Risques potentiels des nanotechnologies

Risques potentiels des nanotechnologies 

Bases d’une réflexion scientifique 

Parmi les impacts potentiels des nanomatériaux sur le monde de demain, l’interaction avec le vivant constitue une interrogation majeure car les propriétés particulières aux nanoparticules, qui les rendent si intéressantes, peuvent potentiellement représenter un danger non négligeable pour les hommes et l’environnement. En effet, si certaines de leurs caractéristiques sont prometteuses pour le traitement de maladies ou l’élaboration de systèmes à libération contrôlée, elles pourraient avoir des impacts inattendus dans d’autres circonstances. La petite taille des nanoparticules pourrait par exemple leur permettre de pénétrer dans les tissus et passer la membrane cellulaire. Une fois dans la cellule, leurs propriétés catalytiques pourraient générer des espèces radicalaires (ROS : Radical Oxygen Species) et causer de sérieuses altérations dans l’ADN (ce qui constituerait un fâcheux effet secondaire de l’utilisation des crèmes solaires). Les nanoparticules sont également suspectées de pouvoir franchir la barrière hémato-encéphalique, or les conséquences de leur accumulation dans le cerveau ne sont pas encore connues. De plus, il existe un risque non négligeable de toxicité par inhalation tout particulièrement pour les personnes travaillant dans des industries fabriquant des nanoparticules. Le nez est la première barrière aux particules, malheureusement seules les plus grosses d’entre elles y sont arrêtées. Les nanoparticules ultrafines et les nanotubes de carbone pourraient donc s’accumuler dans les poumons et y provoquer des effets délétères comparables à ceux observés dans le cas de l’amiante. En ce qui concerne l’environnement, la libération incontrôlée de nanoparticules (ex : combustion des fiouls, ruissellement des nanoparticules utilisées dans les façades autonettoyantes) pourrait avoir de graves conséquences environnementales. Certaines nanoparticules sont même envisagées pour des utilisations en dépollution par exemple pour le piégeage des halogénures, arsenic, mercure, etc. (Elliott and Zhang, 2001 et Tratnyek and Johnson, 2006), leur présence dans l’environnement, notamment aquatique, ne serait donc pas anecdotique (Figure6).

Il est cependant possible que la plupart des nanoparticules ne représente pas un réel danger pour l’homme et l’environnement, mais en l’absence de données toxicologiques précises et spécifiques, le principe de précaution doit être appliqué.

Conséquences : de nombreux débats de sociétés et rapports gouvernementaux

Faisant suite aux nombreuses interrogations et craintes sur la sécurité des nanomatériaux, relayées à la fois par les scientifiques et les consommateurs, de nombreux rapports d’agences gouvernementales et non gouvernementales ont vu le jour. On peut tout d’abord citer le rapport de la Royal Society publié en 2004 : «Nanosciences and nanotechnologies : opportunities and uncertainties », ainsi que le rapport européen, issu du programme Nanosafe, « Technological Analysis, Industrial application of nanomaterials – chances and risks ». La même année, l’EPA (agence américaine de protection de l’environnement) organisa un premier atelier de travail sur le sujet. En 2005, sont publiés le « Canadian Stewardship Practices of Environmental Nanotechnology » et un rapport du gouvernement britannique intitulé « Characterising the potential risks posed by engineered nanoparticles ». Cette année là a également eu lieu un atelier de travail de l’OCDE (Organisation de Coopération et de Développement Economiques) sur la sûreté des nanomatériaux manufacturés. Puis l’Afsset a publié en juillet 2006 « Les nanomatériaux : effets sur la santé de l’homme et sur l’environnement ». En février 2007 l’EPA a mis en ligne «Nanotechnology White Papers » et depuis les ateliers sur le sujet se multiplient (OCDE : 2007 et 2008). Dans leur multitude, ces rapports sont néanmoins agencés de manière à peu près identique :
• Définitions, caractérisations et propriétés des nanomatériaux
• Applications industrielles
• Méthodes de productions
• Techniques de détection
• Etudes des risques (exposition) pour les humains et l’environnement
• Gestion des risques (prévention)
• Recommandations et listes des projets de recherche financés sur le sujet.

Ils éliminent également l’argument simpliste qui consiste à affirmer que le principal danger des nanoparticules réside dans leur invisibilité. Tout d’abord car beaucoup de toxiques en solution sont invisibles (ex : métaux lourds, cyanure, arsenic…), mais également parce qu’il existe des méthodes adaptées à la visualisation de nanoobjets (microscopes électroniques à effet tunnel ; microscopie électronique à transmission) ou à leur caractérisation (diffusion de lumière, diffusion des rayons X). En ce qui concerne la détection de nanoparticules dans l’air, le rapport de l’Afsset répertorie et commente les différentes méthodes analytiques actuellement sur le marché (exemple pour la mesure de distribution en taille : batteries de diffusion, analyseurs par impaction électrique, analyseurs de mobilité électrique).

Les débats publics ne sont pas non plus en reste. En se limitant uniquement à la France, les nanotechnologies et leurs utilisations et dangers potentiels ont déjà fait l’objet de nombreuses attentions ces trois dernières années. On peut notamment citer plusieurs manifestations qui leur ont été entièrement dédiées: une émission de radio grand public (France Inter), une émission de télévision (Direct 8), une exposition grand public sur le nanomonde (cité des Sciences), un débat national citoyen (avec l’intervention d’experts et de consommateurs), un débat organisé par la mairie de Paris (réunissant des experts et des opposants) ainsi qu’un café philosophique (VivAgora). Cette liste n’est pas exhaustive mais elle est représentative d’une réelle prise de conscience de l’enjeu des nanotechnologies et d’une mobilisation qui touche aussi bien les pouvoirs publics que les citoyens.  Le nombre et la qualité des rapports, ateliers et conférences est la preuve que ce sujet est au cœur d’un débat mondial de société. Chaque commission, chaque rapport, s’applique à trouver des stratégies communes d’évaluation des risques. Les conclusions demeurent finalement similaires : ils préconisent le financement de programmes de recherche sur le sujet et l’application du principe de précaution en cas d’incertitude. En effet, la méthodologie des tests de toxicité spécifiques aux nanoparticules reste encore à développer.

Etudes sur la « nanotoxicité » et difficultés rencontrées 

Origine des difficultés liées à la « nanotoxicité »

Il n’existe aucune réglementation spécifiquement liée à la synthèse et manipulation des nanoparticules. Les industriels travaillant actuellement sur ce type de composés ont généralement deux attitudes opposées : soit ils utilisent les données de sécurité des matériaux dont sont faites les nanoparticules sans plus de considération pour leurs caractéristiques particulières ; soit ils considèrent les nanoparticules comme des substances potentiellement dangereuses et les manipulent avec les équipements classiques de sécurité (qui ne sont cependant pas toujours adaptés). Pourquoi n’existe-t-il aucune donnée officielle relative à la toxicité des nanomatériaux? Premièrement parce que sur l’ensemble des substances présentes sur le marché, peu d’entre elles ont réellement été testées in-vitro et in-vivo dans des conditions adaptées. En effet, d’après André Neal, sur les 80 000 produits chimiques enregistrés sur le marché américain, seuls 530 ont subis des tests sur la toxicité à court terme, et seulement 70 sur la toxicité à long terme (Neal, 2008). De plus, les procédés d’évaluation des toxiques dits « classiques » ne s’appliquent pas aux nanoparticules. En effet, l’or est, par exemple, connu pour être un métal inerte mais les nanoparticules d’or sont loin de l’être : lorsque leur taille diminue, elles deviennent des réducteurs puissants. C’est pourquoi dans le cas des nanoparticules il est nécessaire de prendre en compte certains paramètres spécifiques, qui sont totalement absents des tests de toxicité classiques.

Particularités de la toxicité environnementale

Dans un passé récent, les ateliers de recherche de l’EPA avaient mis en évidence des lacunes dans les données nécessaires à une évaluation des risques environnementaux. Elles étaient résumées en trois interrogations : quelles quantités et quels types de nanoparticules sont produits dans l’industrie ? A quelles doses un travailleur est-il susceptible d’être confronté? Quelle est la voie la plus probable d’exposition ? De nombreux rapports tendent aujourd’hui à répondre de plus en plus précisément à ces questions. Il reste néanmoins encore des interrogations notamment sur les doses à tester sur les modèles environnementaux. En effet, ces études étant préventives, il n’existe à ce jour aucune base de données sur les quantités de nanoparticules qui seraient potentiellement libérées dans l’environnement. Quelques études prédictives ont été réalisées sur la base de la production actuelle de nanoparticules (par exemple pour TiO2 comme présenté dans le Tableau 2, Mueller and Nowack, 2008) ou encore en extrapolant des mesures réalisées dans l’environnement pour CeO2 (Park et al., 2008). De plus, il est également possible de faire une distinction entre les nanomatériaux dispersés (exemple d’applications : cosmétiques, lessives, médicaments) et non dispersés (utilisés dans les traitements de surface). Les nanoparticules dispersées ont potentiellement beaucoup plus de chance d’être retrouvées dans l’environnement. L’état de leur recouvrement de surface sera déterminant et pourra, selon le contexte, induire une augmentation ou une diminution de la toxicité (Reijnders, 2006). Dans le cas où les nanoparticules sont sous forme non dispersée, elles peuvent se retrouver dans l’environnement après avoir été détachées de leurs supports ou matrices par une utilisation répétée, l’érosion, la corrosion ou un nettoyage (ex : 60 % des nanoparticules d’argent contenues dans les tissus sont perdues après 20 lavages, Reijnders, 2006).

Une nouvelle catégorie de chercheurs spécialisés dans la « nanotoxicité » a vu le jour. Plusieurs revues publiées par certains d’entre eux mettent en exergue les précautions et recommandations à prendre en compte dans ce type d’études. On peut notamment citer : Hochella, 2002 ; Colvin, 2003 ; Dreher, 2004 ; Oberdörster et al., 2005 ; Reijnders, 2006 ; Barnard, 2006 ; Maynard, 2006 ; Kuzma, 2007 ; Kandlikar et al., 2007 et Neal, 2008. Ils insistent néanmoins sur le fait de considérer avec prudence toute tentative d’uniformisation des protocoles sans une compréhension préalable profonde des paramètres mis en jeu (Colvin, 2003 et Nel et al., 2006).

Table des matières

Introduction
I. Contexte – Présentation de l’étude
I.1 Le monde des nanos
I.1.1 Définition et propriétés caractéristiques des nanoparticules
I.1.2 Impact des nanotechnologies sur l’économie
I.2 Risques potentiels des nanotechnologies
I.2.1 Bases d’une réflexion scientifique
I.2.2 Conséquences : de nombreux débats de sociétés et rapports gouvernementaux
I.3 Etudes sur la « nanotoxicité » et difficultés rencontrées
I.3.1 Origine des difficultés liées à la « nanotoxicité »
I.3.2 Particularités de la toxicité environnementale
I.4 Présentation de l’étude
I.4.1 Description du modèle
I.4.2 Les études de nanotoxicité appliquées aux bactéries
I.5 Références bibliographiques
II. Présentation des modèles
II.1 Présentation des modèles biologiques
II.1.1 Synechocystis
II.1.2 Escherichia coli
II.2 Présentation des nanoparticules de CeO2
II.2.1 Applications industrielles de nanoparticules (NPs) de CeO2
II.2.2 Caractéristiques morphologiques des NPs de CeO2 utilisées lors de cette étude
II.3 Matériels et méthodes
II.3.1 Milieux tests
II.3.2 Cultures cellulaires
II.3.3 Préparation des cultures pour les tests avec NPs
II.3.4 Préparation des nanoparticules et ions
II.4 Références bibliographiques
III. Physicochimie des nanoparticules
III.1 Stabilité physicochimique des nanoparticules
III.1.1 Introduction à la stabilité colloïdale
III.1.2 Importance de la stabilité lors des tests de toxicité
III.2 Caractérisation de la stabilité des nanoparticules de CeO2
III.2.1 Agrégation
III.2.2 Oxydoréduction – Diagramme de Pourbaix
III.2.3 Suivi cinétique de la dissolution par ICP-MS
III.2.4 Modèle de réduction/dissolution
III.3 Matériels et méthodes
III.3.1 Diffusion de lumière dynamique (DLS)
III.3.2 Spectrométrie de masse quadripolaire à source plasma (ICP-MS)
III.3.3 Spectroscopie de photoélectron X (XPS)
III.4 Références bibliographiques
IV. Physicochimie des interactions entre nanoparticules et cellules.
IV.1 Echelle macroscopique : floculation cellulaire en présence de nanoparticules
IV.1.1 Observation de la floculation en présence de nanoparticules
IV.1.2 Impact de la floculation dans un contexte environnemental
IV.2 Echelle microscopique : interactions spécifiques à chaque modèle biologique
IV.2.1 Différents modèles d’adsorption des nanoparticules sur les cellules
IV.2.2 Localisation à l’échelle de la cellule
IV.2.3 Influence des exopolysaccharides (EPS) de Synechocystis
IV.3 Mécanismes d’oxydoréduction lors d’un contact nanoparticules/cellules
IV.3.1 Analyses XPS
IV.3.2 Analyses XANES
IV.3.3 Conclusions sur les mécanismes d’oxydoréduction
IV.4 Matériels et méthodes
IV.4.1 Electrophorèse capillaire
IV.4.2 Mobilité électrophorètique
IV.4.3 Microscopie électronique en transmission (MET)
IV.4.4 Microscopie électronique à balayage (MEB)
IV.4.5 Analyse dispersive en énergie (XEDS)
IV.4.6 Spectroscopie d’absorption des rayons X (XANES)
IV.5 Références bibliographiques
V. Différents mécanismes de toxicité
V.1 Toxicité liée à un contact indirect avec des nanoparticules : le cas de Synechocystis
V.1.1 Première approche sur la toxicité des nanoparticules
V.1.2 Un mécanisme indépendant de l’effet « nano »
V.1.3 Conclusion sur les toxicités indirectes
V.2 Toxicité due à un contact direct avec les nanoparticules : le cas d’E. coli
V.2.1 Augmentation de la mortalité bactérienne par contact direct avec des NPs
V.2.2 Mise en évidence d’interférences liées aux nanoparticules dans les tests de fluorescence
V.3 Toxicité des nanoparticules : début de réponse grâce à la métabonomique.
V.3.1 Principe de l’étude
V.3.2 Analyse des résultats
V.3.3 Conclusion sur l’analyse métabonomique
V.4 Etude de l’influence des exopolysaccharides : construction de mutants.
V.4.1 Construction des mutants d’EPS de Synechocystis
V.4.2 Résultats
V.5 Matériels et méthodes
V.5.1 Tests de survie en milieu solide (« test en gouttes »)
V.5.2 Test de survie : dénombrement de colonies (CFU)
V.5.3 Test d’intégrité membranaire (LIVE/DEAD)
V.5.4 Métabonomique
V.5.5 Construction des mutants
V.5.6 Extraction et analyse des exopolysaccharides
V.6 Références bibliographiques
Conclusion

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