Pourquoi tant d’incertitudes sur les risques associés aux nanos ?

Pourquoi tant d’incertitudes sur les risques associés aux nanos ?

Bien que la part des financements à destination des études sur les risques sanitaires et environnementaux des nanos dans les budgets publics consacrés aux recherches en nanosciences et nanotechnologies reste faible et sont beaucoup plus limitées que les recherches sur les bénéfices attendus des nanomatériaux, les recherches sur les risques potentiels associés aux nanomatériaux font l’objet de plusieurs publications scientifiques. Cependant, de nombreuses incertitudes demeurent, pour différentes raisons détaillées plus bas.

Pour autant, l’absence de certitudes sur les risques ne doit pas être assimilée à l’absence de risques – ni conduire à l’inaction, au contraire : il ne faut pas renouveler les erreurs du passé (essence au plomb, amiante, etc.) !

Les limites rencontrées dans l’évaluation des risques nanos 

Une caractérisation insuffisante des nanomatériaux testés 

Les caractéristiques physico-chimiques des nanomatériaux testés ont longtemps été insuffisamment décrites¹Des améliorations sont déjà perceptibles. Divers groupes de travail ont défini les paramètres qui devraient être systématiquement précisés dans tous les articles (la description détaillée des conditions expérimentales est également indispensable). Suite à l’édito du 19 août 2012 de la revue Nature Nanotechnology, la communauté scientifique a continué à définir les informations nécessaires afin de stabiliser le socle de caractérisation que devraient comporter tous les articles de nanotoxicologie. Cf. notamment The dialogue continues, Nature Nanotechnology, 8, 69, février 2013 : The nanotoxicology community has numerous ideas and initiatives for improving the quality of published papers., ou de façon trop hétérogène pour pouvoir reproduire les expériences et/ou comparer les résultats entre les différentes études. Or ces caractéristiques jouent un rôle très important sur la toxicité de ces matériaux, mettant à mal un principe phare de la toxicologie selon lequel « tout est poison, rien n’est poison : c’est la dose qui fait le poison »²Phrase du médecin et alchimiste Paracelse qui a fondé la toxicologie et est très souvent invoquée pour évaluer les risques liés aux substances chimiques de synthèse.

D’une part parce que la toxicité et l’écotoxicité des nanoparticules varient selon leurs caractéristiques physico-chimiques (dimension, forme, structure, état de charge, degré d’agglomération, composition, solubilité, etc.) qui varient elles-mêmes selon les conditions dans lesquelles les nanoparticules sont synthétisées, stockées, éventuellement enrobées, intégrées dans un produit puis relarguées dans l’environnement. Par exemple, chez les humains ou les animaux, les nanos fibreuses sont davantage susceptibles de générer des effets inflammatoires que les nanoparticules sphériques³Voir par exemple Carbon nanotubes, but not spherical nanoparticles, block autophagy by a shape-related targeting of lysosomes in murine macrophages, Autophagy, 14:8, 1323-1334, DOI: 10.1080/15548627.2018.1474993.

D’autre part, il faut également prendre en compte ce avec quoi les nanomatériaux considérés – ou leurs résidus – vont entrer en contact : êtres vivants végétaux, animaux, micro-organismes, et autres substances chimiques. Par exemple, dans l’environnement biologique, les nanos peuvent être rapidement recouverts de protéines, formant une couronne de protéines (corona) qui peut également impacter leurs effets toxicologiques⁴Voir par exemple :
– en français : Couronne protéique autour des nanoparticules : une affaire de taille !, Instituts IRAMIS et Joliot, I2BC, mars 2021
– en anglais : The bio-corona and its impact on nanomaterial toxicity, Westmeier D et al.,  European Journal of Nanomedicine, 7(3), 2015.

Toute évaluation des risques associés aux nanomatériaux est donc très complexe. Pour autant des pistes d’amélioration sont proposées par la communauté scientifique⁵Voir par exemple :
– Environmental Risk Assessment of Nanomaterials in the light of new obligations under the REACH regulation ‐ Which challenges remain and how to approach them?, Integrated Environmental Assessment and Management, Schwirn K et al., mars 2020 Experts call for updated guidance on nanomaterial risk assessment, Chemical Watch, 26 mars 2020
– Harmonizing across environmental nanomaterial testing media for increased comparability of nanomaterial datasets, Geitner NK et al., Environ. Sci.: Nano, 7, 13-36, 2020.

Des études souvent difficilement extrapolables à l’homme

Les nanomatériaux sont majoritairement testés in vitro, sur différentes souches cellulaires (humaines, animales, végétales), sur de nombreux micro-organismes (bactéries, virus, champignons…). Ces études donnent surtout des indications en termes de cancérogenèse et de viabilité cellulaire. Elles ne pourront remplacer totalement les tests in vivo.

Mais les études in vivo présentent elles aussi des limites : les modèles animaux de toxicité posent des problèmes éthiques et financiers mais également méthodologiques : leur extrapolation à l’homme est certes plus fiable que les tests in vitro mais n’est pas pour autant garantie⁶Voir par exemple Comment le test sur les rats échoue à protéger les hommes, Stéphane Foucart, Le Monde, 22 octobre 2012.

Il y a un réel besoin de disposer de données sur le corps humain. Grâce au progrès de la nano-métrologie et en respectant des considérations éthiques évidemment indispensables, il est possible de faire progresser les connaissances au niveau humain⁷Nanotoxicology: the need for a human touch?, Miller M & Poland C, Small, juillet 2020.

Des études parfois réalisées dans des conditions non représentatives de l’exposition réelle

Les applications industrielles n’étant à l’heure actuelle pas bien connues ni quantifiées, elles ne peuvent être qu’estimées. L’exposition « probable » de la population et de l’environnement ne peut donc être, elle aussi, qu’estimée. Sur quels critères et avec quelle fiabilité ?

Des voies d’exposition peu réalistes 

Pour des questions pratiques, les nanomatériaux testés sont souvent introduits directement dans certaines parties du corps et organes (ex : injections intracérébrales, intra-péritonéales par exemple), selon des modalités qui sont parfois très éloignées des conditions par lesquelles l’environnement ou la population sont réellement exposés, empêchant de bien prendre en compte ce qui se passe lors des mécanismes importants qui entrent en jeu « dans la vraie vie » (processus intervenants lors de la digestion / la fermentation / la détoxification par exemple).

Des progrès sont néanmoins réalisés en matière environnementale, avec des études réalisées dans des mésocosmes par exemple – d’énormes aquariums reproduisant un mini éco-système dans lesquels est étudié à différents dosages le comportement des nanoparticules en contact avec des plantes, des poissons, du sol et de l’eau⁸Cf. MESONNET : Utilisation de mésocosmes terrestres et aquatiques en réseau pour l’évaluation du risque associé à la dispersion de nanoparticules manufacturées, projet du CEREGE ; et les équipements de l’INERIS : Les leçons des écosystèmes synthétiques, Le Monde, 20 nov. 2013.

Des études menées sur des périodes trop courtes 

Les études sont souvent menées sur des durées bien trop courtes pour refléter les conditions réalistes d’exposition, largement chroniques en l’occurrence (les cas d’accidents sont aussi à prendre en compte, mais selon des configurations bien spécifiques).

Les études épidémiologiques chez l’homme concernant les risques nano sont quasi inexistantes. Un seul programme de surveillance épidémiologique des travailleurs potentiellement exposés aux nanomatériaux a été mis en place, en France (EpiNano), mais il se heurte à des difficultés telles que ses résultats ne seront pas connus ni exploitables avant de nombreuses années.

Des nanomatériaux synthétiques différents de ceux auxquels sont exposés écosystèmes et populations humaines

Les nanomatériaux considérés sont souvent synthétisés en laboratoire et donc différents des nanomatériaux (et résidus de nanomatériaux) auxquels sont réellement exposés les écosystèmes et les populations humaines⁹Cf. par exemple Yang Y et al., Characterization of Food-Grade Titanium Dioxide: The Presence of Nanosized Particles, Environ. Sci. Technol., 2014, 48 (11), pp 6391-6400, souvent plus complexes et mêlés à des éléments issus du vivant. Pour l’heure, les scientifiques ont en effet une connaissance très limitée des types de nanomatériaux qui sont incorporés dans les produits actuellement sur le marché, et a fortiori des résidus de dégradation des nanomatériaux relargués dans l’environnement tout au long du « cycle de vie » de ces produits ; ils ignorent également beaucoup de choses sur la mobilité et les transformations subies par ces derniers dans l’environnement.

Peu de prise en compte du cycle de vie 

Les nanomatériaux peuvent se transformer au cours de leur « cycle de vie« , que ce soit dans l’environnement ou dans le corps humain : de nombreux paramètres entrent en ligne de compte, comme le degré d’acidité ou de salinité par exemple. Les limites listées plus haut valent a fortiori pour les résidus de dégradation des nanomatériaux relargués dans l’environnement depuis leur conception jusqu’à leur fin de vie.

Des doses testées plus importantes que l’exposition réelles  

Les doses de nanomatériaux testés sont souvent plus importantes que les concentrations auxquelles sont réellement exposés les écosystèmes et les populations humaines (notamment à cause des limites des appareils de détection et de mesure utilisés en laboratoire). Toutefois les effets constatés (ou d’autres) pourraient également intervenir à des concentrations plus faibles ; certains nanomatériaux (de silice notamment) sont ainsi plus génotoxiques à faibles doses qu’à fortes doses¹⁰Cf. Résultats du programme européen Nanogenotox sur la génotoxicité des nanomatériaux, présentés en français à l’ANSES, lors de la Restitution du programme national de recherche environnement santé travail : Substances chimiques et nanoparticules : modèles pour l’étude des expositions et des effets sanitaires : Dossier du participant et Diaporama, novembre 2013. Et « L’évaluation toxicologique des nanomatériaux doit évoluer, selon un projet européen de recherche », APM International, 14 novembre 2013. Plus généralement, on commence à mieux comprendre l’effet des faibles doses et à s’apercevoir que ces effets peuvent être tout aussi délétères que des doses importantes ou avoir des effets antagonistes en fonction des doses. Les effets-doses viennent complexifier considérablement les recherches en toxicologie. Voir par exemple Le problème sanitaire des faibles doses, Elizabeth Grossman, juillet 2012 ; La seconde mort de l’alchimiste Paracelse, Stéphane Foucart, 11 avril 2013. En outre, les fortes concentrations permettent de simuler des situations de contamination aiguë et ponctuelle (par exemple un déversement accidentel sur un site de production, ou encore en cours de transport). Fin 2019, une étude a par ailleurs montré qu’une fraction importante des nanoparticules testées dans les études de nanotoxicité et de nanomédecine peut rester dans les seringues en plastique utilisées pour doser les nanoparticules ! Cela remet en cause la fiabilité et la reproductibilité des études¹¹Cf. Failure to launch: nano toxicity studies may be affected by nanoparticles staying behind in syringes, European Union Observatory for Nanomaterials, 25 novembre 2019 and Unpredictable Nanoparticle Retention in Commonly Used Plastic Syringes Introduces Dosage Uncertainties That May Compromise the Accuracy of Nanomedicine and Nanotoxicology Studies, Holtzwarth U et al., Frontiers in pharmacology, novembre 2019..

Des nanos difficiles à détecter

Du fait de leur petite taille et des transformations qu’elles subissent au cours de leur parcours dans l’organisme ou dans les écosystèmes, les nanos sont difficiles à détecter, quantifier, caractériser et à suivre dans le corps humain et dans les écosystèmes.

Des données lacunaires

Au final, beaucoup d’aspects relatifs à la toxicité et à l’écotoxicité des nanomatériaux restent à approfondir. En avril 2020, une analyse de la littérature a par exemple souligné le manque de données concernant l’impact des nanomatériaux sur la fertilité féminine et le besoin d’études sur leurs effets sur les capacités reproductives¹²Cf. Female fertility data lacking for nanomaterials, European Observatory of Nanomaterials, 6 avril 2020 and A critical review of studies on the reproductive and developmental toxicity of nanomaterials, ECHA / Danish National Research Centre for the Working Environment, avril 2020.

Des améliorations en cours et venir

Les recherches en cours donnent lieu à des améliorations notables, notamment au niveau méthodologique¹³Voir par exemple : Rencontre scientifique sur les microplastiques et nanomatériaux : recherche en environnement et santé, ANSES / ANR, 20 mai 2021 et Cahier de la recherche n°17 : « Microplastiques et nanomatériaux »- Comprendre où en est la recherche, ANSES, mai 2021.

Un exemple, à titre illustratif : le projet Nanomique développé au CEA en partenariat avec l’Institut Lavoisier (CNRS) de l’Université de Versailles, est une approche de criblage systématique pour définir la toxicité d’une quinzaine de nanoparticules (déjà utilisées dans l’industrie) sur des lignées cellulaires de cancers de poumon humain et sur des tissus pulmonaires cultivés en trois dimensions. Il s’appuie sur une plateforme de criblage (« screening ») à haut débit : un dispositif permettant d’effectuer de très nombreux tests en parallèle sur des cultures de cellules. Il permet ainsi de tester rapidement différentes concentrations de nanoparticules et différents types de cellules¹⁴Cf. « Mesures des effets toxicologiques de nano-oxydes métalliques sur cellules humaines in vitro« , Chevillard S, in Nanomatériaux et santé – Comprendre où en est la recherche, ANSES, Les cahiers de la recherche, octobre 2015. .

Des progrès sont aussi réalisés en matière environnementale, avec des études réalisées dans des mésocosmes par exemple – d’énormes aquariums reproduisant un mini éco-système dans lesquels est étudié à différents dosages le comportement des nanoparticules en contact avec des plantes, des poissons, du sol et de l’eau¹⁵Cf. MESONNET : Utilisation de mésocosmes terrestres et aquatiques en réseau pour l’évaluation du risque associé à la dispersion de nanoparticules manufacturées, projet du CEREGE ; et les équipements de l’INERIS : Les leçons des écosystèmes synthétiques, Le Monde, 20 nov. 2013.

A terme, les progrès de la nano-métrologie ainsi que les améliorations du registre R-Nano et de l’enregistrement des nanomatériaux dans REACH devraient faire progresser les connaissances, en permettant de travailler plus précisément sur les nanomatériaux produits ou importés en France.

Adapter aux nanomatériaux les tests normalisés utilisés pour les essais toxicologiques des substances chimiques classiques (comme les lignes directrices de l’OCDE) demande du temps¹⁶Des travaux sont en cours en vue de cette adaptation. Voir notamment :
– Adapting OECD Aquatic Toxicity Tests for Use with Manufactured Nanomaterials: Key Issues and Consensus Recommendations, Petersen EJ et al., Environ. Sci. Technol., 49 (16) : 9532-9547, 2015
– Nanotechnology Regulation and the OECD, CIEL, ECOS, Öko-Institute, janvier 2015
– Ecotoxicology and Environmental Fate of Manufactured Nanomaterials: Test Guidelines, the Working Party on Chemicals, Pesticides and Biotechnology, OCDE, mars 2014..

En attendant, il ne faut pas « jeter le bébé avec l’eau du bain » : les nombreuses études montrant des effets toxiques et publiées avant la mise au point de ces tests normalisés¹⁷Voir par exemple nos fiches Risques associés aux nanotubes de carbone ; Risques associés aux nanoargents ; Risques associés au nano dioxyde de titane ; Risques associés aux nanosilices ne doivent pas être balayées d’un revers de main au prétexte qu’elles ne sont pas parfaites du point de vue de la caractérisation ou autres limites listées plus haut.

Un meilleur financement des études de risques est indispensable 

En 2009, des chercheurs avaient estimé à cinquante années de travail et plusieurs centaines de millions de dollars le montant des études nécessaires pour étudier les risques des nanomatériaux déjà mis sur le marché ; des modalités de financement des études de risques associés aux nanomatériaux sont donc à inventer.

Le regroupement de nanomatériaux ayant des potentiels de toxicité similaire (read-accross) est une stratégie préconisée par certains acteurs industriels mais il est également contesté tant les écueils méthodologiques sont nombreux¹⁸Voir au sujet du regroupement des nanomatériaux (« grouping » et « read-accross ») :
– 1st Innovative and complex materials: Towards grouping to support hazard and risk assessment, Stakeholder Workshop, BMBF-project InnoMat.Life, 15 juin 2021
– NanoApp, un projet ECETOC, lancé en décembre 2020 (« this tool is used to establish and justify sets of nanoforms and identify poorly soluble – low toxicity (PSLT) nanoforms »).
– A framework for grouping and read-across of nanomaterials- supporting innovation and risk assessment, Stone V et al., Nano Today, 35, décembre 2020
– Grouping all carbon nanotubes into a single substance category is scientifically unjustified, Bengt Fadeel & Kostas Kostarelos, Nature Nanotechnology, mars 2020
– Catégoriser les nanomatériaux pour obtenir une évaluation efficace des dangers et des risques qu’ils présentent, Cordis, NanoREG II, 17 décembre 2019
– Material-specific properties applied to an environmental risk assessment of engineered nanomaterials – implications on grouping and read-across concepts, Wigger H et Nowack B, Nanotoxicology, 13(5) : 623-643, février 2019
– Understanding the legal term Nanoform in REACH (and ‘set of similar nanoforms’) – A discussion Workshop between ECHA and Industry Experts, CEFIC & NIA, 16 octobre 2018
– Nanotechnology experts from across the globe join forces to advance nanomaterials safety testing through Grouping and Read Across, NanoReg2 et Gracious, septembre 2018
– Criteria for grouping of manufactured nanomaterials to facilitate hazard and risk assessment, a systematic review of expert opinions, Landvik NE et al., Regulatory Toxicology and Pharmacology, 95 : 270-279, juin 2018
– GRACIOUS: Grouping, Read-Across, CharacterIsation and classificatiOn framework for regUlatory risk assessment of manufactured nanomaterials and Safer design of nano-enabled products, projet de recherche H2020, 2018-2021
– Grouping and read-across for nanoforms, ECHA, 30 novembre 2017
– Conference on Categorization of Next Generation Nanomaterials, FutureNanoNeeds, 30 novembre et 1er décembre 2017
– Considerations about the relationship of nanomaterial’s physicalchemical properties and aquatic toxicity for the purpose of grouping, UBA, novembre 2017
– Effets des nanoparticules sur les cellules immunitaires humaines, Denis Girard, IRSST, novembre 2017 : « L’ensemble des résultats démontre clairement qu’il est difficile de classifier les NP strictement selon leur potentiel à modifier l’une ou l’autre des fonctions étudiées. Il est préférable de présenter un tableau plus nuancé dans lequel les effets provoqués par une NP donnée sur la biologie des ÉO humains in vitro doivent être pris en considération pour en éclaircir le mode d’action. Les effets des NP sont donc extrêmement variés et la présente étude vise à démontrer qu’elles n’agissent pas toutes de la même façon.
– Approaches on nano-grouping/equivalence/read-across concepts based on physical-chemical properties (Gera-PC) for regulatory regimes, OCDE, janvier 2016
– NanoToxClass – Assessment of the health effects of industrially used nanomaterials to be made more efficient, BfR, 18 janvier 2016
– ECETOC concept allows assessing the safety of nanomaterials undertaking animal testing only as a very last resort, ECETOC, 16 décembre 2015
– les travaux du projet européen de recherche NanoSolutions (2013-2017), qui cherche à identifier les caractéristiques des nanomatériaux manufacturés qui déterminent leur potentiel de risque biologique. Il permettra de développer un modèle de classification de sécurité pour ces nanomatériaux, basé sur une compréhension de leurs interactions avec des organismes vivants
– Regroupement de nanomatériaux : un outil pour évaluer les risques, OFSP, août 2015 : Le concept de regroupement proposé par l’OFSP prévoit en premier lieu de classer sous forme d’entités les nanomatériaux conçus de manière très similaire en s’appuyant sur un ensemble de critères. Dans une deuxième phase, les entités sont rattachées à des « clouds ». Au sein d’un même « cloud », les entités peuvent être évaluées avec la même stratégie de test.Cf. Walser & Studer, Sameness: The regulatory crux with nanomaterial identity and grouping schemes for hazard assessment, Regulatory Toxicology and Pharmacology, 72(3) : 569-571, août 2015
– Grouping nanomaterials – A strategy towards grouping and read-across, RIVM, juin 2015
– EU toxicology body publishes grouping framework for nanomaterials – Risk assessment tool contributes to sustainable development of nano products, Chemical Watch, 2 avril 20115 et A decision-making framework for the grouping and testing of nanomaterials (DF4nanoGrouping), Arts JHE et al., Regulatory Toxicology and Pharmacology, 71(2) : S1-S27, mars 2015
– A critical appraisal of existing concepts for the grouping of nanomaterials, Regulatory Toxicology and Pharmacology, 70(2) : 492-506, novembre 2014
– Grouping of nanomaterials for risk assessment, Bolt HM, Archives of Toxicology, novembre 2014
– A strategy for grouping of nanomaterials based on key physico-chemical descriptors as a basis for safer-by-design NMs, Nano Today, 9(3) : 266-270, juin 2014.

Certains scientifiques préconisent de travailler sur des « nanoparticules modèles »¹⁹Cf. notamment :
-« Nanotubes d’imogolite : un nouveau matériau modèle en nanotoxicologie ? » par Rose J et al., in Dossier du participant préparé pour la Restitution du Programme national de recherche environnement santé travail (PNREST), octobre 2015
-« Vers un matériau modèle en nanotoxicologie ? », Rose J et « Mesures des effets toxicologiques de nano‐oxydes métalliques sur cellules humaines in vitro« , Chevillard S in Nanomatériaux et santé – Comprendre où en est la recherche, ANSES, Les cahiers de la recherche, octobre 2015; on est donc encore loin d’obtenir des connaissances sur la toxicité et l’éco-toxicité des nanoparticules utilisées par les industriels…

Le Groupe de travail de l’OCDE sur les nanomatériaux manufacturés se penche sur l’évaluation des dangers et de l’exposition à différents types de nanomatériaux manufacturés et les orientations à cet égard. Il a suggéré fin 2015 de s’intéresser en priorité aux nanomatériaux manufacturés contenus dans des gaz ou des liquides, pour lesquels le risque d’exposition est plus élevé que pour les solides, dans la mesure où les gaz et liquides se propagent plus rapidement et pénètrent plus facilement dans le corps humain par inhalation ou ingestion²⁰Cf. OCDE, Les nanomatériaux dans les flux de déchets (Chapitre 1, aperçu général), novembre 2015. D’autres publications sont attendues.

Pour l’instant, les incertitudes donnent lieu à des divergences d’interprétation

Ces incertitudes et difficultés expliquent que les résultats soient peu généralisables et à considérer avec prudence.

Quand certains minimisent les risques en arguant du fait que les expériences ont été réalisées sur la base d’un « scénario du pire » (pour « worst case scenario » en anglais, impliquant par exemple des nanoparticules utilisées sous forme dispersée et à doses très fortes), d’autres soulignent a contrario que les conclusions amènent à tirer la sonnette d’alarme.