairance des particules dépend de leur taille
Etudes épidémiologique de l’effet des PM sur la santé
a. Mortalité
b. Morbidité
Mécanismes d’action toxiques des PM2,5 et des PM0,1
a. Différents modèles utilisés pour étudier la toxicité des particules
(i) Etudes humaines en milieu contrôlé
(ii) Modèles in vivo
(iii) Modèles in vitro
b. Effet des PM2,5 et des PM0,1 sur l’inflammation
(i) Inflammation pulmonaire
(ii) Inflammation systémique
c. Effet des PM2,5 et des PM0,1 sur le stress oxydant
d. Génotoxicité des PM2,5 et des PM0,1
e. Epigénétique
(i) Effet des PM2,5 et des PM0,1 sur la méthylation de l’ADN
(ii) Effet des PM2,5 et des PM0,1 sur les modifications d’histones
(iii) Dérégulation des miRNA par les PM2,5 et les PM0,1
Biomarqueurs et santé environnementale
Problématique de la thèse
MATERIELS ET METHODES
Prélèvement des PM
Répartition granulométrique des PM
Analyse qualitative et quantitative des HAP et des éléments traces dans les particules fines et
ultrafines
Hébergement des animaux
Exposition des souris aux particules
Prélèvement des échantillons biologiques
Numération cellulaire du LBA
Evaluation du potentiel génotoxique in vivo des PF et PUF
(i) Test d’altérations primaires de l’ADN in vivo : Test des Comètes
(ii) Test de mutation chromosomique in vivo : Test du Micronoyau
(iii) Test de mutation génique in vivo : Test Pig-A
Extraction de l’ADN génomique
Dosage de 8-hydroxy-2-deoxyguanosine (8-OHdG) dans les poumons de souris
Analyse histologique des poumons
Analyse de la méthylation de l’ADN
(i) Mesure de l’activité de l’ADN méthyltransférase (DNMT)
(ii) Analyse de la méthylation globale de l’ADN
Analyse des modifications des histones
Analyses transcriptomiques
(i) Extraction des ARN
(ii) RT- PCR quantitative en temps réel
(iii) Analyses transcriptomiques pangénomiques
(iv) Analyse de l’expression des miARN
Analyse des voies de signalisation dérégulées par l’exposition aux PF ou PUF
Analyse fonctionnelle des miARN candidats
Analyses statistiques
RESULTATS
CONCLUSION
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