Le mot biomarqueur est l'abréviation de marqueur biologique, un terme qui fait référence à un événement mesurable se produisant dans un système biologique, tel que le corps humain. Cet événement est alors interprété comme le reflet, ou le marqueur, d'un état plus général de l'organisme ou de l'espérance de vie. En santé au travail, un biomarqueur est généralement utilisé comme indicateur de l'état de santé ou du risque de maladie.

Les biomarqueurs sont utilisés pour des études in vitro et in vivo qui peuvent inclure des humains. Habituellement, trois types spécifiques de marqueurs biologiques sont identifiés. Bien que quelques biomarqueurs puissent être difficiles à classer, ils sont généralement séparés en biomarqueurs d'exposition, biomarqueurs d'effet ou biomarqueurs de sensibilité (voir tableau 1).

Tableau 1. Exemples de biomarqueurs d'exposition ou biomarqueurs d'effet utilisés dans les études toxicologiques en santé au travail

Avec un degré de validité acceptable, les biomarqueurs peuvent être utilisés à plusieurs fins. Sur une base individuelle, un biomarqueur peut être utilisé pour étayer ou réfuter un diagnostic d'un type particulier d'empoisonnement ou d'un autre effet indésirable d'origine chimique. Chez un sujet sain, un biomarqueur peut également refléter l'hypersensibilité individuelle à des expositions chimiques spécifiques et peut donc servir de base pour la prédiction des risques et le conseil. Dans les groupes de travailleurs exposés, certains biomarqueurs d'exposition peuvent être appliqués pour évaluer le degré de conformité aux réglementations antipollution ou l'efficacité des efforts de prévention en général.

Biomarqueurs d'exposition

Un biomarqueur d'exposition peut être un composé exogène (ou un métabolite) dans le corps, un produit interactif entre le composé (ou le métabolite) et un composant endogène, ou un autre événement lié à l'exposition. Le plus souvent, les biomarqueurs des expositions à des composés stables, tels que les métaux, comprennent des mesures des concentrations de métaux dans des échantillons appropriés, tels que le sang, le sérum ou l'urine. Avec les produits chimiques volatils, leur concentration dans l'air expiré (après inhalation d'air non contaminé) peut être évaluée. Si le composé est métabolisé dans l'organisme, un ou plusieurs métabolites peuvent être choisis comme biomarqueur de l'exposition ; les métabolites sont souvent déterminés dans des échantillons d'urine.

Les méthodes modernes d'analyse peuvent permettre la séparation d'isomères ou de congénères de composés organiques et la détermination de la spéciation de composés métalliques ou des rapports isotopiques de certains éléments. Des analyses sophistiquées permettent de déterminer les changements dans la structure de l'ADN ou d'autres macromolécules provoqués par la liaison avec des produits chimiques réactifs. Ces techniques avancées gagneront sans aucun doute considérablement en importance pour les applications dans les études de biomarqueurs, et des limites de détection plus basses et une meilleure validité analytique rendront probablement ces biomarqueurs encore plus utiles.

Des développements particulièrement prometteurs ont eu lieu avec des biomarqueurs d'exposition à des produits chimiques mutagènes. Ces composés sont réactifs et peuvent former des adduits avec des macromolécules, telles que des protéines ou de l'ADN. Des adduits d'ADN peuvent être détectés dans les globules blancs ou des biopsies tissulaires, et des fragments d'ADN spécifiques peuvent être excrétés dans l'urine. Par exemple, l'exposition à l'oxyde d'éthylène entraîne des réactions avec les bases de l'ADN et, après excision de la base endommagée, la N-7-(2-hydroxyéthyl)guanine sera éliminée dans les urines. Certains adduits peuvent ne pas se référer directement à une exposition particulière. Par exemple, la 8-hydroxy-2´-désoxyguanosine reflète les dommages oxydatifs de l'ADN, et cette réaction peut être déclenchée par plusieurs composés chimiques, dont la plupart induisent également une peroxydation lipidique.

D'autres macromolécules peuvent également être modifiées par formation d'adduits ou oxydation. D'un intérêt particulier, de tels composés réactifs peuvent générer des adduits d'hémoglobine qui peuvent être déterminés en tant que biomarqueurs d'exposition aux composés. L'avantage est que de grandes quantités d'hémoglobine peuvent être obtenues à partir d'un échantillon de sang et, étant donné la durée de vie de quatre mois des globules rouges, les adduits formés avec les acides aminés de la protéine indiqueront l'exposition totale pendant cette période.

Les adduits peuvent être déterminés par des techniques sensibles telles que la chromatographie lipidique à haute performance, et certaines méthodes immunologiques sont également disponibles. En général, les méthodes analytiques sont nouvelles, coûteuses et nécessitent un développement et une validation supplémentaires. Une meilleure sensibilité peut être obtenue en utilisant le ³²Test de post-marquage P, qui est une indication non spécifique que des dommages à l'ADN ont eu lieu. Toutes ces techniques sont potentiellement utiles pour la surveillance biologique et ont été appliquées dans un nombre croissant d'études. Cependant, des méthodes analytiques plus simples et plus sensibles sont nécessaires. Compte tenu de la spécificité limitée de certaines méthodes à de faibles niveaux d'exposition, le tabagisme ou d'autres facteurs peuvent avoir un impact significatif sur les résultats de mesure, entraînant ainsi des difficultés d'interprétation.

L'exposition à des composés mutagènes ou à des composés qui sont métabolisés en mutagènes peut également être déterminée en évaluant la mutagénicité de l'urine d'un individu exposé. L'échantillon d'urine est incubé avec une souche de bactéries dans laquelle une mutation ponctuelle spécifique est exprimée d'une manière qui peut être facilement mesurée. Si des produits chimiques mutagènes sont présents dans l'échantillon d'urine, un taux accru de mutations se produira dans les bactéries.

Les biomarqueurs d'exposition doivent être évalués au regard de la variation temporelle de l'exposition et de la relation aux différents compartiments. Ainsi, la ou les périodes de temps représentées par le biomarqueur, c'est-à-dire la mesure dans laquelle la mesure du biomarqueur reflète l'exposition ou les expositions passées et/ou la charge corporelle accumulée, doivent être déterminées à partir des données toxicocinétiques afin d'interpréter le résultat. En particulier, le degré auquel le biomarqueur indique une rétention dans des organes cibles spécifiques doit être pris en compte. Bien que les échantillons de sang soient souvent utilisés pour les études de biomarqueurs, le sang périphérique n'est généralement pas considéré comme un compartiment en tant que tel, bien qu'il agisse comme un milieu de transport entre les compartiments. La mesure dans laquelle la concentration dans le sang reflète les niveaux dans différents organes varie considérablement entre les différents produits chimiques et dépend généralement aussi de la durée de l'exposition ainsi que du temps écoulé depuis l'exposition.

Parfois, ce type de preuve est utilisé pour classer un biomarqueur comme un indicateur de dose absorbée (totale) ou un indicateur de dose efficace (c'est-à-dire la quantité qui a atteint le tissu cible). Par exemple, l'exposition à un solvant particulier peut être évaluée à partir de données sur la concentration réelle du solvant dans le sang à un moment particulier après l'exposition. Cette mesure reflétera la quantité de solvant qui a été absorbée par le corps. Une partie de la quantité absorbée sera expirée en raison de la pression de vapeur du solvant. En circulant dans le sang, le solvant interagira avec divers composants du corps et finira par être dégradé par les enzymes. Le résultat des processus métaboliques peut être évalué en déterminant des acides mercapturiques spécifiques produits par conjugaison avec le glutathion. L'excrétion cumulée des acides mercapturiques peut mieux refléter la dose efficace que la concentration sanguine.

Les événements de la vie, tels que la reproduction et la sénescence, peuvent affecter la distribution d'un produit chimique. La distribution des produits chimiques dans le corps est considérablement affectée par la grossesse, et de nombreux produits chimiques peuvent traverser la barrière placentaire, provoquant ainsi une exposition du fœtus. La lactation peut entraîner l'excrétion de produits chimiques liposolubles, entraînant ainsi une diminution de la rétention chez la mère ainsi qu'une augmentation de l'absorption par le nourrisson. Pendant la perte de poids ou le développement de l'ostéoporose, des produits chimiques stockés peuvent être libérés, ce qui peut alors entraîner une exposition «endogène» renouvelée et prolongée des organes cibles. D'autres facteurs peuvent affecter l'absorption individuelle, le métabolisme, la rétention et la distribution des composés chimiques, et certains biomarqueurs de sensibilité sont disponibles (voir ci-dessous).

Biomarqueurs d'effet

Un marqueur d'effet peut être un composant endogène, ou une mesure de la capacité fonctionnelle, ou un autre indicateur de l'état ou de l'équilibre du corps ou du système organique, tel qu'affecté par l'exposition. De tels marqueurs d'effets sont généralement des indicateurs précliniques d'anomalies.

Ces biomarqueurs peuvent être spécifiques ou non spécifiques. Les biomarqueurs spécifiques sont utiles car ils indiquent un effet biologique d'une exposition particulière, fournissant ainsi des preuves qui peuvent potentiellement être utilisées à des fins préventives. Les biomarqueurs non spécifiques n'indiquent pas une cause individuelle de l'effet, mais ils peuvent refléter l'effet total intégré dû à une exposition mixte. Les deux types de biomarqueurs peuvent donc être d'une utilité considérable en santé au travail.

Il n'y a pas de distinction claire entre les biomarqueurs d'exposition et les biomarqueurs d'effet. Par exemple, on pourrait dire que la formation d'adduits reflète un effet plutôt que l'exposition. Cependant, les biomarqueurs d'effet indiquent généralement des changements dans les fonctions des cellules, des tissus ou de l'ensemble du corps. Certains chercheurs incluent des changements brutaux, tels qu'une augmentation du poids du foie des animaux de laboratoire exposés ou une diminution de la croissance chez les enfants, comme biomarqueurs d'effet. Aux fins de la santé au travail, les biomarqueurs d'effets devraient être limités à ceux qui indiquent des modifications biochimiques subcliniques ou réversibles, telles que l'inhibition des enzymes. Le biomarqueur d'effet le plus fréquemment utilisé est probablement l'inhibition de la cholinestérase causée par certains insecticides, c'est-à-dire les organophosphorés et les carbamates. Dans la plupart des cas, cet effet est entièrement réversible et l'inhibition enzymatique reflète l'exposition totale à ce groupe particulier d'insecticides.

Certaines expositions n'entraînent pas d'inhibition enzymatique mais plutôt une activité accrue d'une enzyme. C'est le cas de plusieurs enzymes appartenant à la famille P450 (voir « Déterminants génétiques de la réponse toxique »). Ils peuvent être induits par des expositions à certains solvants et hydrocarbures polyaromatiques (HAP). Étant donné que ces enzymes sont principalement exprimées dans les tissus à partir desquels une biopsie peut être difficile à obtenir, l'activité enzymatique est déterminée indirectement in vivo en administrant un composé qui est métabolisé par cette enzyme particulière, puis le produit de dégradation est mesuré dans l'urine ou le plasma.

D'autres expositions peuvent induire la synthèse d'une protéine protectrice dans l'organisme. Le meilleur exemple est probablement la métallothionéine, qui lie le cadmium et favorise l'excrétion de ce métal ; l'exposition au cadmium est l'un des facteurs qui entraînent une expression accrue du gène de la métallothionéine. Des protéines protectrices similaires peuvent exister mais n'ont pas encore été suffisamment explorées pour être acceptées comme biomarqueurs. Parmi les candidats à une utilisation possible en tant que biomarqueurs figurent les protéines dites de stress, appelées à l'origine protéines de choc thermique. Ces protéines sont générées par une gamme d'organismes différents en réponse à une variété d'expositions nocives.

Les dommages oxydatifs peuvent être évalués en déterminant la concentration de malondialdéhyde dans le sérum ou l'exhalation d'éthane. De même, l'excrétion urinaire de protéines de faible poids moléculaire, comme l'albumine, peut être utilisée comme biomarqueur d'une atteinte rénale précoce. Plusieurs paramètres couramment utilisés en pratique clinique (par exemple, les taux sériques d'hormones ou d'enzymes) peuvent également être utiles en tant que biomarqueurs. Cependant, bon nombre de ces paramètres peuvent ne pas être suffisamment sensibles pour détecter une déficience précoce.

Un autre groupe de paramètres d'effet concerne les effets génotoxiques (modifications de la structure des chromosomes). De tels effets peuvent être détectés par microscopie des globules blancs qui subissent une division cellulaire. De graves dommages aux chromosomes - aberrations chromosomiques ou formation de micronoyaux - peuvent être observés au microscope. Les dommages peuvent également être révélés en ajoutant un colorant aux cellules lors de la division cellulaire. L'exposition à un agent génotoxique peut alors être visualisée comme un échange accru du colorant entre les deux chromatides de chaque chromosome (échange de chromatides sœurs). Les aberrations chromosomiques sont liées à un risque accru de développer un cancer, mais la signification d'un taux accru d'échange de chromatides sœurs est moins claire.

Une évaluation plus sophistiquée de la génotoxicité est basée sur des mutations ponctuelles particulières dans les cellules somatiques, c'est-à-dire les globules blancs ou les cellules épithéliales obtenues à partir de la muqueuse buccale. Une mutation à un locus spécifique peut rendre les cellules capables de se développer dans une culture contenant un produit chimique autrement toxique (comme la 6-thioguanine). En variante, un produit génique spécifique peut être évalué (par exemple, des concentrations sériques ou tissulaires d'oncoprotéines codées par des oncogènes particuliers). De toute évidence, ces mutations reflètent le total des dommages génotoxiques subis et n'indiquent pas nécessairement quoi que ce soit sur l'exposition causale. Ces méthodes ne sont pas encore prêtes pour une utilisation pratique en médecine du travail, mais des progrès rapides dans cette ligne de recherche suggèrent que de telles méthodes deviendront disponibles d'ici quelques années.

Biomarqueurs de susceptibilité

Un marqueur de susceptibilité, qu'il soit héréditaire ou induit, est un indicateur que l'individu est particulièrement sensible à l'effet d'un xénobiotique ou aux effets d'un groupe de tels composés. La plus grande attention a été portée sur la susceptibilité génétique, bien que d'autres facteurs puissent être au moins aussi importants. L'hypersensibilité peut être due à un trait héréditaire, à la constitution de l'individu ou à des facteurs environnementaux.

La capacité à métaboliser certains produits chimiques est variable et déterminée génétiquement (voir « Déterminants génétiques de la réponse toxique »). Plusieurs enzymes pertinentes semblent être contrôlées par un seul gène. Par exemple, l'oxydation de produits chimiques étrangers est principalement réalisée par une famille d'enzymes appartenant à la famille P450. D'autres enzymes rendent les métabolites plus solubles dans l'eau par conjugaison (par exemple, N-acétyltransférase et μ-glutathion-S-transférase). L'activité de ces enzymes est contrôlée génétiquement et varie considérablement. Comme mentionné ci-dessus, l'activité peut être déterminée en administrant une petite dose d'un médicament, puis en déterminant la quantité du métabolite dans l'urine. Certains des gènes ont maintenant été caractérisés et des techniques sont disponibles pour déterminer le génotype. Des études importantes suggèrent qu'un risque de développer certaines formes de cancer est lié à la capacité de métaboliser des composés étrangers. De nombreuses questions restent encore en suspens, ce qui limite à ce jour l'utilisation de ces potentiels biomarqueurs de susceptibilité en santé au travail.

D'autres traits hérités, tels que l'alpha₁-le déficit en antitrypsine ou déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase, entraînent également des mécanismes de défense déficients dans l'organisme, provoquant ainsi une hypersensibilité à certaines expositions.

La plupart des recherches liées à la susceptibilité ont porté sur la prédisposition génétique. D'autres facteurs jouent également un rôle et ont été en partie négligés. Par exemple, les personnes atteintes d'une maladie chronique peuvent être plus sensibles à une exposition professionnelle. De plus, si un processus pathologique ou une exposition antérieure à des produits chimiques toxiques a causé des dommages subcliniques aux organes, la capacité de résister à une nouvelle exposition toxique est susceptible d'être moindre. Des indicateurs biochimiques du fonctionnement des organes peuvent dans ce cas être utilisés comme biomarqueurs de susceptibilité. Le meilleur exemple concernant l'hypersensibilité concerne peut-être les réactions allergiques. Si un individu est devenu sensibilisé à une exposition particulière, des anticorps spécifiques peuvent être détectés dans le sérum. Même si l'individu n'a pas été sensibilisé, d'autres expositions actuelles ou passées peuvent augmenter le risque de développer un effet indésirable lié à une exposition professionnelle.

Un problème majeur est de déterminer l'effet conjoint des expositions mixtes au travail. De plus, les habitudes personnelles et la consommation de drogues peuvent entraîner une sensibilité accrue. Par exemple, la fumée de tabac contient généralement une quantité considérable de cadmium. Ainsi, avec une exposition professionnelle au cadmium, un gros fumeur qui a accumulé des quantités substantielles de ce métal dans le corps sera plus à risque de développer une maladie rénale liée au cadmium.

Application en santé au travail

Les biomarqueurs sont extrêmement utiles dans la recherche toxicologique et nombre d'entre eux peuvent s'appliquer à la surveillance biologique. Néanmoins, les limites doivent également être reconnues. De nombreux biomarqueurs n'ont jusqu'à présent été étudiés que sur des animaux de laboratoire. Les schémas toxicocinétiques chez d'autres espèces ne reflètent pas nécessairement la situation chez les êtres humains, et l'extrapolation peut nécessiter des études de confirmation chez des volontaires humains. Il faut également tenir compte des variations individuelles dues à des facteurs génétiques ou constitutionnels.

Dans certains cas, les biomarqueurs d'exposition peuvent ne pas être réalisables du tout (par exemple, pour les produits chimiques à courte durée de vie in vivo). D'autres produits chimiques peuvent être stockés dans des organes auxquels il n'est pas possible d'accéder par des procédures de routine, tels que le système nerveux, ou les affecter. La voie d'exposition peut également affecter le schéma de distribution et donc également la mesure du biomarqueur et son interprétation. Par exemple, une exposition directe du cerveau via le nerf olfactif est susceptible d'échapper à la détection par la mesure des biomarqueurs d'exposition. Quant aux biomarqueurs d'effet, beaucoup d'entre eux ne sont pas du tout spécifiques et le changement peut être dû à diverses causes, y compris des facteurs liés au mode de vie. Peut-être en particulier avec les biomarqueurs de sensibilité, l'interprétation doit être très prudente pour le moment, car de nombreuses incertitudes subsistent quant à l'importance globale pour la santé des génotypes individuels.

En santé au travail, le biomarqueur idéal doit répondre à plusieurs exigences. Tout d'abord, le prélèvement et l'analyse des échantillons doivent être simples et fiables. Pour une qualité analytique optimale, une normalisation est nécessaire, mais les exigences spécifiques varient considérablement. Les principaux domaines de préoccupation comprennent : la préparation de l'individu, la procédure d'échantillonnage et la manipulation des échantillons, et la procédure de mesure ; ce dernier englobe des facteurs techniques, tels que les procédures d'étalonnage et d'assurance qualité, et des facteurs liés à l'individu, tels que l'éducation et la formation des opérateurs.

Pour la documentation de la validité analytique et de la traçabilité, les matériaux de référence doivent être basés sur des matrices pertinentes et avec des concentrations appropriées de substances toxiques ou de métabolites pertinents à des niveaux appropriés. Pour que les biomarqueurs soient utilisés pour la surveillance biologique ou à des fins de diagnostic, les laboratoires responsables doivent disposer de procédures analytiques bien documentées avec des caractéristiques de performance définies et des enregistrements accessibles pour permettre la vérification des résultats. Dans le même temps, néanmoins, les aspects économiques de la caractérisation et de l'utilisation de matériaux de référence pour compléter les procédures d'assurance qualité en général doivent être pris en compte. Ainsi, la qualité réalisable des résultats et les utilisations qui en sont faites doivent être mises en balance avec les coûts supplémentaires de l'assurance qualité, y compris les matériaux de référence, la main-d'œuvre et l'instrumentation.

Une autre exigence est que le biomarqueur doit être spécifique, au moins dans les circonstances de l'étude, pour un type particulier d'exposition, avec une relation claire avec le degré d'exposition. Sinon, le résultat de la mesure du biomarqueur peut être trop difficile à interpréter. Pour une interprétation correcte du résultat de mesure d'un biomarqueur d'exposition, la validité diagnostique doit être connue (c'est-à-dire la traduction de la valeur du biomarqueur en ampleur des risques possibles pour la santé). Dans ce domaine, les métaux servent de paradigme pour la recherche de biomarqueurs. Des recherches récentes ont démontré la complexité et la subtilité des relations dose-réponse, avec des difficultés considérables pour identifier les niveaux sans effet et donc aussi pour définir les expositions tolérables. Cependant, ce type de recherche a également illustré les types d'enquête et le raffinement qui sont nécessaires pour découvrir les informations pertinentes. Pour la plupart des composés organiques, les associations quantitatives entre les expositions et les effets nocifs correspondants sur la santé ne sont pas encore disponibles ; dans de nombreux cas, même les principaux organes cibles ne sont pas connus avec certitude. De plus, l'évaluation des données de toxicité et des concentrations de biomarqueurs est souvent compliquée par l'exposition à des mélanges de substances, plutôt que par l'exposition à un seul composé à la fois.

Avant que le biomarqueur ne soit appliqué à des fins de santé au travail, certaines considérations supplémentaires sont nécessaires. Premièrement, le biomarqueur doit refléter uniquement un changement subclinique et réversible. Deuxièmement, étant donné que les résultats des biomarqueurs peuvent être interprétés en fonction des risques pour la santé, des efforts de prévention doivent être disponibles et doivent être considérés comme réalistes au cas où les données des biomarqueurs suggèrent la nécessité de réduire l'exposition. Troisièmement, l'utilisation pratique du biomarqueur doit être généralement considérée comme éthiquement acceptable.

Les mesures d'hygiène industrielle peuvent être comparées aux limites d'exposition applicables. De même, les résultats sur les biomarqueurs d'exposition ou les biomarqueurs d'effet peuvent être comparés à des limites d'action biologique, parfois appelées indices d'exposition biologique. Ces limites devraient être fondées sur les meilleurs conseils des cliniciens et des scientifiques des disciplines appropriées, et les administrateurs responsables en tant que « gestionnaires des risques » devraient alors tenir compte des facteurs éthiques, sociaux, culturels et économiques pertinents. La base scientifique devrait, si possible, inclure des relations dose-réponse complétées par des informations sur les variations de sensibilité au sein de la population à risque. Dans certains pays, les travailleurs et les membres du grand public sont impliqués dans le processus de normalisation et apportent une contribution importante, en particulier lorsque l'incertitude scientifique est considérable. L'une des principales incertitudes est de savoir comment définir un effet nocif sur la santé qui devrait être évité, par exemple, si la formation d'adduits en tant que biomarqueur d'exposition représente en soi un effet nocif (c'est-à-dire un biomarqueur d'effet) qui devrait être prévenu. Des questions difficiles sont susceptibles de se poser lorsqu'il s'agit de décider s'il est éthiquement défendable, pour un même composé, d'avoir des limites différentes pour l'exposition fortuite, d'une part, et l'exposition professionnelle, d'autre part.

Les informations générées par l'utilisation des biomarqueurs doivent généralement être transmises aux personnes examinées dans le cadre de la relation médecin-patient. Les préoccupations éthiques doivent notamment être prises en compte dans le cadre d'analyses de biomarqueurs très expérimentales qui ne peuvent actuellement être interprétées en détail en termes de risques réels pour la santé. Pour la population générale, par exemple, il existe actuellement peu d'orientations concernant l'interprétation des biomarqueurs d'exposition autres que la plombémie. La confiance dans les données générées est également importante (c'est-à-dire si un échantillonnage approprié a été effectué et si de bonnes procédures d'assurance qualité ont été utilisées dans le laboratoire concerné). Un domaine supplémentaire d'inquiétude particulière concerne l'hypersensibilité individuelle. Ces questions doivent être prises en compte lors de la restitution de l'étude.

Tous les secteurs de la société concernés par ou concernés par la réalisation d'une étude de biomarqueurs doivent être impliqués dans le processus de prise de décision sur la manière de traiter les informations générées par l'étude. Des procédures spécifiques pour prévenir ou surmonter les conflits éthiques inévitables doivent être développées dans les cadres juridiques et sociaux de la région ou du pays. Cependant, chaque situation représente un ensemble différent de questions et de pièges, et aucune procédure unique de participation du public ne peut être développée pour couvrir toutes les applications des biomarqueurs d'exposition.

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