L'objectif prioritaire de la toxicologie professionnelle et environnementale est d'améliorer la prévention ou la limitation substantielle des effets sanitaires de l'exposition à des agents dangereux en milieu général et professionnel. À cette fin, des systèmes d'évaluation quantitative des risques liés à une exposition donnée ont été développés (voir la section « Toxicologie réglementaire »).

Les effets d'un produit chimique sur des systèmes et des organes particuliers sont liés à l'ampleur de l'exposition et au caractère aigu ou chronique de l'exposition. Compte tenu de la diversité des effets toxiques même au sein d'un système ou d'un organe, une philosophie uniforme concernant l'organe critique et l'effet critique a été proposée aux fins de l'évaluation des risques et de l'élaboration de limites de concentration recommandées pour la santé des substances toxiques dans différents milieux environnementaux. .

Du point de vue de la médecine préventive, il est particulièrement important d'identifier les effets indésirables précoces, sur la base de l'hypothèse générale selon laquelle la prévention ou la limitation des effets précoces peut empêcher l'apparition d'effets plus graves sur la santé.

Une telle approche a été appliquée aux métaux lourds. Bien que les métaux lourds, tels que le plomb, le cadmium et le mercure, appartiennent à un groupe spécifique de substances toxiques où l'effet chronique de l'activité dépend de leur accumulation dans les organes, les définitions présentées ci-dessous ont été publiées par le Task Group on Metal Toxicity (Nordberg 1976).

La définition de l'organe critique proposée par le Groupe de travail sur la toxicité des métaux a été adoptée avec une légère modification : le mot Métal a été remplacée par l'expression substance potentiellement toxique (Duffus 1993).

Le fait qu'un organe ou un système donné soit considéré comme critique dépend non seulement de la toxicomécanique de l'agent dangereux mais aussi de la voie d'absorption et de la population exposée.

• Concentration critique pour une cellule: la concentration à laquelle des changements fonctionnels indésirables, réversibles ou irréversibles, se produisent dans la cellule.
• Concentration d'organe critique: la concentration moyenne dans l'organe au moment où le type de cellules le plus sensible de l'organe atteint la concentration critique.
• Organe critique: organe particulier qui atteint le premier la concentration critique de métal dans des circonstances d'exposition spécifiées et pour une population donnée.
• Effet critique: point défini dans la relation entre la dose et l'effet chez l'individu, à savoir le point auquel un effet indésirable se produit dans la fonction cellulaire de l'organe critique. À un niveau d'exposition inférieur à celui donnant une concentration critique de métal dans l'organe critique, certains effets peuvent se produire qui n'altèrent pas la fonction cellulaire en soi, mais qui sont détectables au moyen de tests biochimiques et autres. Ces effets sont définis comme effets sous-critiques.

La signification biologique de l'effet sous-critique n'est parfois pas connue; il peut s'agir d'un biomarqueur d'exposition, d'un indice d'adaptation ou d'un précurseur d'effet critique (voir « Méthodes d'essai toxicologique : biomarqueurs »). Cette dernière possibilité peut être particulièrement importante compte tenu des activités prophylactiques.

Le tableau 1 présente des exemples d'organes critiques et d'effets pour différents produits chimiques. Dans l'exposition environnementale chronique au cadmium, où la voie d'absorption est d'importance mineure (les concentrations de cadmium dans l'air varient de 10 à 20 μg/m³ en milieu urbain et 1 à 2 μg/m³ dans les zones rurales), l'organe critique est le rein. En milieu professionnel où la TLV atteint 50μg/m³ et l'inhalation constitue la principale voie d'exposition, deux organes, poumon et rein, sont considérés comme critiques.

Tableau 1. Exemples d'organes critiques et d'effets critiques

Pour le plomb, les organes critiques chez l'adulte sont les systèmes hématopoïétique et nerveux périphérique, où les effets critiques (p. ex., concentration élevée de protoporphyrine érythrocytaire libre (FEP), augmentation de l'excrétion d'acide delta-aminolévulinique dans l'urine ou altération de la conduction nerveuse périphérique) se manifestent lorsque la plombémie (indice d'absorption du plomb dans l'organisme) approche 200 à 300 μg/l. Chez les jeunes enfants, l'organe critique est le système nerveux central (SNC), et les symptômes de dysfonctionnement détectés à l'aide d'une batterie de tests psychologiques se sont avérés apparaître dans les populations examinées, même à des concentrations de l'ordre d'environ 100 μg/l Pb en sang.

Un certain nombre d'autres définitions ont été formulées qui pourraient mieux refléter le sens de la notion. Selon l'OMS (1989), l'effet critique a été défini comme « le premier effet indésirable qui apparaît lorsque la concentration ou la dose seuil (critique) est atteinte dans l'organe critique. Les effets indésirables, tels que le cancer, sans concentration seuil définie sont souvent considérés comme critiques. La décision de savoir si un effet est critique est une question de jugement d'expert. Dans les lignes directrices du Programme international sur la sécurité chimique (IPCS) pour l'élaboration de Documents sur les critères de santé environnementale, l'effet critique est décrit comme « l'effet indésirable jugé le plus approprié pour déterminer la dose tolérable ». Cette dernière définition a été formulée directement dans le but d'évaluer les limites d'exposition à visée sanitaire dans l'environnement général. Dans ce contexte, le plus essentiel semble être de déterminer quel effet peut être considéré comme un effet néfaste. Selon la terminologie actuelle, l'effet indésirable est le "changement de morphologie, de physiologie, de croissance, de développement ou de durée de vie d'un organisme qui entraîne une altération de la capacité à compenser un stress supplémentaire ou une augmentation de la sensibilité aux effets nocifs d'autres influences environnementales". La décision de savoir si un effet est négatif ou non nécessite un jugement d'expert.

La figure 1 affiche des courbes dose-réponse hypothétiques pour différents effets. En cas d'exposition au plomb, A peut représenter un effet sous-critique (inhibition de l'ALA-déshydratase érythrocytaire), B l'effet critique (augmentation de la protoporphyrine de zinc érythrocytaire ou augmentation de l'excrétion d'acide delta-aminolévulinique, C l'effet clinique (anémie) et D l'effet fatal (la mort). Pour l'exposition au plomb, il existe de nombreuses preuves illustrant comment les effets particuliers de l'exposition dépendent de la concentration de plomb dans le sang (équivalent pratique de la dose), soit sous la forme de la relation dose-réponse ou en relation avec différentes variables (sexe, âge, etc. .). La détermination des effets critiques et de la relation dose-réponse pour de tels effets chez l'homme permet de prédire la fréquence d'un effet donné pour une dose donnée ou sa contrepartie (concentration dans le matériel biologique) dans une certaine population.

Figure 1. Courbes dose-réponse hypothétiques pour divers effets

Les effets critiques peuvent être de deux types : ceux considérés comme ayant un seuil et ceux pour lesquels il peut y avoir un certain risque à tout niveau d'exposition (sans seuil, cancérogènes génotoxiques et germes mutagènes). Dans la mesure du possible, des données humaines appropriées doivent être utilisées comme base pour l'évaluation des risques. Afin de déterminer les effets seuils pour la population générale, des hypothèses concernant le niveau d'exposition (dose tolérable, biomarqueurs d'exposition) doivent être faites telles que la fréquence de l'effet critique dans la population exposée à un agent dangereux donné corresponde à la fréquence de cet effet dans la population générale. Dans le cas de l'exposition au plomb, la concentration maximale recommandée de plomb dans le sang pour la population générale (200 μg/l, médiane inférieure à 100 μg/l) (OMS, 1987) est pratiquement inférieure à la valeur seuil de l'effet critique supposé, à savoir le taux élevé de protoporphyrine érythrocytaire libre, bien qu'il n'est pas inférieur au niveau associé à des effets sur le SNC chez les enfants ou la tension artérielle chez les adultes. En général, si les données d'études bien menées sur la population humaine définissant une dose sans effet nocif observé constituent la base de l'évaluation de l'innocuité, alors le facteur d'incertitude de dix a été considéré comme approprié. Dans le cas d'une exposition professionnelle, les effets critiques peuvent concerner une certaine partie de la population (par exemple 10 %). En conséquence, dans l'exposition professionnelle au plomb, la concentration de plomb dans le sang recommandée pour la santé a été adoptée à 400 mg/l chez les hommes, où un niveau de réponse de 10 % pour l'ALA-U de 5 mg/l s'est produit à des concentrations de PbB d'environ 300 à 400 mg/l. . Pour l'exposition professionnelle au cadmium (en supposant que l'excrétion urinaire accrue de protéines de faible poids soit l'effet critique), le niveau de 200 ppm de cadmium dans le cortex rénal a été considéré comme la valeur admissible, car cet effet a été observé chez 10 % des la population exposée. Ces deux valeurs sont à l'étude pour l'abaissement, dans de nombreux pays, à l'heure actuelle (c'est-à-dire, 1996).

Il n'y a pas de consensus clair sur la méthodologie appropriée pour l'évaluation des risques des produits chimiques pour lesquels l'effet critique peut ne pas avoir de seuil, tels que les cancérogènes génotoxiques. Un certain nombre d'approches fondées en grande partie sur la caractérisation de la relation dose-réponse ont été adoptées pour l'évaluation de ces effets. En raison du manque d'acceptation sociopolitique des risques pour la santé causés par les agents cancérigènes dans des documents tels que le Directives sur la qualité de l'air pour l'Europe (OMS 1987), seules les valeurs telles que le risque unitaire à vie (c'est-à-dire le risque associé à une exposition à vie à 1μg/m³ de l'agent dangereux) sont présentés pour les effets sans seuil (voir « Toxicologie réglementaire »).

À l'heure actuelle, l'étape fondamentale des activités d'évaluation des risques consiste à déterminer l'organe critique et les effets critiques. Les définitions de l'effet critique et de l'effet nocif reflètent la responsabilité de décider lequel des effets au sein d'un organe ou d'un système donné doit être considéré comme critique, et cela est directement lié à la détermination ultérieure des valeurs recommandées pour un produit chimique donné dans l'environnement général. -par exemple, Directives sur la qualité de l'air pour l'Europe (OMS 1987) ou les limites d'exposition professionnelle fondées sur la santé (OMS 1980). La détermination de l'effet critique à partir de la plage des effets sous-critiques peut conduire à une situation où les limites recommandées sur la concentration des produits chimiques toxiques dans l'environnement général ou professionnel peuvent être en pratique impossibles à maintenir. Considérer comme critique un effet pouvant se superposer aux effets cliniques précoces peut entraîner l'adoption de valeurs pour lesquelles des effets indésirables peuvent se développer dans une partie de la population. La décision de considérer ou non un effet donné comme critique reste du ressort de groupes d'experts spécialisés dans l'évaluation de la toxicité et des risques.

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Il existe souvent de grandes différences entre les humains dans l'intensité de la réponse aux produits chimiques toxiques et les variations de la sensibilité d'un individu au cours d'une vie. Ceux-ci peuvent être attribués à une variété de facteurs capables d'influencer le taux d'absorption, la distribution dans le corps, la biotransformation et/ou le taux d'excrétion d'un produit chimique particulier. Outre les facteurs héréditaires connus dont il a été clairement démontré qu'ils étaient liés à une susceptibilité accrue à la toxicité chimique chez l'homme (voir « Déterminants génétiques de la réponse toxique »), d'autres facteurs comprennent : les caractéristiques constitutionnelles liées à l'âge et au sexe ; états pathologiques préexistants ou réduction de la fonction organique (non héréditaire, c'est-à-dire acquis); les habitudes alimentaires, le tabagisme, la consommation d'alcool et l'utilisation de médicaments ; exposition concomitante à des biotoxines (divers micro-organismes) et à des facteurs physiques (radiations, humidité, températures extrêmement basses ou élevées ou pressions barométriques particulièrement pertinentes pour la pression partielle d'un gaz), ainsi qu'exercice physique concomitant ou situations de stress psychologique ; exposition professionnelle et/ou environnementale antérieure à un produit chimique particulier, et en particulier exposition concomitante à d'autres produits chimiques, ne sauraient nécessairement toxique (p. ex. métaux essentiels). Les contributions possibles des facteurs susmentionnés à l'augmentation ou à la diminution de la sensibilité aux effets nocifs sur la santé, ainsi que les mécanismes de leur action, sont spécifiques à un produit chimique particulier. Par conséquent, seuls les facteurs les plus courants, les mécanismes de base et quelques exemples caractéristiques seront présentés ici, alors que des informations spécifiques concernant chaque produit chimique particulier peuvent être trouvées ailleurs dans ce Encyclopédie.

Selon le stade auquel ces facteurs agissent (absorption, distribution, biotransformation ou excrétion d'un produit chimique particulier), les mécanismes peuvent être grossièrement classés selon deux conséquences fondamentales de l'interaction : (1) un changement de la quantité du produit chimique dans un organe cible, c'est-à-dire au(x) site(s) de son effet dans l'organisme (interactions toxicocinétiques), ou (2) une modification de l'intensité d'une réponse spécifique à la quantité de la substance chimique dans un organe cible (interactions toxicodynamiques) . Les mécanismes les plus courants de l'un ou l'autre type d'interaction sont liés à la compétition avec d'autres produits chimiques pour se lier aux mêmes composés impliqués dans leur transport dans l'organisme (par exemple, des protéines sériques spécifiques) et/ou pour la même voie de biotransformation (par exemple, enzymes spécifiques) entraînant une modification de la vitesse ou de la séquence entre la réaction initiale et l'effet néfaste final sur la santé. Cependant, les interactions toxicocinétiques et toxicodynamiques peuvent influencer la sensibilité individuelle à un produit chimique particulier. L'influence de plusieurs facteurs concomitants peut entraîner soit : (a) effets additifs—l'intensité de l'effet combiné est égale à la somme des effets produits par chaque facteur séparément, (b) effets synergiques—l'intensité de l'effet combiné est supérieure à la somme des effets produits par chaque facteur séparément, ou (c) effets antagonistes—l'intensité de l'effet combiné est inférieure à la somme des effets produits par chaque facteur séparément.

La quantité d'un produit chimique toxique particulier ou d'un métabolite caractéristique au(x) site(s) de son effet dans le corps humain peut être plus ou moins évaluée par une surveillance biologique, c'est-à-dire en choisissant le bon échantillon biologique et le moment optimal pour l'échantillonnage, en prenant en compte les demi-vies biologiques d'un produit chimique particulier à la fois dans l'organe critique et dans le compartiment biologique mesuré. Cependant, des informations fiables concernant d'autres facteurs possibles qui pourraient influencer la susceptibilité individuelle chez l'homme font généralement défaut, et par conséquent la majorité des connaissances concernant l'influence de divers facteurs est basée sur des données expérimentales sur des animaux.

Il convient de souligner que, dans certains cas, des différences relativement importantes existent entre les humains et les autres mammifères dans l'intensité de la réponse à un niveau et/ou une durée d'exposition équivalents à de nombreux produits chimiques toxiques ; par exemple, les humains semblent être considérablement plus sensibles aux effets néfastes sur la santé de plusieurs métaux toxiques que ne le sont les rats (couramment utilisés dans les études expérimentales sur des animaux). Certaines de ces différences peuvent être attribuées au fait que les voies de transport, de distribution et de biotransformation de divers produits chimiques dépendent fortement de changements subtils du pH tissulaire et de l'équilibre redox dans l'organisme (tout comme les activités de diverses enzymes), et que le système redox de l'homme diffère considérablement de celui du rat.

C'est évidemment le cas d'importants antioxydants tels que la vitamine C et le glutathion (GSH), qui sont essentiels au maintien de l'équilibre redox et qui ont un rôle protecteur contre les effets néfastes des radicaux libres dérivés de l'oxygène ou des xénobiotiques qui interviennent dans une variété de conditions pathologiques (Kehrer 1993). L'homme ne peut pas auto-synthétiser la vitamine C, contrairement au rat, et les niveaux ainsi que le taux de renouvellement du GSH érythrocytaire chez l'homme sont considérablement inférieurs à ceux du rat. Les humains manquent également de certaines des enzymes antioxydantes protectrices, par rapport au rat ou à d'autres mammifères (par exemple, la GSH-peroxydase est considérée comme peu active dans le sperme humain). Ces exemples illustrent la vulnérabilité potentiellement plus grande au stress oxydatif chez l'homme (en particulier dans les cellules sensibles, p. divers facteurs chez l'homme par rapport à d'autres mammifères (Telišman 1995).

Influence de l'âge

Comparativement aux adultes, les très jeunes enfants sont souvent plus sensibles à la toxicité chimique en raison de leurs volumes d'inhalation relativement plus élevés et de leur taux d'absorption gastro-intestinale en raison d'une plus grande perméabilité de l'épithélium intestinal, et en raison de systèmes enzymatiques de détoxification immatures et d'un taux d'excrétion relativement plus faible de produits chimiques toxiques. . Le système nerveux central semble être particulièrement sensible au stade précoce du développement en ce qui concerne la neurotoxicité de divers produits chimiques, par exemple le plomb et le méthylmercure. D'autre part, les personnes âgées peuvent être sensibles en raison d'antécédents d'exposition chimique et d'une augmentation des réserves corporelles de certains xénobiotiques, ou d'une fonction préexistante compromise des organes cibles et/ou des enzymes pertinentes entraînant une diminution du taux de détoxification et d'excrétion. Chacun de ces facteurs peut contribuer à l'affaiblissement des défenses de l'organisme - une diminution de la capacité de réserve, entraînant une susceptibilité accrue à une exposition ultérieure à d'autres dangers. Par exemple, les enzymes du cytochrome P450 (impliquées dans les voies de biotransformation de presque tous les produits chimiques toxiques) peuvent être induites ou avoir une activité réduite en raison de l'influence de divers facteurs au cours de la vie (y compris les habitudes alimentaires, le tabagisme, l'alcool, l'utilisation de médicaments et exposition aux xénobiotiques environnementaux).

Influence du sexe

Des différences de sensibilité liées au sexe ont été décrites pour un grand nombre de produits chimiques toxiques (environ 200), et de telles différences se retrouvent chez de nombreuses espèces de mammifères. Il semble que les mâles soient généralement plus sensibles aux toxines rénales et les femelles aux toxines hépatiques. Les causes de la réponse différente entre les hommes et les femmes ont été liées à des différences dans une variété de processus physiologiques (par exemple, les femmes sont capables d'excréter davantage de certains produits chimiques toxiques par la perte de sang menstruel, le lait maternel et/ou le transfert au fœtus, mais elles subissent un stress supplémentaire pendant la grossesse, l'accouchement et l'allaitement), les activités enzymatiques, les mécanismes de réparation génétique, les facteurs hormonaux ou la présence de dépôts de graisse relativement plus importants chez les femelles, entraînant une plus grande accumulation de certains produits chimiques toxiques lipophiles, tels que les solvants organiques et certains médicaments .

Influence des habitudes alimentaires

Les habitudes alimentaires ont une influence importante sur la susceptibilité à la toxicité chimique, principalement parce qu'une nutrition adéquate est essentielle au fonctionnement du système de défense chimique de l'organisme pour le maintien d'une bonne santé. Un apport adéquat en métaux essentiels (y compris les métalloïdes) et en protéines, en particulier les acides aminés soufrés, est nécessaire à la biosynthèse de diverses enzymes détoxifiantes et à l'apport de glycine et de glutathion pour les réactions de conjugaison avec des composés endogènes et exogènes. Les lipides, notamment les phospholipides, et les lipotropes (donneurs de groupes méthyle) sont nécessaires à la synthèse des membranes biologiques. Les glucides fournissent l'énergie nécessaire à divers processus de détoxification et fournissent de l'acide glucuronique pour la conjugaison des produits chimiques toxiques et de leurs métabolites. Le sélénium (un métalloïde essentiel), le glutathion et des vitamines telles que la vitamine C (soluble dans l'eau), la vitamine E et la vitamine A (soluble dans les lipides) jouent un rôle important en tant qu'antioxydants (p. ex., dans le contrôle de la peroxydation des lipides et le maintien de l'intégrité des membranes cellulaires) et des piégeurs de radicaux libres pour la protection contre les produits chimiques toxiques. De plus, divers constituants alimentaires (teneur en protéines et en fibres, minéraux, phosphates, acide citrique, etc.) ainsi que la quantité de nourriture consommée peuvent grandement influencer le taux d'absorption gastro-intestinal de nombreux produits chimiques toxiques (p. sels de plomb pris avec les repas est d'environ 60 %, contre environ XNUMX % chez les sujets à jeun). Cependant, l'alimentation elle-même peut être une source supplémentaire d'exposition individuelle à divers produits chimiques toxiques (par exemple, apports quotidiens considérablement accrus et accumulation d'arsenic, de mercure, de cadmium et/ou de plomb chez les sujets qui consomment des produits de la mer contaminés).

Influence du tabagisme

L'habitude de fumer peut influencer la sensibilité individuelle à de nombreux produits chimiques toxiques en raison de la variété des interactions possibles impliquant le grand nombre de composés présents dans la fumée de cigarette (en particulier les hydrocarbures aromatiques polycycliques, le monoxyde de carbone, le benzène, la nicotine, l'acroléine, certains pesticides, le cadmium et , dans une moindre mesure, le plomb et d'autres métaux toxiques, etc.), dont certains sont capables de s'accumuler dans le corps humain au cours de la vie, y compris la vie prénatale (par exemple, le plomb et le cadmium). Les interactions se produisent principalement parce que divers produits chimiques toxiques entrent en compétition pour le(s) même(s) site(s) de liaison pour le transport et la distribution dans l'organisme et/ou pour la même voie de biotransformation impliquant des enzymes particulières. Par exemple, plusieurs constituants de la fumée de cigarette peuvent induire des enzymes du cytochrome P450, tandis que d'autres peuvent réduire leur activité, et ainsi influencer les voies de biotransformation communes de nombreux autres produits chimiques toxiques, tels que les solvants organiques et certains médicaments. Une forte consommation de cigarettes sur une longue période peut réduire considérablement les mécanismes de défense de l'organisme en diminuant la capacité de réserve pour faire face à l'influence néfaste d'autres facteurs liés au mode de vie.

Influence de l'alcool

La consommation d'alcool (éthanol) peut influencer la sensibilité à de nombreux produits chimiques toxiques de plusieurs façons. Il peut influencer le taux d'absorption et la distribution de certains produits chimiques dans le corps, par exemple, augmenter le taux d'absorption gastro-intestinal du plomb ou diminuer le taux d'absorption pulmonaire de la vapeur de mercure en inhibant l'oxydation qui est nécessaire à la rétention de la vapeur de mercure inhalée. L'éthanol peut également influencer la sensibilité à divers produits chimiques par des changements à court terme du pH des tissus et une augmentation du potentiel redox résultant du métabolisme de l'éthanol, car l'éthanol s'oxydant en acétaldéhyde et l'acétaldéhyde s'oxydant en acétate produisent un équivalent de nicotinamide adénine dinucléotide réduit (NADH) et hydrogène (H⁺). Étant donné que l'affinité des métaux et métalloïdes essentiels et toxiques pour la liaison à divers composés et tissus est influencée par le pH et les modifications du potentiel redox (Telišman 1995), même une consommation modérée d'éthanol peut entraîner une série de conséquences telles que : ( 1) redistribution du plomb accumulé à long terme dans l'organisme humain en faveur d'une fraction de plomb biologiquement active, (2) remplacement du zinc essentiel par le plomb dans les enzymes contenant du zinc, affectant ainsi l'activité enzymatique ou l'influence de la mobilité plomb isé sur la distribution d'autres métaux et métalloïdes essentiels dans l'organisme tels que le calcium, le fer, le cuivre et le sélénium, (3) augmentation de l'excrétion urinaire de zinc, etc. L'effet des éventuels événements susmentionnés peut être augmenté du fait que les boissons alcoolisées peuvent contenir une quantité appréciable de plomb provenant des récipients ou de la transformation (Prpic-Majic et al. 1984 ; Telišman et al. 1984 ; 1993).

Une autre raison courante des changements de sensibilité liés à l'éthanol est que de nombreux produits chimiques toxiques, par exemple divers solvants organiques, partagent la même voie de biotransformation impliquant les enzymes du cytochrome P450. En fonction de l'intensité de l'exposition aux solvants organiques ainsi que de la quantité et de la fréquence d'ingestion d'éthanol (c.-à-d. consommation aiguë ou chronique d'alcool), l'éthanol peut diminuer ou augmenter les taux de biotransformation de divers solvants organiques et ainsi influencer leur toxicité (Sato 1991) .

Influence des médicaments

L'utilisation courante de divers médicaments peut influer sur la sensibilité aux produits chimiques toxiques, principalement parce que de nombreux médicaments se lient aux protéines sériques et influencent ainsi le transport, la distribution ou le taux d'excrétion de divers produits chimiques toxiques, ou parce que de nombreux médicaments sont capables d'induire des enzymes détoxifiantes pertinentes ou de réduire leur activité. (par exemple, les enzymes du cytochrome P450), affectant ainsi la toxicité des produits chimiques ayant la même voie de biotransformation. La caractéristique de l'un ou l'autre des mécanismes est l'augmentation de l'excrétion urinaire d'acide trichloroacétique (le métabolite de plusieurs hydrocarbures chlorés) lors de l'utilisation de salicylate, de sulfonamide ou de phénylbutazone, et une augmentation de l'hépato-néphrotoxicité du tétrachlorure de carbone lors de l'utilisation de phénobarbital. De plus, certains médicaments contiennent une quantité considérable d'un produit chimique potentiellement toxique, par exemple les antiacides contenant de l'aluminium ou les préparations utilisées pour la prise en charge thérapeutique de l'hyperphosphatémie survenant dans l'insuffisance rénale chronique.

Influence de l'exposition concomitante à d'autres produits chimiques

Les modifications de la susceptibilité aux effets nocifs sur la santé dues à l'interaction de divers produits chimiques (c.-à-d. possibles effets additifs, synergiques ou antagonistes) ont été étudiées presque exclusivement chez des animaux de laboratoire, principalement chez le rat. Les études épidémiologiques et cliniques pertinentes font défaut. Ceci est particulièrement préoccupant compte tenu de l'intensité relativement plus grande de la réponse ou de la variété des effets néfastes sur la santé de plusieurs produits chimiques toxiques chez l'homme par rapport au rat et à d'autres mammifères. Hormis les données publiées dans le domaine de la pharmacologie, la plupart des données ne concernent que des combinaisons de deux produits chimiques différents au sein de groupes spécifiques, tels que divers pesticides, solvants organiques ou métaux et métalloïdes essentiels et/ou toxiques.

L'exposition combinée à divers solvants organiques peut entraîner divers effets additifs, synergiques ou antagonistes (selon la combinaison de certains solvants organiques, leur intensité et la durée d'exposition), principalement en raison de la capacité d'influencer la biotransformation de l'autre (Sato 1991).

Un autre exemple caractéristique sont les interactions des métaux et des métalloïdes à la fois essentiels et/ou toxiques, car ceux-ci sont impliqués dans l'influence possible de l'âge (par exemple, une accumulation corporelle de plomb et de cadmium environnementaux à vie), du sexe (par exemple, une carence en fer courante chez les femmes ), habitudes alimentaires (par exemple, apport alimentaire accru de métaux et métalloïdes toxiques et/ou apport alimentaire insuffisant en métaux et métalloïdes essentiels), tabagisme et consommation d'alcool (par exemple, exposition supplémentaire au cadmium, au plomb et à d'autres métaux toxiques), et utilisation de médicaments (p. ex., une seule dose d'antiacide peut entraîner une augmentation de 50 fois de l'apport quotidien moyen d'aluminium par l'alimentation). La possibilité de divers effets additifs, synergiques ou antagonistes de l'exposition à divers métaux et métalloïdes chez l'homme peut être illustrée par des exemples simples liés aux principaux éléments toxiques (voir tableau 1), à part lesquels d'autres interactions peuvent se produire car des éléments essentiels peuvent également influencer les uns des autres (par exemple, l'effet antagoniste bien connu du cuivre sur le taux d'absorption gastro-intestinal ainsi que sur le métabolisme du zinc, et vice versa). La principale cause de toutes ces interactions est la compétition de divers métaux et métalloïdes pour le même site de liaison (en particulier le groupe sulfhydryle, -SH) dans diverses enzymes, métalloprotéines (en particulier la métallothionéine) et tissus (par exemple, membranes cellulaires et barrières organiques). Ces interactions peuvent avoir un rôle important dans le développement de plusieurs maladies chroniques qui sont médiées par l'action des radicaux libres et le stress oxydatif (Telišman 1995).

Tableau 1. Effets de base des interactions multiples possibles concernant les principaux métaux et métalloïdes toxiques et/ou essentiels chez les mammifères

Remarque : Les données sont principalement liées à des études expérimentales chez le rat, alors que les données cliniques et épidémiologiques pertinentes (en particulier concernant les relations dose-réponse quantitatives) font généralement défaut (Elsenhans et al. 1991 ; Fergusson 1990 ; Telišman et al. 1993).

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Il est reconnu depuis longtemps que la réaction de chaque personne aux produits chimiques environnementaux est différente. L'explosion récente de la biologie moléculaire et de la génétique a permis de mieux comprendre les bases moléculaires d'une telle variabilité. Les principaux déterminants de la réponse individuelle aux produits chimiques comprennent des différences importantes entre plus d'une douzaine de superfamilles d'enzymes, appelées collectivement xénobiotique- (étranger au corps) ou métabolisant les médicaments enzymes. Bien que le rôle de ces enzymes ait été classiquement considéré comme une détoxification, ces mêmes enzymes convertissent également un certain nombre de composés inertes en intermédiaires hautement toxiques. Récemment, de nombreuses différences aussi bien subtiles que grossières dans les gènes codant pour ces enzymes ont été identifiées, lesquelles se sont avérées entraîner des variations marquées de l'activité enzymatique. Il est maintenant clair que chaque individu possède un complément distinct d'activités enzymatiques métabolisant les xénobiotiques ; cette diversité pourrait être considérée comme une « empreinte métabolique ». C'est l'interaction complexe de ces nombreuses superfamilles d'enzymes différentes qui détermine en fin de compte non seulement le devenir et le potentiel de toxicité d'un produit chimique chez un individu donné, mais également l'évaluation de l'exposition. Dans cet article, nous avons choisi d'utiliser la superfamille des enzymes du cytochrome P450 pour illustrer les progrès remarquables réalisés dans la compréhension de la réponse individuelle aux produits chimiques. Le développement de tests basés sur l'ADN relativement simples conçus pour identifier des altérations génétiques spécifiques dans ces enzymes fournit désormais des prédictions plus précises de la réponse individuelle à l'exposition chimique. Nous espérons que le résultat sera une toxicologie préventive. En d'autres termes, chaque individu pourrait en apprendre davantage sur les produits chimiques auxquels il est particulièrement sensible, évitant ainsi une toxicité ou un cancer auparavant imprévisible.

Bien que cela ne soit généralement pas apprécié, les êtres humains sont exposés quotidiennement à un barrage d'innombrables produits chimiques divers. Bon nombre de ces produits chimiques sont hautement toxiques et proviennent d'une grande variété de sources environnementales et alimentaires. La relation entre ces expositions et la santé humaine a été, et continue d'être, un objectif majeur des efforts de recherche biomédicale dans le monde entier.

Quels sont quelques exemples de ce bombardement chimique ? Plus de 400 substances chimiques du vin rouge ont été isolées et caractérisées. On estime qu'au moins 1,000 75,000 produits chimiques sont produits par une cigarette allumée. Il existe d'innombrables produits chimiques dans les cosmétiques et les savons parfumés. L'agriculture est une autre source majeure d'exposition aux produits chimiques : rien qu'aux États-Unis, les terres agricoles reçoivent chaque année plus de XNUMX XNUMX produits chimiques sous forme de pesticides, d'herbicides et d'agents fertilisants ; après absorption par les plantes et les animaux au pâturage, ainsi que par les poissons dans les cours d'eau à proximité, les humains (à la fin de la chaîne alimentaire) ingèrent ces produits chimiques. Deux autres sources de fortes concentrations de produits chimiques absorbés par le corps comprennent (a) les médicaments pris de manière chronique et (b) l'exposition à des substances dangereuses sur le lieu de travail au cours d'une vie d'emploi.

Il est désormais bien établi que l'exposition aux produits chimiques peut avoir des effets néfastes sur de nombreux aspects de la santé humaine, provoquant des maladies chroniques et le développement de nombreux cancers. Au cours de la dernière décennie, la base moléculaire de bon nombre de ces relations a commencé à être dévoilée. De plus, la prise de conscience a émergé que les humains diffèrent nettement dans leur susceptibilité aux effets nocifs de l'exposition chimique.

Les efforts actuels pour prédire la réponse humaine à l'exposition chimique combinent deux approches fondamentales (figure 1) : surveiller l'étendue de l'exposition humaine à l'aide de marqueurs biologiques (biomarqueurs) et prédire la réponse probable d'un individu à un niveau d'exposition donné. Bien que ces deux approches soient extrêmement importantes, il convient de souligner qu'elles sont très différentes l'une de l'autre. Cet article portera sur la les facteurs génétiques susceptibilité individuelle sous-jacente à une exposition chimique particulière. Ce domaine de recherche est généralement appelé écogénétiqueou pharmacogénétique (voir Kalow 1962 et 1992). Bon nombre des progrès récents dans la détermination de la susceptibilité individuelle à la toxicité chimique ont évolué à partir d'une meilleure appréciation des processus par lesquels les humains et les autres mammifères détoxifient les produits chimiques et de la complexité remarquable des systèmes enzymatiques impliqués.

Figure 1. Interrelations entre l'évaluation de l'exposition, les différences ethniques, l'âge, le régime alimentaire, la nutrition et l'évaluation de la susceptibilité génétique - qui jouent tous un rôle dans le risque individuel de toxicité et de cancer

Nous décrirons d'abord la variabilité des réponses toxiques chez l'homme. Nous présenterons ensuite certaines des enzymes responsables d'une telle variation de réponse, due à des différences dans le métabolisme des produits chimiques étrangers. Ensuite, l'histoire et la nomenclature de la superfamille du cytochrome P450 seront détaillées. Cinq polymorphismes P450 humains ainsi que plusieurs polymorphismes non-P450 seront brièvement décrits ; ceux-ci sont responsables des différences humaines dans la réponse toxique. Nous discuterons ensuite d'un exemple pour souligner le fait que les différences génétiques chez les individus peuvent influencer l'évaluation de l'exposition, telle que déterminée par la surveillance environnementale. Enfin, nous discuterons du rôle de ces enzymes métabolisant les xénobiotiques dans les fonctions vitales critiques.

Variation de la réponse toxique parmi la population humaine

Les toxicologues et les pharmacologues parlent couramment de la dose létale moyenne pour 50 % de la population (LD₅₀), la dose maximale moyenne tolérée pour 50 % de la population (MTD₅₀), et la dose efficace moyenne d'un médicament particulier pour 50 % de la population (ED₅₀). Cependant, comment ces doses affectent-elles chacun de nous sur une base individuelle ? En d'autres termes, un individu hautement sensible peut être 500 fois plus affecté ou 500 fois plus susceptible d'être affecté que l'individu le plus résistant d'une population ; pour ces personnes, le LD₅₀ (et MDT₅₀ et DE₅₀) les valeurs auraient peu de sens. LD₅₀, MDT₅₀ et DE₅₀ les valeurs ne sont pertinentes que lorsqu'elles se réfèrent à la population dans son ensemble.

Figure 2 illustre une relation dose-réponse hypothétique pour une réponse toxique par des individus dans une population donnée. Ce diagramme générique pourrait représenter le carcinome bronchique en réponse au nombre de cigarettes fumées, la chloracné en fonction des niveaux de dioxine sur le lieu de travail, l'asthme en fonction des concentrations d'ozone ou d'aldéhyde dans l'air, les coups de soleil en réponse à la lumière ultraviolette, la diminution du temps de coagulation en tant que une fonction de la prise d'aspirine, ou une détresse gastro-intestinale en réponse au nombre de jalapeno piments consommés. Généralement, dans chacun de ces cas, plus l'exposition est importante, plus la réponse toxique est importante. La plupart de la population présentera la moyenne et l'écart type de la réponse toxique en fonction de la dose. La « valeur aberrante résistante » (en bas à droite sur la figure 2) est un individu ayant moins de réponse à des doses ou des expositions plus élevées. Une « valeur aberrante sensible » (en haut à gauche) est un individu ayant une réponse exagérée à une dose ou une exposition relativement faible. Ces valeurs aberrantes, avec des différences extrêmes de réponse par rapport à la majorité des individus de la population, peuvent représenter des variantes génétiques importantes qui peuvent aider les scientifiques à tenter de comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents d'une réponse toxique. 

Figure 2. Relation générique entre toute réponse toxique et la dose de tout agent environnemental, chimique ou physique

En utilisant ces valeurs aberrantes dans les études familiales, les scientifiques d'un certain nombre de laboratoires ont commencé à apprécier l'importance de l'hérédité mendélienne pour une réponse toxique donnée. Par la suite, on peut alors se tourner vers la biologie moléculaire et les études génétiques pour identifier le mécanisme sous-jacent au niveau du gène (génotype) responsable de la maladie causée par l'environnement (phénotype).

Enzymes xénobiotiques ou métabolisant les médicaments

Comment le corps réagit-il à la myriade de produits chimiques exogènes auxquels nous sommes exposés ? Les humains et d'autres mammifères ont développé des systèmes enzymatiques métaboliques très complexes comprenant plus d'une douzaine de superfamilles distinctes d'enzymes. Presque tous les produits chimiques auxquels les humains sont exposés seront modifiés par ces enzymes, afin de faciliter l'élimination de la substance étrangère du corps. Collectivement, ces enzymes sont fréquemment appelées enzymes métabolisant les médicaments or enzymes métabolisant les xénobiotiques. En fait, les deux termes sont des abus de langage. Premièrement, bon nombre de ces enzymes métabolisent non seulement des médicaments, mais aussi des centaines de milliers de produits chimiques environnementaux et alimentaires. Deuxièmement, toutes ces enzymes ont également des composés corporels normaux comme substrats ; aucune de ces enzymes ne métabolise uniquement les produits chimiques étrangers.

Depuis plus de quatre décennies, les processus métaboliques médiés par ces enzymes ont généralement été classés en réactions de phase I ou de phase II (figure 3). Les réactions de phase I («fonctionnalisation») impliquent généralement des modifications structurelles relativement mineures de la substance chimique mère par oxydation, réduction ou hydrolyse afin de produire un métabolite plus soluble dans l'eau. Fréquemment, les réactions de phase I fournissent une "manipulation" pour une modification supplémentaire d'un composé par des réactions de phase II ultérieures. Les réactions de phase I sont principalement médiées par une superfamille d'enzymes très polyvalentes, collectivement appelées cytochromes P450, bien que d'autres superfamilles d'enzymes puissent également être impliquées (figure 4).

Figure 3. Désignation classique des enzymes xénobiotiques ou métabolisant les médicaments de phase I et de phase II

Figure 4. Exemples d'enzymes métabolisant les médicaments

Les réactions de phase II impliquent le couplage d'une molécule endogène soluble dans l'eau à un produit chimique (produit chimique parent ou métabolite de phase I) afin de faciliter l'excrétion. Les réactions de phase II sont fréquemment appelées réactions de « conjugaison » ou de « dérivatisation ». Les superfamilles d'enzymes catalysant les réactions de phase II sont généralement nommées en fonction de la fraction de conjugaison endogène impliquée : par exemple, l'acétylation par les N-acétyltransférases, la sulfatation par les sulfotransférases, la conjugaison du glutathion par les glutathion transférases et la glucuronidation par les UDP glucuronosyltransférases (figure 4). . Bien que le foie soit le principal organe du métabolisme des médicaments, les niveaux de certaines enzymes métabolisant les médicaments sont assez élevés dans le tractus gastro-intestinal, les gonades, les poumons, le cerveau et les reins, et ces enzymes sont sans aucun doute présentes dans une certaine mesure dans chaque cellule vivante.

Les enzymes métabolisant les xénobiotiques représentent un double tranchant Swords

Au fur et à mesure que nous en apprenons davantage sur les processus biologiques et chimiques conduisant à des aberrations pour la santé humaine, il est devenu de plus en plus évident que les enzymes métabolisant les médicaments fonctionnent de manière ambivalente (figure 3). Dans la majorité des cas, les produits chimiques liposolubles sont convertis en métabolites hydrosolubles plus facilement excrétés. Cependant, il est clair qu'en de nombreuses occasions, les mêmes enzymes sont capables de transformer d'autres produits chimiques inertes en molécules hautement réactives. Ces intermédiaires peuvent alors interagir avec des macromolécules cellulaires telles que les protéines et l'ADN. Ainsi, pour chaque produit chimique auquel les humains sont exposés, il existe un potentiel pour les voies concurrentes de activation métabolique et désintoxication.

Bref examen de la génétique

En génétique humaine, chaque gène (lieu) est situé sur l'une des 23 paires de chromosomes. Les deux allèles (un présent sur chaque chromosome de la paire) peuvent être identiques ou différents les uns des autres. Par exemple, le B et b allèles, dans lesquels B (yeux marrons) est dominant sur b (yeux bleus) : les individus de phénotype yeux bruns peuvent avoir soit BB or Bb génotypes, alors que les individus de phénotype aux yeux bleus ne peuvent avoir que bb génotype.

A polymorphisme est défini comme deux ou plusieurs phénotypes (traits) hérités de manière stable - dérivés du ou des mêmes gènes - qui sont maintenus dans la population, souvent pour des raisons pas nécessairement évidentes. Pour qu'un gène soit polymorphe, le produit du gène ne doit pas être essentiel au développement, à la vigueur reproductive ou à d'autres processus vitaux critiques. En fait, un « polymorphisme équilibré », dans lequel l'hétérozygote a un avantage de survie distinct sur l'un ou l'autre des homozygotes (par exemple, la résistance au paludisme et l'allèle drépanocytaire de l'hémoglobine) est une explication courante du maintien d'un allèle dans la population à un niveau élevé autrement inexpliqué. fréquences (voir Gonzalez et Nebert 1990).

Polymorphismes humains des enzymes métabolisant les xénobiotiques

Les différences génétiques dans le métabolisme de divers médicaments et produits chimiques environnementaux sont connues depuis plus de quatre décennies (Kalow 1962 et 1992). Ces différences sont fréquemment appelées pharmacogénétique ou, plus largement, polymorphismes écogénétiques. Ces polymorphismes représentent des allèles variants qui se produisent à une fréquence relativement élevée dans la population et sont généralement associés à des aberrations dans l'expression ou la fonction enzymatique. Historiquement, les polymorphismes étaient généralement identifiés suite à des réponses inattendues à des agents thérapeutiques. Plus récemment, la technologie de l'ADN recombinant a permis aux scientifiques d'identifier les altérations précises des gènes responsables de certains de ces polymorphismes. Les polymorphismes ont maintenant été caractérisés dans de nombreuses enzymes métabolisant les médicaments, y compris les enzymes de phase I et de phase II. Au fur et à mesure que de plus en plus de polymorphismes sont identifiés, il devient de plus en plus évident que chaque individu peut posséder un complément distinct d'enzymes métabolisant les médicaments. Cette diversité pourrait être qualifiée d'« empreinte métabolique ». C'est l'interaction complexe des diverses superfamilles d'enzymes métabolisant les médicaments au sein d'un individu qui déterminera finalement sa réponse particulière à un produit chimique donné (Kalow 1962 et 1992 ; Nebert 1988 ; Gonzalez et Nebert 1990 ; Nebert et Weber 1990).

Expression d'enzymes métabolisant les xénobiotiques humains dans la cellule Culture

Comment pourrions-nous développer de meilleurs prédicteurs des réponses toxiques humaines aux produits chimiques ? Les progrès dans la définition de la multiplicité des enzymes métabolisant les médicaments doivent s'accompagner d'une connaissance précise des enzymes qui déterminent le devenir métabolique des produits chimiques individuels. Les données recueillies dans les études de laboratoire sur les rongeurs ont certainement fourni des informations utiles. Cependant, des différences interspécifiques significatives dans les enzymes métabolisant les xénobiotiques nécessitent la prudence dans l'extrapolation des données aux populations humaines. Pour surmonter cette difficulté, de nombreux laboratoires ont développé des systèmes dans lesquels diverses lignées cellulaires en culture peuvent être modifiées pour produire des enzymes humaines fonctionnelles stables et à des concentrations élevées (Gonzalez, Crespi et Gelboin 1991). La production réussie d'enzymes humaines a été obtenue dans une variété de lignées cellulaires diverses provenant de sources comprenant des bactéries, des levures, des insectes et des mammifères.

Afin de définir encore plus précisément le métabolisme des substances chimiques, plusieurs enzymes ont également été produites avec succès dans une seule lignée cellulaire (Gonzalez, Crespi et Gelboin 1991). De telles lignées cellulaires fournissent des informations précieuses sur les enzymes précises impliquées dans le traitement métabolique d'un composé donné et de métabolites potentiellement toxiques. Si ces informations peuvent ensuite être combinées avec des connaissances concernant la présence et le niveau d'une enzyme dans les tissus humains, ces données devraient fournir des prédicteurs précieux de la réponse.

Cytochrome P450

Histoire et nomenclature

La superfamille du cytochrome P450 est l'une des superfamilles d'enzymes métabolisant les médicaments les plus étudiées, présentant une grande variabilité individuelle en réponse aux produits chimiques. Le cytochrome P450 est un terme générique pratique utilisé pour décrire une grande superfamille d'enzymes essentielles dans le métabolisme d'innombrables substrats endogènes et exogènes. Le terme cytochrome P450 a été inventé en 1962 pour décrire un inconnu pigment dans des cellules qui, lorsqu'elles sont réduites et liées avec du monoxyde de carbone, produisent un pic d'absorption caractéristique à 450 nm. Depuis le début des années 1980, la technologie de clonage d'ADNc a permis d'obtenir des informations remarquables sur la multiplicité des enzymes du cytochrome P450. À ce jour, plus de 400 gènes distincts du cytochrome P450 ont été identifiés chez les animaux, les plantes, les bactéries et les levures. Il a été estimé que n'importe quelle espèce de mammifère, comme les humains, peut posséder 60 gènes P450 distincts ou plus (Nebert et Nelson 1991). La multiplicité des gènes P450 a nécessité le développement d'un système de nomenclature standardisé (Nebert et al. 1987 ; Nelson et al. 1993). Proposé pour la première fois en 1987 et mis à jour sur une base semestrielle, le système de nomenclature est basé sur l'évolution divergente des comparaisons de séquences d'acides aminés entre les protéines P450. Les gènes P450 sont divisés en familles et sous-familles : les enzymes d'une famille présentent une similitude d'acides aminés supérieure à 40 %, et celles de la même sous-famille présentent une similitude de 55 %. Les gènes P450 sont nommés avec le symbole racine CYP suivi d'un chiffre arabe désignant la famille P450, d'une lettre désignant la sous-famille et d'un autre chiffre arabe désignant le gène individuel (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Ainsi, CYP1A1 représente le gène P450 1 dans la famille 1 et la sous-famille A.

En février 1995, il y avait 403 CYP gènes dans la base de données, composée de 59 familles et 105 sous-familles. Celles-ci comprennent huit familles d'eucaryotes inférieurs, 15 familles de plantes et 19 familles de bactéries. Les 15 familles de gènes P450 humains comprennent 26 sous-familles, dont 22 ont été cartographiées à des emplacements chromosomiques dans la majeure partie du génome. Certaines séquences sont clairement orthologues dans de nombreuses espèces, par exemple, une seule CYP17 (stéroïde 17α-hydroxylase) a été trouvé chez tous les vertébrés examinés à ce jour ; d'autres séquences au sein d'une sous-famille sont fortement dupliquées, ce qui rend impossible l'identification de paires orthologues (par exemple, le CYP2C sous-famille). Fait intéressant, l'homme et la levure partagent un gène orthologue dans le CYP51 famille. De nombreuses revues complètes sont disponibles pour les lecteurs à la recherche d'informations complémentaires sur la superfamille P450 (Nelson et al. 1993 ; Nebert et al. 1991 ; Nebert et McKinnon 1994 ; Guengerich 1993 ; Gonzalez 1992).

Le succès du système de nomenclature P450 a entraîné le développement de systèmes terminologiques similaires pour les glucuronosyltransférases UDP (Burchell et al. 1991) et les mono-oxygénases contenant de la flavine (Lawton et al. 1994). Des systèmes de nomenclature similaires basés sur une évolution divergente sont également en cours de développement pour plusieurs autres superfamilles d'enzymes métabolisant les médicaments (par exemple, les sulfotransférases, les époxydes hydrolases et les aldéhydes déshydrogénases).

Récemment, nous avons divisé la superfamille des gènes P450 des mammifères en trois groupes (Nebert et McKinnon 1994) - ceux impliqués principalement dans le métabolisme chimique étranger, ceux impliqués dans la synthèse de diverses hormones stéroïdes et ceux participant à d'autres fonctions endogènes importantes. Ce sont les enzymes P450 métabolisant les xénobiotiques qui revêtent le plus d'importance pour la prédiction de la toxicité.

Enzymes P450 métabolisant les xénobiotiques

Les enzymes P450 impliquées dans le métabolisme des composés étrangers et des médicaments se trouvent presque toujours au sein des familles CYP1, CYP2, CYP3 et CYP4. Ces enzymes P450 catalysent une grande variété de réactions métaboliques, avec un seul P450 souvent capable de métaboliser de nombreux composés différents. De plus, plusieurs enzymes P450 peuvent métaboliser un seul composé à différents sites. En outre, un composé peut être métabolisé au même site unique par plusieurs P450, bien qu'à des vitesses variables.

Une propriété très importante des enzymes P450 métabolisant les médicaments est que nombre de ces gènes sont inductibles par les substances mêmes qui leur servent de substrats. D'autre part, d'autres gènes P450 sont induits par des non-substrats. Ce phénomène d'induction enzymatique est à la base de nombreuses interactions médicamenteuses d'importance thérapeutique.

Bien que présentes dans de nombreux tissus, ces enzymes P450 particulières se trouvent à des niveaux relativement élevés dans le foie, site principal du métabolisme des médicaments. Certaines des enzymes P450 métabolisant les xénobiotiques présentent une activité vis-à-vis de certains substrats endogènes (par exemple, l'acide arachidonique). Cependant, on pense généralement que la plupart de ces enzymes P450 métabolisant les xénobiotiques ne jouent pas de rôle physiologique important, bien que cela n'ait pas encore été établi expérimentalement. La perturbation homozygote sélective, ou "knock-out", des gènes P450 métabolisant les xénobiotiques individuels au moyen de méthodologies de ciblage génique chez la souris est susceptible de fournir bientôt des informations sans équivoque en ce qui concerne les rôles physiologiques des P450 métabolisant les xénobiotiques (pour une revue de ciblage génétique, voir Capecchi 1994).

Contrairement aux familles P450 codant pour les enzymes impliquées principalement dans les processus physiologiques, les familles codant pour les enzymes P450 métabolisant les xénobiotiques présentent une spécificité d'espèce marquée et contiennent fréquemment de nombreux gènes actifs par sous-famille (Nelson et al. 1993 ; Nebert et al. 1991). Compte tenu du manque apparent de substrats physiologiques, il est possible que les enzymes P450 des familles CYP1, CYP2, CYP3 et CYP4 qui sont apparus au cours des dernières centaines de millions d'années ont évolué comme un moyen de détoxification des produits chimiques étrangers rencontrés dans l'environnement et l'alimentation. De toute évidence, l'évolution des P450 métabolisant les xénobiotiques se serait produite sur une période qui précède de loin la synthèse de la plupart des produits chimiques synthétiques auxquels les humains sont maintenant exposés. Les gènes de ces quatre familles de gènes peuvent avoir évolué et divergé chez les animaux en raison de leur exposition aux métabolites des plantes au cours des 1.2 dernier milliard d'années - un processus appelé de manière descriptive « guerre animal-plante » (Gonzalez et Nebert 1990). La guerre animal-plante est le phénomène dans lequel les plantes ont développé de nouveaux produits chimiques (phytoalexines) comme mécanisme de défense afin d'empêcher l'ingestion par les animaux, et les animaux, à leur tour, ont répondu en développant de nouveaux gènes P450 pour s'adapter aux substrats diversifiés. Les exemples récemment décrits de guerre chimique plantes-insectes et plantes-champignons impliquant la détoxification P450 de substrats toxiques donnent un nouvel élan à cette proposition (Nebert 1994).

Ce qui suit est une brève introduction à plusieurs des polymorphismes de l'enzyme humaine P450 métabolisant les xénobiotiques dans lesquels on pense que les déterminants génétiques de la réponse toxique sont d'une grande importance. Jusqu'à récemment, les polymorphismes P450 étaient généralement suggérés par une variation inattendue de la réponse du patient aux agents thérapeutiques administrés. Plusieurs polymorphismes P450 sont en effet nommés en fonction du médicament avec lequel le polymorphisme a été identifié pour la première fois. Plus récemment, les efforts de recherche se sont concentrés sur l'identification des enzymes P450 précises impliquées dans le métabolisme des produits chimiques pour lesquels une variance est observée et la caractérisation précise des gènes P450 impliqués. Comme décrit précédemment, l'activité mesurable d'une enzyme P450 vis-à-vis d'un produit chimique modèle peut être appelée le phénotype. Les différences alléliques dans un gène P450 pour chaque individu sont appelées le génotype P450. Au fur et à mesure que l'analyse des gènes P450 est de plus en plus minutieuse, la base moléculaire précise de la variance phénotypique précédemment documentée devient plus claire.

La sous-famille CYP1A

La CYP1A La sous-famille comprend deux enzymes chez l'homme et tous les autres mammifères : celles-ci sont désignées CYP1A1 et CYP1A2 sous la nomenclature standard P450. Ces enzymes présentent un intérêt considérable, car elles sont impliquées dans l'activation métabolique de nombreux procarcinogènes et sont également induites par plusieurs composés d'intérêt toxicologique, dont la dioxine. Par exemple, le CYP1A1 active métaboliquement de nombreux composés présents dans la fumée de cigarette. Le CYP1A2 active métaboliquement de nombreuses arylamines, associées au cancer de la vessie, trouvées dans l'industrie des colorants chimiques. Le CYP1A2 active également métaboliquement la 4-(méthylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (NNK), une nitrosamine dérivée du tabac. CYP1A1 et CYP1A2 se trouvent également à des niveaux plus élevés dans les poumons des fumeurs de cigarettes, en raison de l'induction par les hydrocarbures polycycliques présents dans la fumée. Les niveaux d'activité du CYP1A1 et du CYP1A2 sont donc considérés comme des déterminants importants de la réponse individuelle à de nombreux produits chimiques potentiellement toxiques.

Intérêt toxicologique de la CYP1A sous-famille a été considérablement intensifiée par un rapport de 1973 établissant une corrélation entre le niveau d'inductibilité du CYP1A1 chez les fumeurs de cigarettes et la susceptibilité individuelle au cancer du poumon (Kellermann, Shaw et Luyten-Kellermann 1973). La base moléculaire de l'induction du CYP1A1 et du CYP1A2 a été au centre des préoccupations de nombreux laboratoires. Le processus d'induction est médié par une protéine appelée récepteur Ah à laquelle se lient les dioxines et les produits chimiques structurellement apparentés. Le nom Ah est dérivé de la aryl hnature hydrocarbonée de nombreux inducteurs du CYP1A. Fait intéressant, les différences dans le gène codant pour le récepteur Ah entre les souches de souris entraînent des différences marquées dans la réponse chimique et la toxicité. Un polymorphisme du gène du récepteur Ah semble également se produire chez l'homme : environ un dixième de la population présente une induction élevée du CYP1A1 et peut être plus à risque que les autres neuf dixièmes de la population de développer certains cancers induits chimiquement. Le rôle du récepteur Ah dans le contrôle des enzymes dans le CYP1A sous-famille, et son rôle en tant que déterminant de la réponse humaine à l'exposition chimique, a fait l'objet de plusieurs études récentes (Nebert, Petersen et Puga 1991; Nebert, Puga et Vasiliou 1993).

Existe-t-il d'autres polymorphismes qui pourraient contrôler le niveau de protéines CYP1A dans une cellule ? Un polymorphisme dans CYP1A1 a également été identifié, ce qui semble influencer le risque de cancer du poumon chez les fumeurs de cigarettes japonais, bien que ce même polymorphisme ne semble pas influencer le risque dans d'autres groupes ethniques (Nebert et McKinnon 1994).

CYP2C19

Les variations de la vitesse à laquelle les individus métabolisent le médicament anticonvulsivant (S)-méphénytoïne sont bien documentées depuis de nombreuses années (Guengerich 1989). Entre 2% et 5% des Caucasiens et jusqu'à 25% des Asiatiques sont déficients dans cette activité et peuvent être plus à risque de toxicité du médicament. On sait depuis longtemps que ce défaut enzymatique implique un membre de l'humain CYP2C sous-famille, mais la base moléculaire précise de cette déficience a fait l'objet d'une controverse considérable. La principale raison de cette difficulté était les six gènes ou plus dans le corps humain. CYP2C sous-famille. Cependant, il a été récemment démontré qu'une mutation à base unique dans le CYP2C19 est la principale cause de cette déficience (Goldstein et de Morais 1994). Un test ADN simple, basé sur la réaction en chaîne par polymérase (PCR), a également été développé pour identifier rapidement cette mutation dans les populations humaines (Goldstein et de Morais 1994).

CYP2D6

La variation la plus largement caractérisée dans un gène P450 est peut-être celle impliquant le CYP2D6 gène. Plus d'une dizaine d'exemples de mutations, réarrangements et délétions affectant ce gène ont été décrits (Meyer 1994). Ce polymorphisme a été suggéré pour la première fois il y a 20 ans par la variabilité clinique de la réponse des patients à l'agent antihypertenseur débrisoquine. Modifications dans le CYP2D6 gène donnant lieu à une activité enzymatique altérée sont donc collectivement appelés le polymorphisme débrisoquine.

Avant l'avènement des études basées sur l'ADN, les individus étaient classés comme métaboliseurs lents ou intensifs (PM, EM) de la débrisoquine sur la base des concentrations de métabolites dans les échantillons d'urine. Il est maintenant clair que les modifications de la CYP2D6 peut entraîner chez les individus non seulement un métabolisme médiocre ou étendu de la débrisoquine, mais également un métabolisme ultrarapide. La plupart des modifications dans le CYP2D6 gène sont associés à une déficience partielle ou totale de la fonction enzymatique ; cependant, des individus de deux familles ont récemment été décrits qui possèdent de multiples copies fonctionnelles du CYP2D6 gène, donnant lieu à un métabolisme ultrarapide des substrats du CYP2D6 (Meyer 1994). Cette observation remarquable fournit de nouvelles informations sur le large spectre d'activité du CYP2D6 précédemment observé dans les études de population. Les altérations de la fonction CYP2D6 revêtent une importance particulière, compte tenu des plus de 30 médicaments couramment prescrits métabolisés par cette enzyme. La fonction CYP2D6 d'un individu est donc un déterminant majeur de la réponse thérapeutique et toxique à la thérapie administrée. En effet, il a récemment été soutenu que la prise en compte du statut CYP2D6 d'un patient est nécessaire pour l'utilisation sûre des médicaments psychiatriques et cardiovasculaires.

Le rôle de l' CYP2D6 le polymorphisme en tant que déterminant de la susceptibilité individuelle aux maladies humaines telles que le cancer du poumon et la maladie de Parkinson a également fait l'objet d'études approfondies (Nebert et McKinnon 1994 ; Meyer 1994). Bien que les conclusions soient difficiles à définir compte tenu de la diversité des protocoles d'étude utilisés, la majorité des études semblent indiquer une association entre les métaboliseurs extensifs de la débrisoquine (phénotype EM) et le cancer du poumon. Les raisons d'une telle association ne sont pas claires pour le moment. Cependant, il a été démontré que l'enzyme CYP2D6 métabolise la NNK, une nitrosamine dérivée du tabac.

À mesure que les tests basés sur l'ADN s'améliorent, permettant une évaluation encore plus précise du statut du CYP2D6, il est prévu que la relation précise entre le CYP2D6 et le risque de maladie soit clarifiée. Alors que le métaboliseur rapide peut être lié à la susceptibilité au cancer du poumon, le métaboliseur lent (phénotype PM) semble être associé à la maladie de Parkinson de cause inconnue. Alors que ces études sont également difficiles à comparer, il semble que les individus PM ayant une capacité réduite à métaboliser les substrats du CYP2D6 (par exemple, la débrisoquine) ont un risque de développer la maladie de Parkinson de 2 à 2.5 fois.

CYP2E1

La CYP2E1 Le gène code une enzyme qui métabolise de nombreux produits chimiques, y compris des médicaments et de nombreux cancérogènes de faible poids moléculaire. Cette enzyme est également intéressante car elle est hautement inductible par l'alcool et peut jouer un rôle dans les lésions hépatiques induites par des produits chimiques tels que le chloroforme, le chlorure de vinyle et le tétrachlorure de carbone. L'enzyme se trouve principalement dans le foie et le niveau d'enzyme varie considérablement d'un individu à l'autre. Un examen minutieux de la CYP2E1 a abouti à l'identification de plusieurs polymorphismes (Nebert et McKinnon 1994). Une relation a été rapportée entre la présence de certaines variations structurelles dans le CYP2E1 réduction génétique et apparente du risque de cancer du poumon dans certaines études ; cependant, il existe des différences interethniques claires qui nécessitent une clarification de cette relation possible.

La sous-famille CYP3A

Chez l'homme, quatre enzymes ont été identifiées comme membres de la CYP3A sous-famille en raison de leur similitude dans la séquence d'acides aminés. Les enzymes CYP3A métabolisent de nombreux médicaments couramment prescrits tels que l'érythromycine et la cyclosporine. L'aflatoxine B, contaminant alimentaire cancérigène₁ est également un substrat du CYP3A. Un membre de l'humain CYP3A sous-famille, désignée CYP3A4, est le principal P450 dans le foie humain et est également présent dans le tractus gastro-intestinal. Comme c'est le cas pour de nombreuses autres enzymes P450, le niveau de CYP3A4 est très variable d'un individu à l'autre. Une deuxième enzyme, désignée CYP3A5, se trouve dans seulement environ 25 % des foies ; la base génétique de cette découverte n'a pas été élucidée. L'importance de la variabilité du CYP3A4 ou du CYP3A5 en tant que facteur dans les déterminants génétiques de la réponse toxique n'a pas encore été établie (Nebert et McKinnon, 1994).

Polymorphismes non P450

De nombreux polymorphismes existent également au sein d'autres superfamilles d'enzymes métabolisant les xénobiotiques (par exemple, les glutathion transférases, les UDP glucuronosyltransférases, les para-oxonases, les déshydrogénases, les N-acétyltransférases et les mono-oxygénases contenant de la flavine). Étant donné que la toxicité ultime de tout intermédiaire généré par P450 dépend de l'efficacité des réactions de détoxification de phase II ultérieures, le rôle combiné des polymorphismes enzymatiques multiples est important pour déterminer la sensibilité aux maladies induites chimiquement. L'équilibre métabolique entre les réactions de phase I et de phase II (figure 3) est donc susceptible d'être un facteur majeur dans les maladies humaines d'origine chimique et les déterminants génétiques de la réponse toxique.

Le polymorphisme du gène GSTM1

Un exemple bien étudié d'un polymorphisme dans une enzyme de phase II est celui impliquant un membre de la superfamille des enzymes glutathion S-transférase, désignée GST mu ou GSTM1. Cette enzyme particulière présente un intérêt toxicologique considérable car elle semble être impliquée dans la détoxification ultérieure des métabolites toxiques produits à partir de produits chimiques dans la fumée de cigarette par l'enzyme CYP1A1. Le polymorphisme identifié dans ce gène de la glutathion transférase implique une absence totale d'enzyme fonctionnelle chez jusqu'à la moitié de tous les Caucasiens étudiés. Cette absence d'enzyme de phase II semble être associée à une susceptibilité accrue au cancer du poumon. En regroupant les individus sur la base des deux variantes CYP1A1 gènes et la délétion ou la présence d'un GSTM1 gène, il a été démontré que le risque de développer un cancer du poumon induit par le tabagisme varie considérablement (Kawajiri, Watanabe et Hayashi 1994). En particulier, les individus présentant une rare CYP1A1 altération génétique, associée à une absence de GSTM1 , présentaient un risque plus élevé (jusqu'à neuf fois) de développer un cancer du poumon lorsqu'ils étaient exposés à un niveau relativement faible de fumée de cigarette. Fait intéressant, il semble y avoir des différences interethniques dans la signification des gènes variants qui nécessitent une étude plus approfondie afin d'élucider le rôle précis de ces altérations dans la susceptibilité à la maladie (Kalow 1962 ; Nebert et McKinnon 1994 ; Kawajiri, Watanabe et Hayashi 1994).

Effet synergique de deux ou plusieurs polymorphismes sur la toxicité réponse

Une réponse toxique à un agent environnemental peut être fortement exagérée par la combinaison de deux défauts pharmacogénétiques chez le même individu, par exemple, les effets combinés du polymorphisme de la N-acétyltransférase (NAT2) et du polymorphisme de la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD) .

L'exposition professionnelle aux arylamines constitue un risque grave de cancer de la vessie. Depuis les élégantes études de Cartwright en 1954, il est devenu clair que le statut de N-acétylateur est un déterminant du cancer de la vessie induit par les colorants azoïques. Il existe une corrélation hautement significative entre le phénotype acétyleur lent et la survenue d'un cancer de la vessie, ainsi que le degré d'envahissement de ce cancer dans la paroi vésicale. Au contraire, il existe une association significative entre le phénotype à acétylation rapide et l'incidence du carcinome colorectal. La N-acétyltransférase (NAT1, NAT2) ont été clonés et séquencés, et les tests basés sur l'ADN sont maintenant capables de détecter plus d'une douzaine de variantes alléliques qui expliquent le phénotype à acétyleur lent. Le NAT2 Le gène est polymorphe et responsable de la majeure partie de la variabilité de la réponse toxique aux produits chimiques environnementaux (Weber 1987; Grant 1993).

La glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD) est une enzyme essentielle à la génération et au maintien du NADPH. Une activité G6PD faible ou absente peut entraîner une hémolyse sévère induite par des médicaments ou des xénobiotiques, en raison de l'absence de taux normaux de glutathion réduit (GSH) dans les globules rouges. Le déficit en G6PD touche au moins 300 millions de personnes dans le monde. Plus de 10% des hommes afro-américains présentent le phénotype le moins sévère, tandis que certaines communautés sardes présentent le «type méditerranéen» plus sévère à des fréquences pouvant atteindre une personne sur trois. Le G6PD Le gène a été cloné et localisé sur le chromosome X, et de nombreuses mutations ponctuelles diverses expliquent le degré élevé d'hétérogénéité phénotypique observée chez les individus déficients en G6PD (Beutler 1992).

La thiozalsulphone, une arylamine sulfamide, s'est avérée provoquer une distribution bimodale de l'anémie hémolytique dans la population traitée. Lorsqu'ils sont traités avec certains médicaments, les individus présentant la combinaison d'un déficit en G6PD et du phénotype d'acétylateur lent sont plus affectés que ceux présentant le déficit en G6PD seul ou le phénotype d'acétylateur lent seul. Les acétyleurs lents déficients en G6PD sont au moins 40 fois plus sensibles que les acétyleurs rapides normaux à la G6PD à l'hémolyse induite par la thiozalsulfone.

Effet des polymorphismes génétiques sur l'évaluation de l'exposition

L'évaluation de l'exposition et la biosurveillance (figure 1) nécessitent également des informations sur la constitution génétique de chaque individu. Étant donné une exposition identique à un produit chimique dangereux, le niveau d'adduits à l'hémoglobine (ou d'autres biomarqueurs) peut varier de deux ou trois ordres de grandeur entre les individus, en fonction de l'empreinte métabolique de chacun.

La même pharmacogénétique combinée a été étudiée chez des ouvriers d'usines chimiques en Allemagne (tableau 1). Les adduits d'hémoglobine chez les travailleurs exposés à l'aniline et à l'acétanilide sont de loin les plus élevés chez les acétyleurs lents déficients en G6PD, par rapport aux autres phénotypes pharmacogénétiques combinés possibles. Cette étude a des implications importantes pour l'évaluation de l'exposition. Ces données démontrent que, bien que deux personnes puissent être exposées au même niveau ambiant de produit chimique dangereux sur le lieu de travail, la quantité d'exposition (via des biomarqueurs tels que les adduits d'hémoglobine) peut être estimée à deux ordres de grandeur ou plus de moins, en raison à la prédisposition génétique sous-jacente de l'individu. De même, le risque résultant d'un effet néfaste sur la santé peut varier de deux ordres de grandeur ou plus.

Tableau 1 : Adduits à l'hémoglobine chez les travailleurs exposés à l'aniline et à l'acétanilide

Source : Adapté de Lewalter et Korallus 1985.

Différences génétiques dans la liaison ainsi que dans le métabolisme

Il convient de souligner que le même cas fait ici pour le méta-bolisme peut également être fait pour la liaison. Les différences héréditaires dans la liaison des agents environnementaux affecteront grandement la réponse toxique. Par exemple, les différences dans la souris cdm peut profondément affecter la sensibilité individuelle à la nécrose testiculaire induite par le cadmium (Taylor, Heiniger et Meier 1973). Les différences d'affinité de liaison du récepteur Ah affectent probablement la toxicité induite par la dioxine et le cancer (Nebert, Petersen et Puga 1991; Nebert, Puga et Vasiliou 1993).

La figure 5 résume le rôle du métabolisme et de la liaison dans la toxicité et le cancer. Les agents toxiques, tels qu'ils existent dans l'environnement ou après le métabolisme ou la liaison, déclenchent leurs effets soit par une voie génotoxique (dans laquelle des dommages à l'ADN se produisent) soit par une voie non génotoxique (dans laquelle les dommages à l'ADN et la mutagenèse ne doivent pas se produire). Fait intéressant, il est récemment devenu clair que les agents endommageant l'ADN "classiques" peuvent fonctionner via une voie de transduction de signal non génotoxique dépendante du glutathion réduit (GSH), qui est initiée sur ou près de la surface cellulaire en l'absence d'ADN et à l'extérieur du noyau cellulaire. (Devary et al. 1993). Les différences génétiques dans le métabolisme et la liaison restent cependant les principaux déterminants du contrôle des différentes réponses toxiques individuelles.

Figure 5. Moyens généraux par lesquels la toxicité se produit

Rôle de la fonction cellulaire de l'enzyme métabolisant les médicaments

La variation génétique de la fonction enzymatique métabolisant les médicaments est d'une importance majeure pour déterminer la réponse individuelle aux produits chimiques. Ces enzymes sont essentielles pour déterminer le devenir et l'évolution dans le temps d'un produit chimique étranger après exposition.

Comme l'illustre la figure 5, l'importance des enzymes métabolisant les médicaments dans la sensibilité individuelle à l'exposition chimique peut en fait présenter un problème beaucoup plus complexe que ce qui ressort de cette simple discussion du métabolisme des xénobiotiques. En d'autres termes, au cours des deux dernières décennies, les mécanismes génotoxiques (mesures des adduits à l'ADN et des adduits aux protéines) ont été fortement mis en avant. Cependant, que se passe-t-il si les mécanismes non génotoxiques sont au moins aussi importants que les mécanismes génotoxiques pour provoquer des réponses toxiques ?

Comme mentionné précédemment, les rôles physiologiques de nombreuses enzymes métabolisant les médicaments impliquées dans le métabolisme des xénobiotiques n'ont pas été définis avec précision. Nebert (1994) a proposé qu'en raison de leur présence sur cette planète depuis plus de 3.5 milliards d'années, les enzymes métabolisant les médicaments étaient à l'origine (et sont encore principalement) responsables de la régulation des niveaux cellulaires de nombreux ligands non peptidiques importants dans l'activation transcriptionnelle. de gènes affectant la croissance, la différenciation, l'apoptose, l'homéostasie et les fonctions neuroendocrines. De plus, la toxicité de la plupart, sinon de la totalité, des agents environnementaux se produit au moyen de Agoniste or antagoniste action sur ces voies de transduction du signal (Nebert 1994). Sur la base de cette hypothèse, la variabilité génétique des enzymes métabolisant les médicaments peut avoir des effets assez dramatiques sur de nombreux processus biochimiques critiques au sein de la cellule, entraînant ainsi des différences importantes dans la réponse toxique. Il est en effet possible qu'un tel scénario puisse également être à l'origine de nombreux effets indésirables idiosyncratiques rencontrés chez les patients utilisant des médicaments couramment prescrits.

Conclusions

La dernière décennie a vu des progrès remarquables dans notre compréhension de la base génétique de la réponse différentielle aux produits chimiques dans les médicaments, les aliments et les polluants environnementaux. Les enzymes métabolisant les médicaments ont une profonde influence sur la façon dont les humains réagissent aux produits chimiques. À mesure que notre connaissance de la multiplicité des enzymes métabolisant les médicaments continue d'évoluer, nous sommes de plus en plus en mesure d'améliorer les évaluations du risque toxique pour de nombreux médicaments et produits chimiques environnementaux. Ceci est peut-être le plus clairement illustré dans le cas de l'enzyme CYP2D6 du cytochrome P450. En utilisant des tests basés sur l'ADN relativement simples, il est possible de prédire la réponse probable de tout médicament principalement métabolisé par cette enzyme ; cette prédiction garantira une utilisation plus sûre de médicaments précieux, mais potentiellement toxiques.

L'avenir verra sans aucun doute une explosion dans l'identification d'autres polymorphismes (phénotypes) impliquant des enzymes métabolisant les médicaments. Ces informations seront accompagnées de tests ADN améliorés et peu invasifs pour identifier les génotypes dans les populations humaines.

De telles études devraient être particulièrement instructives pour évaluer le rôle des produits chimiques dans les nombreuses maladies environnementales d'origine actuellement inconnue. La prise en compte de multiples polymorphismes d'enzymes métabolisant les médicaments, en combinaison (par exemple, tableau 1), est également susceptible de représenter un domaine de recherche particulièrement fertile. De telles études permettront de clarifier le rôle des produits chimiques dans l'étiologie des cancers. Collectivement, ces informations devraient permettre de formuler des conseils de plus en plus individualisés sur l'évitement des produits chimiques susceptibles d'être une préoccupation individuelle. C'est le domaine de la toxicologie préventive. De tels conseils aideront sans aucun doute grandement tous les individus à faire face à la charge chimique toujours croissante à laquelle nous sommes exposés.

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La toxicologie mécaniste est l'étude de la façon dont les agents chimiques ou physiques interagissent avec les organismes vivants pour provoquer une toxicité. La connaissance du mécanisme de toxicité d'une substance améliore la capacité à prévenir la toxicité et à concevoir des produits chimiques plus souhaitables ; elle constitue la base de la thérapie en cas de surexposition et permet souvent une meilleure compréhension des processus biologiques fondamentaux. Aux fins de ce Encyclopédie l'accent sera mis sur les animaux pour prédire la toxicité humaine. Les différents domaines de la toxicologie comprennent la toxicologie mécaniste, descriptive, réglementaire, médico-légale et environnementale (Klaassen, Amdur et Doull 1991). Tous ces éléments bénéficient de la compréhension des mécanismes fondamentaux de la toxicité.

Pourquoi comprendre les mécanismes de toxicité ?

Comprendre le mécanisme par lequel une substance provoque une toxicité améliore différents domaines de la toxicologie de différentes manières. La compréhension mécaniste aide le régulateur gouvernemental à établir des limites de sécurité juridiquement contraignantes pour l'exposition humaine. Il aide les toxicologues à recommander des plans d'action concernant le nettoyage ou l'assainissement des sites contaminés et, avec les propriétés physiques et chimiques de la substance ou du mélange, peut être utilisé pour sélectionner le degré d'équipement de protection requis. Les connaissances mécanistes sont également utiles pour former la base de la thérapie et de la conception de nouveaux médicaments pour le traitement des maladies humaines. Pour le toxicologue médico-légal, le mécanisme de la toxicité donne souvent un aperçu de la façon dont un agent chimique ou physique peut causer la mort ou une incapacité.

Si le mécanisme de la toxicité est compris, la toxicologie descriptive devient utile pour prédire les effets toxiques des produits chimiques apparentés. Il est important de comprendre, cependant, qu'un manque d'informations mécanistes ne dissuade pas les professionnels de la santé de protéger la santé humaine. Des décisions prudentes basées sur des études animales et l'expérience humaine sont utilisées pour établir des niveaux d'exposition sûrs. Traditionnellement, une marge de sécurité était établie en utilisant le « niveau sans effet nocif » ou le « niveau le plus faible avec effet nocif » provenant d'études sur des animaux (en utilisant des modèles d'exposition répétée) et en divisant ce niveau par un facteur de 100 pour l'exposition professionnelle ou de 1,000 XNUMX pour l'exposition professionnelle. autre exposition environnementale humaine. Le succès de ce processus est évident d'après les quelques incidents d'effets néfastes sur la santé attribués à l'exposition chimique chez les travailleurs pour lesquels des limites d'exposition appropriées avaient été fixées et respectées dans le passé. De plus, la durée de vie humaine continue d'augmenter, tout comme la qualité de vie. Dans l'ensemble, l'utilisation des données de toxicité a conduit à un contrôle réglementaire et volontaire efficace. Une connaissance détaillée des mécanismes toxiques améliorera la prévisibilité des nouveaux modèles de risque en cours d'élaboration et se traduira par une amélioration continue.

La compréhension des mécanismes environnementaux est complexe et suppose une connaissance des perturbations et de l'homéostasie (équilibre) des écosystèmes. Bien que cela ne soit pas abordé dans cet article, une meilleure compréhension des mécanismes toxiques et de leurs conséquences ultimes dans un écosystème aiderait les scientifiques à prendre des décisions prudentes concernant la manipulation des déchets municipaux et industriels. La gestion des déchets est un domaine de recherche en plein essor et continuera d'être très importante à l'avenir.

Techniques d'étude des mécanismes de toxicité

La majorité des études mécanistes débutent par une étude toxicologique descriptive chez l'animal ou des observations cliniques chez l'homme. Idéalement, les études animales comprennent des observations comportementales et cliniques minutieuses, un examen biochimique minutieux des éléments du sang et de l'urine à la recherche de signes de fonctionnement indésirable des principaux systèmes biologiques de l'organisme, et une évaluation post-mortem de tous les systèmes d'organes par examen microscopique pour vérifier blessure (voir les directives d'essai de l'OCDE ; les directives de la CE sur l'évaluation des produits chimiques ; les règles d'essai de l'EPA des États-Unis ; la réglementation japonaise sur les produits chimiques). Ceci est analogue à un examen physique humain approfondi qui aurait lieu dans un hôpital sur une période de deux à trois jours, à l'exception de l'autopsie.

Comprendre les mécanismes de la toxicité est l'art et la science de l'observation, la créativité dans la sélection de techniques pour tester diverses hypothèses et l'intégration innovante des signes et des symptômes dans une relation causale. Les études mécanistes commencent par l'exposition, suivent la distribution temporelle et le devenir dans le corps (pharmacocinétique) et mesurent l'effet toxique résultant à un certain niveau du système et à un certain niveau de dose. Différentes substances peuvent agir à différents niveaux du système biologique en provoquant une toxicité.

Exposition

La voie d'exposition dans les études mécanistes est généralement la même que pour l'exposition humaine. La voie est importante parce qu'il peut y avoir des effets qui se produisent localement au site d'exposition en plus des effets systémiques après que le produit chimique a été absorbé dans le sang et distribué dans tout le corps. Un exemple simple mais convaincant d'un effet local serait l'irritation et la corrosion éventuelle de la peau suite à l'application de solutions acides ou alcalines fortes conçues pour nettoyer les surfaces dures. De même, une irritation et une mort cellulaire peuvent survenir dans les cellules tapissant le nez et/ou les poumons suite à une exposition à des vapeurs ou des gaz irritants tels que les oxydes d'azote ou l'ozone. (Les deux sont des constituants de la pollution de l'air, ou smog). Suite à l'absorption d'un produit chimique dans le sang par la peau, les poumons ou le tractus gastro-intestinal, la concentration dans tout organe ou tissu est contrôlée par de nombreux facteurs qui déterminent la pharmacocinétique du produit chimique dans le corps. Le corps a la capacité d'activer et de détoxifier divers produits chimiques, comme indiqué ci-dessous.

Rôle de la pharmacocinétique dans la toxicité

La pharmacocinétique décrit les relations temporelles pour l'absorption chimique, la distribution, le métabolisme (altérations biochimiques dans le corps) et l'élimination ou l'excrétion du corps. Par rapport aux mécanismes de toxicité, ces variables pharmacocinétiques peuvent être très importantes et, dans certains cas, déterminer si la toxicité se produira ou non. Par exemple, si un matériau n'est pas absorbé en quantité suffisante, la toxicité systémique (à l'intérieur du corps) ne se produira pas. À l'inverse, un produit chimique hautement réactif qui est détoxifié rapidement (en quelques secondes ou minutes) par des enzymes digestives ou hépatiques peut ne pas avoir le temps de provoquer une toxicité. Certaines substances et mélanges halogénés polycycliques ainsi que certains métaux comme le plomb n'entraîneraient pas de toxicité significative si l'excrétion était rapide; mais l'accumulation à des niveaux suffisamment élevés détermine leur toxicité puisque l'excrétion n'est pas rapide (parfois mesurée en années). Heureusement, la plupart des produits chimiques n'ont pas une rétention aussi longue dans le corps. L'accumulation d'un matériau inoffensif n'induirait toujours pas de toxicité. Le taux d'élimination du corps et de détoxication est souvent appelé la demi-vie du produit chimique, qui est le temps nécessaire pour que 50 % du produit chimique soit excrété ou transformé en une forme non toxique.

Cependant, si un produit chimique s'accumule dans une cellule ou un organe particulier, cela peut signaler une raison d'examiner plus avant sa toxicité potentielle dans cet organe. Plus récemment, des modèles mathématiques ont été développés pour extrapoler des variables pharmacocinétiques de l'animal à l'homme. Ces modèles pharmacocinétiques sont extrêmement utiles pour générer des hypothèses et tester si l'animal expérimental peut être une bonne représentation pour l'homme. De nombreux chapitres et textes ont été écrits sur ce sujet (Gehring et al. 1976 ; Reitz et al. 1987 ; Nolan et al. 1995). Un exemple simplifié d'un modèle physiologique est illustré à la figure 1.

Figure 1. Un modèle pharmacocinétique simplifié

Différents niveaux et systèmes peuvent être affectés négativement

La toxicité peut être décrite à différents niveaux biologiques. La lésion peut être évaluée sur l'ensemble de la personne (ou de l'animal), du système organique, de la cellule ou de la molécule. Les systèmes organiques comprennent les systèmes immunitaire, respiratoire, cardiovasculaire, rénal, endocrinien, digestif, musculo-squelettique, sanguin, reproducteur et nerveux central. Certains organes clés comprennent le foie, les reins, les poumons, le cerveau, la peau, les yeux, le cœur, les testicules ou les ovaires et d'autres organes majeurs. Au niveau cellulaire/biochimique, les effets indésirables comprennent l'interférence avec la fonction normale des protéines, la fonction des récepteurs endocriniens, l'inhibition de l'énergie métabolique ou l'inhibition ou l'induction d'enzymes xénobiotiques (substances étrangères). Les effets indésirables au niveau moléculaire comprennent l'altération de la fonction normale de la transcription ADN-ARN, de la liaison spécifique aux récepteurs cytoplasmiques et nucléaires, et des gènes ou des produits géniques. En fin de compte, le dysfonctionnement d'un système d'organe majeur est probablement causé par une altération moléculaire dans une cellule cible particulière au sein de cet organe. Cependant, il n'est pas toujours possible de retracer un mécanisme jusqu'à une origine moléculaire de causalité, et ce n'est pas non plus nécessaire. L'intervention et la thérapie peuvent être conçues sans une compréhension complète de la cible moléculaire. Cependant, la connaissance du mécanisme spécifique de la toxicité augmente la valeur prédictive et la précision de l'extrapolation à d'autres produits chimiques. La figure 2 est une représentation schématique des différents niveaux où l'interférence des processus physiologiques normaux peut être détectée. Les flèches indiquent que les conséquences pour un individu peuvent être déterminées de haut en bas (exposition, pharmacocinétique à la toxicité du système/organe) ou de bas en haut (modification moléculaire, effet cellulaire/biochimique à la toxicité du système/organe).

Figure 2. Représentation des mécanismes de toxicité

Exemples de mécanismes de toxicité

Les mécanismes de toxicité peuvent être simples ou très complexes. Souvent, il existe une différence entre le type de toxicité, le mécanisme de toxicité et le niveau d'effet, selon que les effets indésirables sont dus à une seule dose aiguë élevée (comme un empoisonnement accidentel) ou à une dose plus faible. exposition répétée (due à une exposition professionnelle ou environnementale). Classiquement, à des fins de test, une dose élevée unique aiguë est administrée par intubation directe dans l'estomac d'un rongeur ou par exposition à une atmosphère de gaz ou de vapeur pendant deux à quatre heures, selon ce qui ressemble le mieux à l'exposition humaine. Les animaux sont observés pendant une période de deux semaines après l'exposition, puis les principaux organes externes et internes sont examinés pour détecter les blessures. Les tests à doses répétées varient de quelques mois à plusieurs années. Pour les espèces de rongeurs, deux ans sont considérés comme une étude chronique (durée de vie) suffisante pour évaluer la toxicité et la cancérogénicité, tandis que pour les primates non humains, deux ans seraient considérés comme une étude subchronique (moins que la durée de vie) pour évaluer la toxicité à doses répétées. Après l'exposition, un examen complet de tous les tissus, organes et fluides est effectué pour déterminer tout effet indésirable.

Mécanismes de toxicité aiguë

Les exemples suivants sont spécifiques aux effets aigus à forte dose pouvant entraîner la mort ou une incapacité grave. Cependant, dans certains cas, l'intervention entraînera des effets transitoires et entièrement réversibles. La dose ou la gravité de l'exposition déterminera le résultat.

Asphyxiants simples. Le mécanisme de toxicité des gaz inertes et de certaines autres substances non réactives est le manque d'oxygène (anoxie). Ces produits chimiques, qui causent une privation d'oxygène au système nerveux central (SNC), sont appelés asphyxiants simples. Si une personne pénètre dans un espace clos contenant de l'azote sans suffisamment d'oxygène, un appauvrissement immédiat en oxygène se produit dans le cerveau et entraîne une perte de conscience et éventuellement la mort si la personne n'est pas rapidement évacuée. Dans les cas extrêmes (proche de zéro oxygène), l'inconscience peut survenir en quelques secondes. Le sauvetage dépend d'un déplacement rapide vers un environnement oxygéné. La survie avec des lésions cérébrales irréversibles peut survenir à la suite d'un sauvetage retardé, en raison de la mort des neurones, qui ne peuvent pas se régénérer.

Asphyxiants chimiques. Le monoxyde de carbone (CO) entre en compétition avec l'oxygène pour se lier à l'hémoglobine (dans les globules rouges) et prive donc les tissus d'oxygène pour le métabolisme énergétique ; la mort cellulaire peut en résulter. L'intervention comprend l'élimination de la source de CO et le traitement à l'oxygène. L'utilisation directe de l'oxygène est basée sur l'action toxique du CO. Un autre asphyxiant chimique puissant est le cyanure. L'ion cyanure interfère avec le métabolisme cellulaire et l'utilisation de l'oxygène pour l'énergie. Le traitement au nitrite de sodium provoque une modification de l'hémoglobine des globules rouges en méthémoglobine. La méthémoglobine a une plus grande affinité de liaison avec l'ion cyanure que la cible cellulaire du cyanure. Par conséquent, la méthémoglobine lie le cyanure et éloigne le cyanure des cellules cibles. Cela constitue la base du traitement antidote.

Dépresseurs du système nerveux central (SNC). La toxicité aiguë est caractérisée par la sédation ou l'inconscience pour un certain nombre de matériaux comme les solvants qui ne sont pas réactifs ou qui sont transformés en intermédiaires réactifs. On suppose que la sédation/anesthésie est due à une interaction du solvant avec les membranes des cellules du SNC, ce qui altère leur capacité à transmettre des signaux électriques et chimiques. Alors que la sédation peut sembler une forme légère de toxicité et a été à la base du développement des premiers anesthésiques, « la dose fait toujours le poison ». Si une dose suffisante est administrée par ingestion ou inhalation, l'animal peut mourir par arrêt respiratoire. Si la mort anesthésique ne se produit pas, ce type de toxicité est généralement facilement réversible lorsque le sujet est retiré de l'environnement ou que le produit chimique est redistribué ou éliminé du corps.

Effets sur la peau. Les effets indésirables sur la peau peuvent aller de l'irritation à la corrosion, selon la substance rencontrée. Les acides forts et les solutions alcalines sont incompatibles avec les tissus vivants et sont corrosifs, provoquant des brûlures chimiques et d'éventuelles cicatrices. La cicatrisation est due à la mort des cellules cutanées profondes du derme responsables de la régénération. Des concentrations plus faibles peuvent simplement provoquer une irritation de la première couche de peau.

Un autre mécanisme toxique spécifique de la peau est celui de la sensibilisation chimique. Par exemple, la sensibilisation se produit lorsque le 2,4-dinitrochlorobenzène se lie aux protéines naturelles de la peau et que le système immunitaire reconnaît le complexe lié aux protéines altérées comme un corps étranger. En réagissant à ce corps étranger, le système immunitaire active des cellules spéciales pour éliminer le corps étranger en libérant des médiateurs (cytokines) qui provoquent une éruption cutanée ou une dermatite (voir « Immunotoxicologie »). C'est la même réaction du système immunitaire lorsque l'exposition à l'herbe à puce se produit. La sensibilisation immunitaire est très spécifique au produit chimique particulier et nécessite au moins deux expositions avant qu'une réponse ne soit déclenchée. La première exposition sensibilise (prépare les cellules à reconnaître le produit chimique) et les expositions suivantes déclenchent la réponse du système immunitaire. Le retrait du contact et le traitement symptomatique avec des crèmes anti-inflammatoires contenant des stéroïdes sont généralement efficaces pour traiter les personnes sensibilisées. Dans les cas graves ou réfractaires, un immunosuppresseur à action systémique comme la prednisone est utilisé en conjonction avec un traitement topique.

Sensibilisation pulmonaire. Une réponse de sensibilisation immunitaire est provoquée par le diisocyanate de toluène (TDI), mais le site cible est les poumons. La surexposition au TDI chez les personnes sensibles provoque un œdème pulmonaire (accumulation de liquide), une constriction bronchique et une altération de la respiration. Il s'agit d'une affection grave qui nécessite de soustraire l'individu à des expositions ultérieures potentielles. Le traitement est avant tout symptomatique. La sensibilisation de la peau et des poumons suit une dose-réponse. Le dépassement du niveau fixé pour l'exposition professionnelle peut entraîner des effets indésirables.

Effets sur les yeux. Les lésions oculaires vont du rougissement de la couche externe (rougeur de la piscine) à la formation de cataracte de la cornée jusqu'aux lésions de l'iris (partie colorée de l'œil). Des tests d'irritation oculaire sont effectués lorsqu'on pense qu'aucune blessure grave ne se produira. De nombreux mécanismes à l'origine de la corrosion cutanée peuvent également provoquer des lésions oculaires. Les matériaux corrosifs pour la peau, comme les acides forts (pH inférieur à 2) et les alcalis (pH supérieur à 11.5), ne sont pas testés dans les yeux des animaux car la plupart provoqueront la corrosion et la cécité en raison d'un mécanisme similaire à celui qui provoque la corrosion cutanée . De plus, les agents tensioactifs tels que les détergents et les tensioactifs peuvent provoquer des lésions oculaires allant de l'irritation à la corrosion. Un groupe de matériaux qui nécessite de la prudence est celui des tensioactifs chargés positivement (cationiques), qui peuvent provoquer des brûlures, une opacité permanente de la cornée et une vascularisation (formation de vaisseaux sanguins). Un autre produit chimique, le dinitrophénol, a un effet spécifique de formation de cataracte. Cela semble être lié à la concentration de ce produit chimique dans l'œil, qui est un exemple de spécificité de distribution pharmacocinétique.

Bien que la liste ci-dessus soit loin d'être exhaustive, elle est conçue pour donner au lecteur une appréciation des divers mécanismes de toxicité aiguë.

Mécanismes de toxicité subchronique et chronique

Lorsqu'ils sont administrés en une seule dose élevée, certains produits chimiques n'ont pas le même mécanisme de toxicité que lorsqu'ils sont administrés à plusieurs reprises à une dose plus faible mais toujours toxique. Lorsqu'une seule dose élevée est administrée, il y a toujours la possibilité de dépasser la capacité de la personne à détoxifier ou à excréter le produit chimique, ce qui peut entraîner une réponse toxique différente de celle obtenue lorsque des doses répétitives plus faibles sont administrées. L'alcool est un bon exemple. De fortes doses d'alcool entraînent des effets primaires sur le système nerveux central, tandis que des doses répétées plus faibles entraînent des lésions hépatiques.

Inhibition de l'anticholinestérase. La plupart des pesticides organophosphorés, par exemple, ont peu de toxicité pour les mammifères jusqu'à ce qu'ils soient activés métaboliquement, principalement dans le foie. Le principal mécanisme d'action des organophosphorés est l'inhibition de l'acétylcholinestérase (AChE) dans le cerveau et le système nerveux périphérique. L'AChE est l'enzyme normale qui termine la stimulation du neurotransmetteur acétylcholine. Une légère inhibition de l'AChE sur une période prolongée n'a pas été associée à des effets indésirables. À des niveaux d'exposition élevés, l'incapacité à mettre fin à cette stimulation neuronale entraîne une surstimulation du système nerveux cholinergique. La surstimulation cholinergique entraîne finalement une foule de symptômes, y compris un arrêt respiratoire, suivi de la mort si elle n'est pas traitée. Le traitement principal est l'administration d'atropine, qui bloque les effets de l'acétylcholine, et l'administration de chlorure de pralidoxime, qui réactive l'AChE inhibée. Par conséquent, la cause et le traitement de la toxicité des organophosphates sont abordés en comprenant la base biochimique de la toxicité.

Activation métabolique. De nombreux produits chimiques, y compris le tétrachlorure de carbone, le chloroforme, l'acétylaminofluorène, les nitrosamines et le paraquat sont métaboliquement activés en radicaux libres ou autres intermédiaires réactifs qui inhibent et interfèrent avec la fonction cellulaire normale. À des niveaux d'exposition élevés, cela entraîne la mort cellulaire (voir « Lésion cellulaire et mort cellulaire »). Alors que les interactions spécifiques et les cibles cellulaires restent inconnues, les systèmes d'organes qui ont la capacité d'activer ces produits chimiques, comme le foie, les reins et les poumons, sont tous des cibles potentielles de blessures. En effet, des cellules particulières au sein d'un organe ont une capacité plus ou moins grande à activer ou détoxifier ces intermédiaires, et cette capacité détermine la susceptibilité intracellulaire au sein d'un organe. Le métabolisme est l'une des raisons pour lesquelles une compréhension de la pharmacocinétique, qui décrit ces types de transformations ainsi que la distribution et l'élimination de ces intermédiaires, est importante pour reconnaître le mécanisme d'action de ces produits chimiques.

Mécanismes du cancer. Le cancer est une multiplicité de maladies, et bien que la compréhension de certains types de cancer s'améliore rapidement grâce aux nombreuses techniques de biologie moléculaire qui ont été développées depuis 1980, il reste encore beaucoup à apprendre. Cependant, il est clair que le développement du cancer est un processus en plusieurs étapes et que les gènes critiques sont essentiels à différents types de cancer. Des altérations de l'ADN (mutations somatiques) d'un certain nombre de ces gènes critiques peuvent entraîner une susceptibilité accrue ou des lésions cancéreuses (voir « Toxicologie génétique »). L'exposition à des produits chimiques naturels (dans les aliments cuits comme le bœuf et le poisson) ou à des produits chimiques synthétiques (comme la benzidine, utilisée comme colorant) ou à des agents physiques (lumière ultraviolette du soleil, radon du sol, rayonnement gamma provenant de procédures médicales ou d'activités industrielles) sont tous contributeurs aux mutations génétiques somatiques. Cependant, il existe des substances naturelles et synthétiques (comme les antioxydants) et des processus de réparation de l'ADN qui protègent et maintiennent l'homéostasie. Il est clair que la génétique est un facteur important dans le cancer, puisque les syndromes de maladies génétiques telles que le xeroderma pigmentosum, où il y a un manque de réparation normale de l'ADN, augmentent considérablement la susceptibilité au cancer de la peau due à l'exposition à la lumière ultraviolette du soleil.

Mécanismes de reproduction. Comme dans le cas du cancer, de nombreux mécanismes de toxicité pour la reproduction et/ou le développement sont connus, mais il reste encore beaucoup à apprendre. On sait que certains virus (comme la rubéole), des infections bactériennes et des médicaments (comme la thalidomide et la vitamine A) nuiront au développement. Récemment, les travaux de Khera (1991), examinés par Carney (1994), montrent de bonnes preuves que les effets anormaux sur le développement dans les tests sur les animaux avec l'éthylène glycol sont attribuables aux métabolites acides métaboliques maternels. Cela se produit lorsque l'éthylène glycol est métabolisé en métabolites acides, notamment l'acide glycolique et l'acide oxalique. Les effets ultérieurs sur le placenta et le fœtus semblent être dus à ce processus de toxicité métabolique.

Conclusion

Le but de cet article est de donner une perspective sur plusieurs mécanismes connus de toxicité et la nécessité d'études futures. Il est important de comprendre que les connaissances mécanistes ne sont pas absolument nécessaires pour protéger la santé humaine ou environnementale. Cette connaissance améliorera la capacité du professionnel à mieux prévoir et gérer la toxicité. Les techniques réelles utilisées pour élucider un mécanisme particulier dépendent des connaissances collectives des scientifiques et de la pensée de ceux qui prennent les décisions concernant la santé humaine.

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