Toxicologie : Mécanismes d'action et effets

III. Principes Généraux des Mécanismes d'Action Toxique

1. Caractéristiques de l'Oxigéné

Un toxique peut agir de différentes manières sur l'organisme, soit directement, soit par l'intermédiaire de ses métabolites ou de la génération d'espèces réactives.

• Toxique direct (Xénobiotique) : Substance étrangère à l'organisme qui exerce une action toxique directe.

  • Ex. : Acides et bases fortes, métaux lourds, H₂O₂, HCN.

• Toxique (Métabolite du xénobiotique) : Le xénobiotique est métabolisé en une forme plus toxique, appelée toxique ultime.

  • Ex. : Benzo[a]pyrène (BCaJP) 7,8-diol-3,10-époxyde BCaJP ; Aflatoxine B1 Aflatoxine B1 8,9-époxyde ; Amygdaline HCN.

• Toxique (Espèce Réactive de l'Oxygène - ERO) : Génération d'ERO suite à l'exposition à un xénobiotique.

  • Ex. : Rayons UVA, éthanol ERO.

• Toxique (Entité réactive) : Le xénobiotique, son métabolite ou les ERO générées réagissent avec une cible physiologique.

La réactivité est souvent due à des composés électrophiles, des radicaux libres ou des oxydants.

La réactivité est la conséquence de :

• Liaisons non covalentes (hydrogène, hydrophobe, ionique) : Interactions avec des macromolécules biologiques (protéines, récepteurs, canaux ioniques, enzymes).

• Liaisons covalentes : Interactions avec les protéines, l'ADN, les lipides.

  • Électrophiles : Composés pauvres en électrons, attirés par les nucléophiles. Ex. : Carbocations, ions iminium, quinones.

  • Nucléophiles : Composés riches en électrons.

    • Soufre (S) protéines, acides aminés, glutathion.

    • Oxygène (O) et Azote (N) bases puriques, pyrimidiques de l'ADN.

• Réactions d'oxydation des protéines, de l'ADN et des lipides via les ERO.

1-1. Toxiques Électrophiles

Une entité électrophile est pauvre en électrons et est attirée par une entité riche en électrons (nucléophile). Ces interactions peuvent résulter d'une action métabolique.

• Ex. de liaisons avec des nucléophiles :

  • Aldéhydes (-insaturés)

  • Cétones (-insaturées)

  • Quinones

  • Époxydes

  • Ions iminium

• Interaction avec des groupements ayant des sites nucléophiles :

  • Groupements thiols (R-SH)

  • Groupements hydroxyles (R-OH)

  • Groupements amines (R-NH₂)

• Macromolécules avec des sites nucléophiles : protéines, ADN, lipides.

Les électrophiles peuvent réagir avec des sites nucléophiles présents dans les macromolécules biologiques, entraînant des modifications de leur structure et de leur fonction.

1-2. Toxiques sous forme de Radicaux Libres

Un radical libre est un atome ou une molécule dont la couche périphérique contient un électron non apparié, le rendant très réactif et instable.

Types de formations :

1. Cassure d'une liaison covalente : Une liaison se rompt de manière homolytique, produisant deux radicaux.

2. Capture d'un électron : Voie de réduction par des enzymes comme le CYP450.

   • Ex. : (toxique)

Les radicaux libres sont très instables et possèdent une très grande réactivité, ce qui peut entraîner des dommages importants aux macromolécules biologiques.

Réactions des radicaux libres :

• Démarrage/Propagation :

  • (formation d'une liaison covalente)

  • (création d'un nouveau radical)

• Arrêt :

  • (addition de deux radicaux)

Ces réactions peuvent entraîner une dénaturation chimique des macromolécules, conduisant à des dysfonctionnements cellulaires.

1-3. Espèces Réactives de l'Oxygène (ERO)

Les ERO sont des composés oxydants réactifs dérivés de l'oxygène, incluant des radicaux oxygénés et des espèces non radicalaires mais très réactives.

3 types de formation des ERO :

1. Réduction de l'Oxygène Moléculaire :

   • L'oxygène (O₂) peut subir une réduction un-électronique pour former l'anion superoxyde ().

2. Réduction successive de O₂ :

   • Première réaction : L'anion superoxyde peut se dismuter en peroxyde d'hydrogène ().

   • Deuxième réaction : Le peroxyde d'hydrogène peut réagir pour former le radical hydroxyle (), une espèce extrêmement réactive.

     • Réaction de Fenton :

     • Réaction de Haber-Weiss :

     • La production de (radical hydroxyle) est particulièrement dangereuse.

3. Interaction avec le rayonnement :

   • L'oxygène moléculaire à l'état triplet () peut être excité par des rayonnements (UV, lumière visible) pour former de l'oxygène singulet (), une espèce non radicalaire mais très oxydante.

Conséquences des ERO :

• Le radical hydroxyle () est un puissant oxydant, très réactif, avec une durée de vie très courte (nanosecondes), ce qui limite sa diffusion mais le rend extrêmement dommageable au site de formation.

• Toxicité indirecte par génération de .

Cibles des ERO :

• Protéines :

  • Oxydation des acides aminés.

  • Dénaturation, fragmentation.

  • Altérations fonctionnelles (récepteurs, enzymes).

  • Inflammation.

• Lipides :

  • Atteinte des membranes cellulaires.

  • Peroxydation des lipides (lipopéroxydation).

  • Modification de la fluidité membranaire.

• ADN :

  • Génotoxicité : Modifications de l'ADN.

Ces altérations peuvent entraîner une cytotoxicité, une immunotoxicité et des dysfonctionnements cellulaires, pouvant aller jusqu'à la mort cellulaire.

2. Systèmes de Protection de l'Organisme vis-à-vis des Électrophiles / Radicaux Libres / EROs

L'organisme dispose de systèmes physiologiques pour se défendre contre les dommages causés par ces entités réactives.

• Systèmes enzymatiques

• Systèmes non enzymatiques

(1) Détoxification des électrophiles : 2 systèmes

• Système général :

  • Conjugaison au glutathion (GSH), un puissant nucléophile qui neutralise les électrophiles.

• Systèmes spécifiques :

  • Autres enzymes comme l'époxyde hydrolase, qui hydrolyse les époxydes en diols moins réactifs.

(2) Détoxification des radicaux libres et EROs

• Systèmes ENZYMATIQUES :

  • Superoxyde dismutases (SOD) : Catalysent la dismutation de l'anion superoxyde en peroxyde d'hydrogène et oxygène.

    • Ces enzymes contiennent des métaux (Cu/Zn, Ni, Fe ou Mn) essentiels à leur activité.

  • Catalase : Enzyme fondamentale qui décompose le peroxyde d'hydrogène en eau et oxygène.

  • Glutathion peroxydase (GPx) : Réduit le peroxyde d'hydrogène et les hydroperoxydes lipidiques en utilisant le glutathion réduit (GSH).

• Systèmes NON enzymatiques : Ce sont des "pièges à radicaux" ou "antioxydants".

  • Un bon antioxydant est capable de capter les radicaux libres (R°) et de se régénérer in vivo.

  • Antioxydants liposolubles (dans les membranes) :

    • Ex. : Vitamine E (-tocophérol). Protège les membranes contre les radicaux peroxyles (ROO°), hydroxyles (•OH), superoxydes (O2•-).

    • Une molécule de Vitamine E peut éliminer 2 radicaux.

    • Rôle essentiel dans la protection des lipides insaturés membranaires.

  • Antioxydants hydrosolubles (dans le cytosol) :

    • Ex. : Vitamine C (acide ascorbique). Bon capteur de radicaux oxygénés.

    • La Vitamine C peut être régénérée in situ par le glutathion.

    • Une molécule de Vitamine C peut capter 2 radicaux.

Il existe des interrelations complexes entre ces différents systèmes de protection, permettant une défense synergique contre le stress oxydatif.

3. Effets Toxiques

Il existe trois grands types d'effets toxiques :

• Génotoxicité

• Cytotoxicité

• Immunotoxicité

3-1. Génotoxicité

La génotoxicité est la toxicité à l'échelle du gène, se manifestant par une altération de l'ADN. Les cibles privilégiées sont les sites nucléophiles de l'ADN, attaqués par des entités réactives électrophiles.

Ex. : L'adénine, une base nucléique, peut être attaquée par des électrophiles.

Nombreux types de dommages à l'ADN :

• Base dénaturée : Modification chimique d'une base (ex. : 8-oxoguanine).

• Cassure d'un brin : Rupture d'une liaison phosphodiester sur un seul brin de l'ADN.

• Cassure des deux brins : Rupture des deux brins de l'ADN, très grave.

• Perte d'une base : Élimination d'une base de l'ADN (site apurinique/apyrimidinique).

• Pontage ADN-Protéine : Liaison covalente entre l'ADN et une protéine.

• Pontage intra-brin : Liaison covalente entre deux bases sur le même brin d'ADN.

• Pontage inter-brin : Liaison covalente entre deux bases situées sur des brins opposés de l'ADN.

Différentes sources de dommages :

• Oxydation de bases : Ex. : La guanine peut être oxydée en 8-oxoguanine.

Liaisons / Adduits sur les bases :

Formation de liaisons covalentes entre des toxiques et les bases de l'ADN, créant des adduits.

Conséquences cellulaires de la génotoxicité :

Si un dommage à l'ADN n'est pas réparé avant la division cellulaire, la mutation est fixée dans les cellules filles. Le code génétique est modifié, entraînant la production de protéines altérées. La gravité de la génotoxicité dépend de la protéine affectée, du site de la modification et de l'étendue de l'altération.

Régulation de l'ADN :

• Modification géométrique de la double hélice : allongement ou torsion du brin.

• Pontage (inter-brin, intra-brin, ADN-protéine) :

  • Ex. : Pontage inter-brin. Ces pontages modifient le degré de courbure de l'ADN et peuvent entraîner une distorsion de la double hélice, bloquant la réplication.

  • Ex. : L'antigénotoxicité des psoralènes. Le 5-méthoxypsoralène + UV provoque un pontage inter-brin. Utilisé en maraîchage, il peut causer des dermites aiguës (inflammation de la peau) et inhiber la division cellulaire.

  • Ex. : Le Bergasol® (essence de bergamote) contenait du 5-méthoxypsoralène et a été retiré du marché. La directive cosmétique autorise moins de 1 ppm de furocoumarines dans les produits solaires et bronzants.

Conséquences cellulaires d'un effet génotoxique :

1. Réparation de l'ADN : L'ADN est réparé et le système de réparation n'est pas débordé.

2. Mort cellulaire contrôlée (apoptose) : En cas de dommages non réparables, la cellule déclenche un suicide programmé.

3. Mutation transmissible : Si les dommages ne sont pas réparés ou sont mal réparés, des mutations peuvent être transmises aux cellules filles après division.

Différentes conséquences des mutations transmissibles en fonction de la cellule cible :

• Cellules somatiques (toutes les cellules de l'organisme sauf les gamètes) : Peuvent conduire au cancer.

• Cellules germinales (gamètes ou spermatozoïdes, cellules reproductrices) : Peuvent entraîner la stérilité, des malformations congénitales ou un cancer de la descendance.

• Développement embryonnaire/fœtal : Peut provoquer une fausse couche, une mort in utero ou des malformations congénitales.

3-2. Cytotoxicité

La cytotoxicité correspond aux atteintes des autres composants cellulaires que l'ADN, tels que les lipides membranaires, les enzymes, les récepteurs. C'est une toxicité à l'échelle de la cellule.

(1) Membranes :

Cible principale : les lipides insaturés. Leur dégradation oxydative, selon un processus radicalaire, est appelée peroxydation lipidique ou lipopéroxydation. Cela entraîne une dénaturation membranaire et une perturbation de la perméabilité de la membrane externe (plasmique) ou des membranes internes des organites cellulaires, pouvant mener à la mort cellulaire.

La peroxydation lipidique se déroule en 3 étapes : Initiation, Propagation, Terminaison.

1- Initiation :

Attaque d'un groupement méthylène séparant deux doubles liaisons par un composé radicalaire, formant un lipide radicalaire ().

(où RH est un acide gras insaturé et R'• un radical initiateur)

2- Propagation :

Les lipides radicalaires réagissent avec l'oxygène cellulaire (O₂), entraînant une réaction en chaîne et une amplification du processus.

• (radical peroxyle lipidique)

• (hydroperoxyde lipidique et nouveau radical lipidique)

L'hydroperoxyde lipidique (LOOH) est instable et peut se décomposer en radicaux alkoxyle (LO•) et hydroxyle (•OH), qui peuvent à leur tour attaquer d'autres lipides, amplifiant la réaction.

Avec un seul lipide radicalaire initial, plus de 100 lipides peuvent être mobilisés.

3- Terminaison :

Formation de composés lipidiques stables mais altérés, mettant fin à la réaction en chaîne.

• (dimère stable)

Les Vitamines E et C jouent un rôle protecteur en agissant comme antioxydants et en terminant ces réactions radicalaires.

Une fois le lipide dénaturé, il peut être fragmenté, générant des entités toxiques secondaires.

Produits de la peroxydation lipidique :

Acroleïne, malondialdéhyde, crotonaldéhyde, 4-hydroxynonénal. Ces produits sont eux-mêmes très réactifs et toxiques.

Conséquences de la cytotoxicité membranaire :

1. Formation d'entités toxiques : Ces produits secondaires peuvent altérer d'autres constituants cellulaires (lipides, protéines, ADN).

2. Altération des phospholipides membranaires : Affecte les membranes de la cellule, des mitochondries, du réticulum endoplasmique.

Dysfonctionnement Cellulaire :

• Perturbation de l'homéostasie cellulaire (régulation des paramètres internes).

• Perturbation du métabolisme.

• Altération de la transmission du signal (récepteurs).

Ces dysfonctionnements peuvent mener à la MORT CELLULAIRE.

2. Production d'énergie :

• Le rôle principal de la mitochondrie est la formation/création d'énergie sous forme d'ATP (Adénosine Triphosphate).

• Le catabolisme énergétique fournit l'énergie nécessaire à l'organisme.

• La phosphorylation oxydative est le processus clé de la production d'ATP à partir d'ADP.

Des toxiques peuvent interférer avec la chaîne respiratoire mitochondriale, bloquant la production d'ATP.

• Ex. : L'arsenic (As³⁺) peut se complexer avec l'acide lipoïque, bloquant la pyruvate déshydrogénase et donc la production d'acétyl-CoA, essentiel au cycle de Krebs.

• Ex. : Le cyanure (CN⁻) inhibe la cytochrome c oxydase, bloquant le transfert d'électrons et la production d'ATP.

• Ex. : Le monoxyde de carbone (CO) se lie à l'hème de la cytochrome c oxydase, empêchant la liaison de l'oxygène.

3. Mécanisme :

Les glucides sont métabolisés en pyruvate, puis en acétyl-CoA qui entre dans le cycle de Krebs. Les coenzymes réduits (NADH, H⁺ et FADH₂) alimentent la chaîne respiratoire mitochondriale, produisant de l'ATP. Des toxiques peuvent bloquer différentes étapes de ce processus, entraînant une accumulation de métabolites ou une privation d'ATP.

Privation d'ATP = mort cellulaire

Ceci est particulièrement critique pour les organes vitaux et le fœtus.

Exemple : L'arsenic (As³⁺) en rose sur le schéma du mécanisme.

• Complexe avec l'acide lipoïque blocage de la pyruvate déshydrogénase.

Exposition chronique à l'arsenic :

• Asphyxie thioloprive (blocage des enzymes à groupements thiols).

• Lésions cutanées, hépatite, troubles cardiovasculaires, hématologiques, dermatite.

• Cancérogène avéré (indirectement, en inhibant la réparation de l'ADN).

• Perturbateur endocrinien suspecté.

Réglementation de l'arsenic :

• Arômes : 3 ppm.

• Cosmétiques : Traces autorisées si non intentionnelles, inévitables et innocues.

• L'analyse du risque est très complexe en raison des très faibles quantités.

3 Autres cibles :

Interaction avec la signalisation cellulaire : neurotransmetteurs, récepteurs, voies de signalisation.

Ex. : Certains insecticides peuvent inhiber l'activité enzymatique (ex. : acétylcholinestérase).

3-3. Cas particuliers :

Atteinte du système endocrinien

Les perturbateurs endocriniens (PE) sont des substances capables d'interférer avec le système endocrinien (système hormonal), entraînant des effets délétères et néfastes.

• Ils interfèrent avec nos hormones :

  • Modifient leur production.

  • Empêchent leur action.

  • Agissent comme substituts.

• Conséquences :

  • Fertilité.

  • Fonction thyroïdienne.

  • Cancer.

• Sources d'exposition :

  • Eau, air, alimentation.

  • Produits manufacturés.

Définition des PE par l'OMS : Substance exogène ou mélange qui altère la/les fonctions du système endocrinien et, par voie de conséquence, cause un effet délétère sur la santé d'un individu, sa descendance ou des sous-populations.

Système endocrinien :

Ensemble des organes qui sécrètent des hormones (glandes endocrines) :

• Hypothalamus, hypophyse, thyroïde, parathyroïdes, surrénales, pancréas, ovaires, testicules.

Impact sur :

• Fonctions de reproduction.

• Croissance et développement.

• Humeur, comportement.

• Régulation : température, glycémie, pression artérielle, homéostasie.

Différents modes d'action des PE :

• Action agoniste : Miment l'action de l'hormone naturelle.

• Action antagoniste : Empêchent l'émission ou la réception du signal hormonal.

• Interfèrent avec le mécanisme de synthèse, de transport ou d'élimination des hormones.

Conséquences sur la santé humaine :

Si effet sur les hormones sexuelles :

• Altération des fonctions de reproduction mâle et femelle.

• Malformations du système reproducteur mâle : cryptorchidie (absence de testicules), hypospadias (malformation de l'urètre), micropénis.

• Cancers hormono-dépendants.

• Troubles de la maturation sexuelle (puberté précoce).

Exposition multiple :

Alimentation :

• Contamination directe : par les aliments (pesticides).

• Contamination indirecte : emballages plastiques, ustensiles de cuisine.

Vie quotidienne :

• Meubles, ordinateurs, cosmétiques, vêtements, produits d'entretien.

Ces expositions multiples entraînent un effet cocktail, avec des actions à faibles doses et une dispersion importante (persistance) dans l'environnement. L'homme est exposé à de nombreux PE en dehors des hormones naturelles ou de synthèse.

Exemple 1 : Le Bisphénol A (BPA)

• Présence dans les plastiques (rigides, difficilement cassables), notamment le polycarbonate (PC). Toxique lorsqu'il est chauffé.

• Exposition via les denrées alimentaires (conserves, viandes, produits laitiers).

• Réglementation :

  • 2011 (CE) : Interdiction du BPA dans la fabrication des biberons en PC.

  • 2015 (France) : Interdiction du BPA dans les contenants ou ustensiles destinés à entrer en contact direct avec toutes les denrées alimentaires.

  • 2018 (CE) : Limite de migration de 0,05 mg/kg d'aliments.

  • 2024 (CE) : Interdiction dans les matériaux au contact avec les aliments.

• Effets avérés chez l'animal sur la reproduction, les glandes mammaires, le métabolisme, le cerveau et le comportement.

• Effets suspectés chez l'humain sur la reproduction, le métabolisme et les pathologies cardiovasculaires.

Exemple 2 : Parabènes

• Conservateurs : Méthylparabène, éthylparabène, propylparabène, butylparabène, etc.

• Retrouvés dans : Produits cosmétiques, médicaments, additifs alimentaires, produits ménagers (multiexposition).

• Plus la longueur de la chaîne est élevée, plus le parabène est lipophile et se propage dans le corps.

Toxicité des Parabènes :

• Lipophilie élevée : Affinité pour les tissus graisseux (sein).

• Absorption par voie orale, cutanée, respiratoire.

• Exposition du fœtus (traverse le placenta) et des bébés (allaitement).

• Risque accru pour les femmes enceintes (diabète gestationnel) et les enfants.

• Peuvent entraîner : raccourcissement du cycle menstruel, problèmes de fertilité, troubles du développement cognitif, asthme, cancer du sein.

Réglementation des Parabènes :

Alimentation :

• E214 (Éthylparabène), E215 (Éthylparabène sodique), E218 (Méthylparabène), E219 (Méthylparabène sodique).

• Référence CE 1123/2001 : Autorisés dans certains produits (décorations, fourrages, confiseries, amuse-gueules, fruits à coque transformés).

Produits cosmétiques :

• Annexe 5 (réglementation des conservateurs) :

  • V-12 : Méthyl- et Éthylparabène et leurs sels. Limite de 0,4% (en acide) pour un ester, 0,8% (en acide) pour un mélange d'esters.

  • V-12a : Propyl- et Butylparabène et leurs sels. Limite de 0,14% (en acide) pour la somme de chaque ester, 0,8% (en acide) pour un mélange d'esters de V-12 et V-12a.

• Interdits dans les produits cosmétiques sans rinçage destinés aux enfants de moins de 3 ans.

• Annexe 2 : Benzyl-, isopropyl-, isobutyl-, pentylparabène sont interdits.

Exemple 3 : Phtalates

• Plastifiants pour le PVC.

• Utilisation :

  • Plastifiants souples (jouets, rideaux de douche, habitacles automobiles, chaussures, sacs, vêtements), mais surtout certains contenants, emballages et pellicules plastiques pour aliments.

  • Cosmétiques : Diéthylphtalate (DEP) dans les parfums, produits coiffants, produits de soins pour adultes et enfants.

• Exposition : 3-30 µg/personne/jour.

Exemple 4 : Diéthylstilbestrol (DES)

• Hormone de synthèse utilisée pour prévenir les fausses couches, les risques de prématurité et traiter les hémorragies pendant la grossesse.

• Conséquences sur 3 générations :

  • Filles : Adénocarcinome du vagin, malformations du col de l'utérus, problèmes de stérilité, grossesses extra-utérines.

  • Garçons : Malformations.

PE et Cosmétiques :

• 3 listes dans la réglementation Européenne.

• Réglementation CFR (Code of Federal Regulations) aux États-Unis.

Problématique des PE :

• Relation dose-effet : Effet des faibles doses peut être supérieur aux fortes doses (courbe en U ou en J).

• Effet cocktail : Effets cumulatifs ou synergiques de plusieurs PE.

• Définition de la latence : Long délai entre l'exposition et l'apparition des effets.

• Période d'exposition : La période d'exposition est aussi importante que la dose (fenêtres de vulnérabilité).

• Effets transgénérationnels : Effets transmis aux générations futures sans modification de la séquence d'ADN.

(2) Atteinte du système immunitaire

Immunotoxicité :

• Directe : Effet dose-dépendant Cytotoxicité.

  • Cible : Cellules du système immunitaire (ex. : immunosuppression).

• Indirecte : Pas d'effet dose-dépendant Réaction d'hypersensibilité (difficile à identifier).

  • Cible : Le xénobiotique est la cible du système immunitaire.

  • Réponse inappropriée ou exagérée du système immunitaire.

  • Peut entraîner : Mort cellulaire et dommages tissulaires.

Allergènes et cosmétiques :

• Conservateurs : Parabènes, chlorhexidine, bronopol.

• Excipients : Lanoline, propylène glycol, cocamidopropyl bétaïne.

• Substances parfumantes : Alcool benzylique, limonène.

• Annexe 3 : Étiquetage obligatoire si la concentration est > 0,001% pour les produits non rincés et > 0,01% pour les produits rincés.

3-4. Une des conséquences ultimes : mort cellulaire

Deux mécanismes principaux de mort cellulaire :

Apoptose :

• Processus actif et contrôlé.

• Déclenchée par des signaux de mort externes ou internes.

• Permet d'éliminer les cellules endommagées sans altérer les tissus environnants.

• Caractéristiques :

  • Condensation de l'ADN.

  • Diminution du volume cellulaire.

  • Fragmentation de l'ADN.

  • Formation de corps apoptotiques.

  • Phagocytose des corps apoptotiques par les macrophages.

  • Cellule isolée, pas d'inflammation.

Nécrose :

• Processus passif et non contrôlé.

• Résulte d'un stress cellulaire aigu (traumatisme, toxique).

• Caractéristiques :

  • Gonflement cellulaire.

  • Rupture des membranes cellulaires.

  • Libération du contenu cellulaire dans le milieu extracellulaire.

  • Déclenchement d'une inflammation.

  • Atteinte des cellules voisines et des tissus.