Les portes d’entrée & le devenir des nanomatériaux dans le corps humain

Les portes d’entrée et le devenir des nanomatériaux dans le corps humain

Par l’équipe AVICENN – Dernière modification octobre 2024

Du fait de leur petite taille, les nanomatériaux peuvent pénétrer dans le corps humain via différents canaux :
– l’air que l’on respire,
– la nourriture que l’on ingère,
– les produits que l’on applique sur la peau.

La petite taille des nanomatériaux explique également leur propension à se diffuser dans l’organisme en empruntant les systèmes nerveux, sanguin et lymphatique.

Les trois principales voies d’exposition aux nanomatériaux :

On distingue communément trois principales voies d’exposition potentielle aux nanomatériaux :

Inhalation

L’inhalation constitue la principale voie de pénétration des nanomatériaux dans le corps humain¹Voir par exemple :
– Human study reveals nanoparticles cross from lungs into blood – Gold nanoparticles accumulate in arterial plaques, Chemical Watch, mai 2017 (cf. Inhaled Nanoparticles Accumulate at Sites of Vascular Disease, Miller MR et al., ACS Nano, 11(5) : 4542-4552, avril 2017)
– Les nanoparticules d’uranium traversent la barrière pulmonaire, Aktis (IRSN), octobre-décembre 2013
– Les nanomatériaux, INRS, ED6050, septembre 2012., tout particulièrement pour les travailleurs impliqués dans la fabrication ou manipulation de nanomatériaux sous forme de poudre.
Les nanomatériaux susceptibles d’être inhalés par le grand public sont ceux qui sont contenus sous forme de poudre ou dans les sprays des produits ménagers, crèmes solaires ou peintures aérosols par exemple²Voir Potential exposure of adults and children to particles from resuspended nano-enabled consumer sprays, He R at al., Science of The Total Environment, 924, May 2024.

Une fois inhalés, les nanomatériaux peuvent être rejetés ou rester dans l’appareil respiratoire (sur les fosses nasales, les bronches et les alvéoles pulmonaires) ou encore être conduits dans le système gastro-intestinal après déglutition.

Les nanomatériaux de diamètre compris entre 10 et 100 nm pénètrent plus profondément dans les alvéoles pulmonaires que les particules micrométriques et passent ensuite, pour partie, dans le sang qui les véhicule ensuite dans les autres organes ; en revanche les nanomatériaux plus petits auraient tendance à rester dans les voies aériennes supérieures³Cf. Les nanomatériaux, INRS, ED6050, septembre 2012 et peuvent:

• être rejetés vers l’extérieur (éternuement, mouchage)
• être avalés lors de la déglutition et passer dans le système digestif puis dans l’ensemble de l’organisme
• pénétrer dans les terminaisons nerveuses tapissant les fosses nasales, puis remonter le long des prolongements neuronaux et entrer dans le cerveau via le bulbe olfactif.

Ingestion

Présents dans notre alimentation, dans les médicaments, dans les dentifrices, rouges ou baumes à lèvres, les nanomatériaux peuvent se retrouver dans le système gastro-intestinal.
Plus les nanomatériaux sont petits, plus ils semblent absorbés par l’appareil digestif et dispersés ensuite dans l’organisme jusqu’au foie, la rate, les intestins les glandes endocrines et au cerveau.

Contact cutané

Les nanomatériaux présents dans les cosmétiques ou les vêtements par exemple peuvent entrer au contact de notre peau.
La pénétration des nanomatériaux à travers la peau – expressément recherchée dans le cas d’applications thérapeutiques⁶Voir par exemple Nanotherapeutic approaches for transdermal drug delivery systems and their biomedical applications, Khan SU et al., European Polymer Journal, 207, 2024 ou de cosmétiques de niche⁷Voir par exemple « Nos cosmétiques valent de l’or », Magazine Avantages, 7 décembre 2018 : « En passant la barrière cutanée, l’or permettrait de lutter contre le stress oxydatif dû à la pollution et aux UV, limitant ainsi les rides. Il serait aussi capable de lutter contre les tâches et booster le système immunitaire de la peau. » – est, dans la plupart des autres cas de figures, plutôt redoutée. Elle est considérée comme étant relativement limitée, mais elle ne doit néanmoins pas être sous-estimée⁸Voir par exemple :
– Ex vivo skin diffusion and decontamination studies of titanium dioxide nanoparticles, Tarantini A et al., Toxicology in Vitro, 101, 105918, 2024
– A critical review investigating the use of nanoparticles in cosmetic skin products, Piluk T et al., Environ. Sci.: Nano, 11, 3674-3692, 2024
– SCCS Guidance on the safety assessment  of nanomaterials in cosmetics, Scientific Committee on Consumer Safety (SCCS), 2nd revision, juin 2023
– Toxicity assessment of nanoparticles in contact with the skin, Zaiter T et al., Journal of Nanoparticle Research, 24 (149), 2022 
– A critical review of the factors determining dermal absorption of nanomaterials and available tools for the assessment of dermal absorption, Triskelion & RIVM for EUON, 2020
– Toxicity evaluation of TiO2 nanoparticles on the 3D skin model: a systematic review, Sanches PL et al., Front Bioeng Biotechnol, 8, 2020
– NanoTiO2 Sunscreen Does Not Prevent Systemic Oxidative Stress Caused by UV Radiation and a Minor Amount of NanoTiO2 is Absorbed in Humans, Pelclova D et al., Nanomaterials, 9(6), 888, 2019
– Support for the Safe Use of Zinc Oxide Nanoparticle Sunscreens: Lack of Skin Penetration or Cellular Toxicity after Repeated Application in Volunteers, Mohammed YH, Journal of Investigative Dermatology, 139(2) : 308–315, février 2019
– Crème solaire, nanoparticules et alopécie frontale, Synchrotron soleil, communiqué de presse, février 2018 (voir également l’article académique en anglais : Alopécie frontale fibrosante post-ménopausique : une réaction lichénoïde aux nanoparticules de dioxyde de titane présentes dans les follicules pileux?, Gary C et al., Annales de Dermatologie et de Vénéréologie, 144 (12), S206, 2017)
– Skin exposure to nanoparticles and possible sensitization risk, Larese Filon in Allergy and Immunotoxicology in Occupational Health,  Otsuki, T, Petrarca, C, Di Gioacchino, M (eds) 143-152, 2017
– Nanoparticules de dioxyde de titane et d’argent- Exposition cutanée, Proust N, Techniques de l’Ingénieur, janvier 2017
– Bioengineered sunscreen blocks skin penetration and toxicity, NIBIB, décembre 2015
– La peau est-elle vraiment imperméable aux nanoparticules ?, Vinches L et Halle S, Bulletin de veille scientifique, n° 27, ANSES, septembre 2015
– A review of critical factors for assessing the dermal absorption of metal oxide nanoparticles from sunscreens applied to humans and a research strategy to address current deficiencies, Gulson, B, Arch. Toxicol. 89, 1909–1930, 2015
– Nanoparticles skin absorption: New aspects for a safety profile evaluation, Larese Filon F et al., Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2015 : selon cette revue de la littérature :
. les nanoparticules de diamètre inférieur à 4 nm peuvent pénétrer et imprégner la peau intacte,
. les nanoparticules de diamètre compris entre 4 et 20 nm peuvent potentiellement pénétrer une peau intacte et lésée,
. les nanoparticules de diamètre compris entre 21 et 45 nm peuvent uniquement pénétrer et imprégner une peau lésée,
. les nanoparticules de diamètre supérieur à 45 nm ne peuvent pénétrer ni imprégner la peau.
. d’autres aspects jouent un rôle important, surtout pour les nanoparticules métalliques, à savoir leur dissolution dans les milieux physiologiques, qui peuvent causer des effets locaux et systémiques, leur potentiel sensibilisant ou toxique et la tendance à créer des agrégats.
– Interactions of Skin with Gold Nanoparticles of Different Surface Charge, Shape, and Functionality, Fernandes R et al., Small, octobre 2014
– Dermal exposure potential from textiles that contain silver nanoparticles, International Journal of Occupational and Environmental Health, 20(3), juillet 2013
– Dermal Absorption of Nanomaterials, Agence de protection de l’environnement du Danemark, 2013
– Exposition professionnelle aux nanoparticules et protection cutanée, Archives des Maladies Professionnelles et de l’Environnement, 74(5), 488-498, novembre 2013
– Relance de la polémique sur la capacité des nanoparticules à traverser la barrière cutanée, veillenanos.fr, 3 octobre 2012
– Nanoparticules de dioxyde de titane et d’oxyde de zinc dans les produits cosmétiques : Etat des connaissances sur la pénétration cutanée, génotoxicité et cancérogenèse – Point d’information, AFSSAPS, 14 juin 2011 (voir pp. 28-29 du rapport d’état des connaissances pour une présentation de l’étude de Gulson) : l’Agence française de sécurité sanitaire des produits de santé (Afssaps) avait constaté que les études scientifiques ne montraient pas de pénétration cutanée significative des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) pour les peaux saines, mais ne permettent pas de tirer de conclusion dans un sens ou dans l’autre pour les peaux lésées. L’Afssaps a donc recommandé de ne pas appliquer de crème contenant du nano TiO2 sur des peaux lésées (par exemple par des coups de soleil) du fait des risques potentiels pour la santé humaine ; elle a également déconseillé d’utiliser sur le visage ou dans des locaux fermés les cosmétiques contenant des nanoparticules et se présentant sous formes de spray. Les études robustes sur le sujet sont en effet encore trop rares. Les résultats sont souvent contradictoires et rendus peu exploitables en raison notamment d’une insuffisante caractérisation physico-chimique des nanomatériaux et / ou de la diversité des montages expérimentaux⁹Une synthèse a été publiée en mai 2020 : Are nanomaterials getting under your skin?, RIVM & RPA consortium of Triskelion, ECHA, EUON, mai 2020 : les experts des Pays-Bas mandatés par l’agence européenne des produits chimiques (ECHA) pour analyser les travaux de recherche sur l’absorption cutanée des nanomatériaux soulignent le manque de données comparables et de qualité et recommandent des programmes de recherche bien organisés et structurés en phase avec les lignes directrices de l’OCDE en matière de tests.
Une étude, publiée en mai 2020 également, fait état de résultats intéressants : Penetration of Zinc into Human Skin after Topical Application of Nano Zinc Oxide Used in Commercial Sunscreen Formulations, Holmes AM et a., ACS Appl. Bio Mater., 2020.

Dans l’ensemble, la littérature suggère néanmoins que le taux de pénétration des nanoparticules peut être plus élevé que pour des particules plus grosses, davantage bloquées par les couches supérieures de l’épiderme.
De nombreuses incertitudes demeurent et des travaux sont en cours, en France notamment¹⁰Un travail de recherche est en cours en 2021 au CEA de Grenoble notamment, sur le développement d’un modèle expérimental pour l’étude de la décontamination de la peau après une exposition aux nanoparticules métalliques (NaPeauLi), financé dans le cadre de l’APR-EST de l’Anses 2019., pour y voir plus clair.
Leur passage à travers la peau serait facilité par le sébum, la sueur, les flexions répétées de la peau, ainsi que par les lésions cutanées (en cas d’eczéma ou de boutons, de brûlure due par exemple à un coup de soleil, d’une micro-coupure résultant du rasage, etc.). Dans ce cas de figure, il n’est pas à exclure que les nanoparticules puissent se distribuer dans l’organisme et atteindre les tissus internes voir d’autres organes – dans une proportion a priori faible, mais non négligeable en cas d’applications fréquentes et chroniques.

Le devenir des nanoparticules au niveau des follicules pileux pose question car la présence de cellules souches, qui peuvent migrer, pourrait rendre possible le transport des nanoparticules à l’intérieur du corps via ce canal. Des dermatologues des Hôpitaux Bichat et Rothschild ont observé au Synchrotron soleil la présence de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) le long de follicules pileux d’une patiente atteinte d’alopécie frontale fibrosante (chute de cheveux en haut du front) qui a utilisé quotidiennement, pendant 15 ans, des écrans solaires contenant du TiO₂¹¹Cf. Crème solaire, nanoparticules et alopécie frontale, Synchrotron soleil, février 2018.

D’autres voies d’exposition :

Dans les faits, les voies d’exposition aux nanomatériaux sont en fait plus nombreuses :

Voie urogénitale

Des nanomatériaux comme le nanoargent entrent dans la composition de sous-vêtements, de gels vaginaux antibactériens et spermicides¹²Voir notre inventaires de produits commercialisés contenant des nanomatériaux, ou par exemple : Dépister le VIH à l’oeil nu ou le contrer avec une crème ?, janvier 2014 et Use of silver nanoparticles increased inhibition of cell-associated HIV-1 infection by neutralizing antibodies developed against HIV-1 envelope proteins, Journal of Nanobiotechnology, 9:38, 2011. Franchissent-ils alors les barrières physiologiques ? Avicenn n’a pas recensé d’études sur ce sujet.

Effraction cutanée

Plusieurs équipes de chercheurs ont alerté sur les risques liés au transfert de nanoparticules contenues dans les encres et/ou aiguilles de tatouages vers le sang, les vaisseaux et ganglions lymphatiques (entraînant leur gonflement chronique) et différents organes, pouvant entraîner des réactions d’hypersensibilité ou d’allergies¹³Voir notamment :
– Tatouage : nanoparticules, je vous ai dans la peau !, Science & Vie, 20 octobre 2021
– Encres de tatouage et maquillage permanent, ECHA, 2020 ?
– Après l’encre… Tatouages : les aiguilles pourraient entraîner des allergies, Allô Docteurs, 27 août 2019 et Metal particles abraded from tattooing needles travel inside the body, Synchrotron de Grenoble, 26 août 2019
– Scientists find that nanoparticles from tattoos travel inside the body, ESRF, 12 septembre 2017 (Synchrotron-based ν-XRF mapping and μ-FTIR microscopy enable to look into the fate and effects of tattoo pigments in human skin, Schreiver I et al., Scientific reports, 2017) ; les professionnels ont réagi en minimisant les risques, tout en dénonçant tout de même « le flou entretenu par les industriels fournissant les pigments (CI = Color index) aux fabricants d’encres, sous couvert de secret commercial. Nos distributeurs nationaux, respectueux des exigences imposées par la loi, ne disposent eux-mêmes pas de précisions sur les CI des étiquettes. C’est bien aujourd’hui la seule zone d’ombre sur nos encres de tatouage. La véritable évolution attendue désormais par les tatoueurs et les tatoués vise une plus grande transparence des fournisseurs de pigments… Pour une meilleure connaissance des produits de tatouage », cf. Nanoparticules : Pas de panique !, Tatouage Magazine, n°119, novembre-décembre 2017
– Size and metal composition characterization of nano- and microparticles in tattoo inks by a combination of analytical techniques, Bocca B et al., J. Anal. At. Spectrom.,32, 616-628, janvier 2017
– le communiqué de l’Université de Bradford (Royaume-Uni) et l’article des Amis de la Terre Australie : Des nanoparticules dans les tatouages pourraient causer des cancers (en anglais), 4 novembre 2013.

Voie parentérale (intra-veineuses, vaccins, …)

Cette voie est utilisée en médecine : il s’agit des voies intraveineuses, sous-cutanée, intradermique ou intramusculaire, par lesquelles des nanomatériaux peuvent être introduits dans le corps humain.
Des dispositifs médicaux implantables comportant des nanorevêtements sont également testés ou développés (pace-makers, prothèses).

Des nanoparticules sont également présentes dans des vaccins :

• certaines par contamination non volontaire¹⁴Voir notamment :
  – New Quality-Control Investigations on Vaccines: Microand Nanocontamination, Gatti AM et Montanari S, International Journal of Vaccines and Vaccination, 4(1), 2017
  –Etude comparative de recherche de particules et éléments dans des vaccins et autres produits de santé injectables, ANSM, mai 2016, mais en nombre si infime qu’il pourrait, selon l’Agence européenne des médicaments, être constaté « partout dans l’environnement » et « ne devrait pas être considéré comme un risque pour la santé »¹⁵Les vaccins sont-ils « contaminés par des nanoparticules toxiques » ?, Le Monde, 19 juillet 2017.
• d’autres à des fins prophylactiques (préventives) ou thérapeutiques¹⁶Voir par exemple :
  – les pistes de vaccins à l’étude contre le covid-19, dont quelques exemples sont compilés sur notre page Nano et covid-19
  – Les nanotechnologies pour produire plus vite des vaccins, Le Soir, 8 novembre 2021
  – Vaxinano, société de biotechnologie créé en 2016, spécialisée dans le développement préclinique et pharmaceutique des vaccins prophylactiques et thérapeutiques pour les maladies infectieuses, pour les marchés de la santé humaine et animale.
  – Glycovax Pharma dépose une demande de brevet pour un nouveau vaccin semi-synthétique contre les cancers du sein, Glycovax Pharma, 4 avril 2018
  – Vaxinano met au point le premier vaccin contre la toxoplasmose, Les Echos, 5 septembre 2017
  – Une méthode pour que les vaccins n’aient plus besoin d’être conservés au froid, Sciences & Avenir, décembre 2016
  – Applications des nanotechnologies à la médecine, LEEM, 13 février 2014
  – Des vaccins à base de nanoparticules, Les Echos, 3 octobre 2007, principalement à l’état de recherche et développement voire pour certains déjà en voie de commercialisation..

Muqueuse buccale (dentifrices, médicaments oro-dispersibles, chewing-gums, …)

Les muqueuses buccales sont perméables ; c’est d’ailleurs pour cette raison que les granules et d’autres médicaments dits « orodispersibles » doivent être placées sous la langue (on parle d’un mode d’administration « sublingual ») pour « fondre » à cet endroit et être rapidement absorbés par l’organisme. Une partie des nanoparticules contenues dans les dentifrices, médicaments ou chewing-gums est « absorbée » à ce niveau¹⁷Voir par exemple :
– Use of single particle ICP-MS to estimate silver nanoparticle penetration through baby porcine mucosa, Zanoni I et al., Nanotoxicology, 15(8) : 1005-1015, 2021
– Nano‐TiO2 penetration of oral mucosa: in vitro analysis using 3D organotypic human buccal mucosa models, Konstantinova V et al., Journal of Oral Pathology & Medicine, 46(3) : 214-222, mars 2017
– The buccal mucosa as a route for TiO2 nanoparticle uptake, Teubl BJ et al., Nanotoxicology, 9: 253–261, 2015
– Interactions between nano-TiO2 and the oral cavity: Impact of nanomaterial surface hydrophilicity/hydrophobicity, Teubl BJ et al., Journal of Hazardous Materials, 286 : 298-305, 2015
– In vitro permeability of silver nanoparticles through porcine oromucosal membrane, Mauro M et al., Colloids Surf B Biointerfaces, 1;132:10-6, 2015
– Evaluation of a physiological in vitro system to study the transport of nanoparticles through the buccal mucosa, Roblegg E et al., Nanotoxicology, 1–15, 2011.

Et après : quel devenir et comportement des nanomatériaux dans le corps humain ?

La petite taille des nanomatériaux explique également leur propension à se diffuser dans l’organisme en empruntant les systèmes nerveux, sanguin et lymphatique. Les nanomatériaux peuvent en effet franchir les différentes barrières physiologiques : barrières nasale¹⁸Des nanoparticules inhalées, peuvent remonter par les nerfs olfactifs jusqu’aux lobes olfactif (dans le cerveau) : Oberdörster et al., Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain, 2004 ; Oberdörster et al., Nanotoxicology : an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles, Environ Health Perspect, 113(7) :823-839, 2005, bronchique / alvéolaire¹⁹Cf. :
– Biopersistence and translocation to extrapulmonary organs of titanium dioxide nanoparticles after subacute inhalation exposure to aerosol in adult and elderly rats, Gaté L et al., Toxicol. Lett., 4 ; 265 : 61-69, janvier 2017
– « Internalisation et translocation de nanoparticules d’oxyde de silice et d’oxyde de titane dans des cellules épithéliales bronchiques, endothéliales pulmonaires et musculaires » par Mornet S et al. et « Étude du passage de la barrière air-sang de nanotubes de carbone après une exposition pulmonaire » par Czarny et al, in Dossier du participant préparé pour la Restitution du Programme national de recherche environnement santé travail (PNREST), octobre 2015
– Impacts physiopathologiques des nanoparticules inhalées, Baeza-Squiban A, Biologie Aujourd’hui, 208 (2), 151-158, septembre 2014 (paragraphe « L’appareil respiratoire, cible des nanoparticules inhalées »)
– Les nanomatériaux, INRS, ED6050, septembre 2012, intestinale²⁰Voir notre section sur les risques associés aux nanomatériaux dans l’alimentation, placentaire²¹Voir notamment ces quelques études sur le passage des nanomatériaux à travers la barrière placentaire (liste non exhaustive) :
– Nanoparticules de dioxyde de titane : le E171 traverse la barrière placentaire, INRAE, 7 octobre 2020 ; Basal Ti level in the human placenta and meconium and evidence of a materno-foetal transfer of food-grade TiO2 nanoparticles in an ex vivo placental perfusion model, A. Guillard et al., Particle and Fibre Toxicology, 17(51), 2020
– 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
– Ambient black carbon particles reach the fetal side of human placenta, Bové H et al., Nature Communications, volume 10, 2019
– Nanoparticle-induced neuronal toxicity across placental barriers is mediated by autophagy and dependent on astrocytes, Hawkins S J et al., Nature Nanotechnology, 13 : 427–433, 2018
– Maternal exposure to nanosized titanium dioxide suppresses embryonic development in mice, Hong F et al., Int J Nanomedicine, 12: 6197–6204, 2017, cité par le Haut Conseil de la Santé publique (HCSP) : « Chez la souris gestante exposée par voie orale aux NPs de TiO2 entre 0 et 17 jours de gestation à des doses allant jusqu’à 100 mg/kg pc/jour, la concentration en Ti augmente dans le sérum de la mère, dans le placenta et dans le fœtus. Des anomalies de poids et de développement squelettique sont également retrouvées dans le fœtus. Ces résultats indiquent que les NPs de TiO2 peuvent traverser la barrière placentaire chez la souris en entrainant des conséquences dans le développement fœtal »: « Exposition maternelle aux NPs de TiO2 » in Bilan des connaissances relatives aux effets des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) sur la santé humaine ; caractérisation de l’exposition des populations et mesures de gestion, HCSP, avril 2018 (rendu public en juin 2018)
– The toxicity, transport and uptake of nanoparticles in the in vitro BeWo b30 placental cell barrier model used within NanoTEST, Carreira C S et al., Nanotoxicology, 9 Suppl 1: 66-78, mai 2015
– « Biométrologie des particules ultrafines : application dans le cadre de deux études » (dont une sur la translocation placentaire), par Rinaldo M et al., in Dossier du participant préparé pour la Restitution du Programme national de recherche environnement santé travail (PNREST), octobre 2015
– The toxicity, transport and uptake of nanoparticles in the in vitro BeWo b30 placental cell barrier model used within NanoTEST, Nanotoxicology, sept. 2013
– Kinetics of silica nanoparticles in the human placenta, Nanotoxicology, juillet 2013
– Nanotoxicology: Nanoparticles versus the placenta, Nature Nanotechnology, mai 2011
– Barrier capacity of human placenta for nanosized materials, Environ Health Perspect., 2010
– Transfer of Quantum Dots from Pregnant Mice to Pups Across the Placental Barrier, Small, 2010
– Effects of prenatal exposure to surface-coated nanosized titanium dioxide (UV-Titan). A study in mice, Particle and Fibre Toxicology, 2010, hémato-encéphalique²²Le passage de nanoparticules dans le cerveau a été mis en évidence pour des nanoparticules de types variés (argent, dioxyde de titane (TiO2), dioxyde de manganèse oxydes de fer, iridium, carbone, polystyrène, etc.)Cf. notamment :
– Can the brain’s gatekeeper fight a nano-attack ?, E/ Valsami-Jones, EUON, septembre 2022 > Nanomaterials shape and form influences their ability to cross the blood brain barrier, University of Birmingham, juillet 2021 (communiqué de presse) ; Biotransformation modulates the penetration of metallic nanomaterials across an artificial blood–brain barrier model, Guo Z et al., PNAS, 118 (28), juillet 2021
– Brain Inflammation, Blood Brain Barrier dysfunction and Neuronal Synaptophysin Decrease after Inhalation Exposure to Titanium Dioxide Nano-aerosol in Aging Rats, Disdier C et al., Scientific reports vol. 7,1 12196, 2017
– Les nanoparticules nuisent-elles au cerveau ?, Bencsik A., Pour la science, n°448, février 2015
– Le cerveau est-il à l’abri d’un impact d’une exposition à des nanomatériaux ?, Anna Bencsik, Biologie aujourd’hui, 208 (2) : 159-165, 2014
– le communiqué de presse : Les nanoparticules de dioxyde de titane altèrent, in vitro, la barrière hémato-encéphalique, CEA, 26 octobre 2011 ; la publication académique correspondante : In vitro evidence of dysregulation of blood-brain barrier function after acute and repeated/long-term exposure to TiO(2) nanoparticles, Brun E, Carrière M, Mabondzo A., Biomaterials, 33(3):886-96, janvier 2012.
Chez l’humain, des chercheurs ont récemment apporté la preuve que des nanoparticules métalliques (magnétite) issues de l’air pollué arrivent jusqu’à notre cerveau, franchissant la barrière spécifique à cet organe, la barrière hémato-encéphalique (sur la base d’analyses d’échantillons de cerveaux de 37 personnes décédées, de tout âge, et résidant toutes dans des villes polluées : Mexico et Manchester)²³Cf. Magnetite pollution nanoparticles in the human brain, Maher BA et al., PNAS, juillet 2016(qui protège normalement le cerveau des agents pathogènes et toxines circulant dans le sang).

Certains nanomatériaux peuvent abîmer²⁴Des chercheur·es de l’Imperial College de Londres ont par exemple mis en évidence que les nanoparticules de taille moyenne (25-35 nm) adhèrent en général à la surface et causent une certaine distorsion, tandis que les petites nanoparticules d’or (5-10 nm) déforment considérablement les membranes cellulaires, les courbant parfois vers l’intérieur avec plusieurs nanoparticules empilées, causant une distorsion tubulaire. Cf. Size determines how nanoparticles affect biological membranes, Dunning, H., Imperial College London, 17 septembre 2020 (communiqué) et Size dependency of gold nanoparticles interacting with model membranes, Contini, C et al., Nature Communications Chemistry, 130, 2020 voire traverser les membranes cellulaires²⁵Voir notamment :
– Size determines how nanoparticles affect biological membranes, Dunning, H., Imperial College London, 17 septembre 2020 (et Size dependency of gold nanoparticles interacting with model membranes, Contini, C et al., Nature Communications Chemistry, 130, 2020)
– Singh, S et al., Endocytosis, oxidative stress and IL-8 expression in human lung epithelial cells upon treatment with fine and ultrafine TiO2: Role of the specific surface area and of surface methylation of the particles, Toxicology and Applied Pharmacology, 222 (2), 141-151, 2007
– Geiser, M et al., Ultrafine Particles Cross Cellular Membranes by Nonphagocytic Mechanisms in Lungs and in Cultured Cells, Environ Health Perspect., 113 (11), 1555-1560, 2005
– Limbach, LK et al., Oxide Nanoparticle Uptake in Human Lung Fibroblasts: Effects of Particle Size, Agglomeration, and Diffusion at Low Concentrations, Environmental Science & Technology, 39 (23), 9370-9376, 2005..

Les nanomatériaux (en particulier les nanoparticules métalliques) peuvent s’accumuler avec le temps :

• dans les ganglions lymphatiques (entraînant leur gonflement chronique)²⁶Voir notamment :
  – Scientists find that nanoparticles from tattoos travel inside the body, ESRF, 12 septembre 2017 (Synchrotron-based ν-XRF mapping and μ-FTIR microscopy enable to look into the fate and effects of tattoo pigments in human skin, Schreiver I et al., Scientific reports, 2017)
  – le communiqué de l’Université de Bradford (Royaume-Uni) et l’article des Amis de la Terre Australie : Des nanoparticules dans les tatouages pourraient causer des cancers (en anglais), 4 novembre 2013
• dans certains organes²⁷Voir par exemple :
  – Remote effects and biodistribution of pulmonary instilled silver nanoparticles in mice, Ferdous Z et al., NanoImpact, 22, avril 2021
  – Kidneys could be ‘dump’ for inhaled cerium dioxide nanoparticles, Chemical Watch, 7 avril 2020 et Organ burden of inhaled nanoceria in a 2-year low-dose exposure study: dump or depot?, Tentschert J et al, Nanotoxicology, 2020
  – Radiotracers for biokinetic studies with titanium nanoparticles, JRC, 13 juin 2017
  – Des chercheurs britanniques ont alerté sur les risques liés au transfert de nanoparticules contenues dans les tatouages vers le sang, les vaisseaux lymphatiques et différents organes. Voir le communiqué de l’Université de Bradford (Royaume-Uni) et l’article des Amis de la Terre Australie : Des nanoparticules dans les tatouages pourraient causer des cancers (en anglais), 4 novembre 2013
  – Une autre étude suggère en plus une accumulation dans le foie, les reins, le coeur et le cerveau (de souris) : Extrapulmonary transport of MWCNT following inhalation exposure, Mercer et al., Particle and Fibre Toxicology, 10:38, août 2013
  – Des chercheurs ont montré que des nanotubes de carbone inhalés par des souris se retrouvent dans la rate et le foie, où ils semblent persister : « Translocation de nanotubes de carbone dans des organes secondaires après exposition pulmonaire chez la souris » in Dossier du participant, Substances chimiques et nanoparticules, ANSES, 2013 et Carbon Nanotube Translocation to Distant Organs after Pulmonary Exposure: Insights from in Situ 14C-Radiolabeling and Tissue Radioimaging, ACS Nano, 8 (6), 5715-5724, 2014
  – Nanotechnologies et nanoparticules dans l’alimentation humaine et animale, Afssa (aujourd’hui ANSES), mars 2009 : le tube digestif, le foie et la rate sont les principaux organes cibles. Après administration par voie orale, des nanoparticules peuvent aussi être retrouvées dans l’estomac, les reins, le foie, les poumons, les testicules, le cerveau et le sang. (tube digestif, foieVoir par exemple :
  – Nanotechnologies et nanoparticules dans l’alimentation humaine et animale, Afssa (aujourd’hui ANSES), mars 2009 : le tube digestif, le foie et la rate sont les principaux organes cibles. Après administration par voie orale, des nanoparticules peuvent aussi être retrouvées dans l’estomac, les reins, le foie, les poumons, les testicules, le cerveau et le sang.
  – Des chercheurs ont montré que des nanotubes de carbone inhalés par des souris se retrouvent dans la rate et le foie, où ils semblent persister : « Translocation de nanotubes de carbone dans des organes secondaires après exposition pulmonaire chez la souris » in Dossier du participant, Substances chimiques et nanoparticules, ANSES, 2013 et Carbon Nanotube Translocation to Distant Organs after Pulmonary Exposure: Insights from in Situ 14C-Radiolabeling and Tissue Radioimaging, ACS Nano, 8 (6), 5715-5724, 2014
  – Une autre étude suggère en plus une accumulation dans le foie, les reins, le coeur et le cerveau (de souris) : Extrapulmonary transport of MWCNT following inhalation exposure, Mercer et al., Particle and Fibre Toxicology, 10:38, août 2013
  – Detection of titanium particles in human liver and spleen and possible health implications, Heringa MB et al, Particle and Fibre Toxicology, 15:15, 2018 : des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) ont été détectées dans le foie et la rate de 15 humains (et non plus seulement sur des rats de laboratoire). Dans la moitié des cas, les niveaux étaient supérieurs à celui jugé sans danger pour le foie. (rate²⁸Voir par exemple :
  – Nanotechnologies et nanoparticules dans l’alimentation humaine et animale, Afssa (aujourd’hui ANSES), mars 2009 : le tube digestif, le foie et la rate sont les principaux organes cibles. Après administration par voie orale, des nanoparticules peuvent aussi être retrouvées dans l’estomac, les reins, le foie, les poumons, les testicules, le cerveau et le sang.
  – Des chercheurs ont montré que des nanotubes de carbone inhalés par des souris se retrouvent dans la rate et le foie, où ils semblent persister : « Translocation de nanotubes de carbone dans des organes secondaires après exposition pulmonaire chez la souris » in Dossier du participant, Substances chimiques et nanoparticules, ANSES, 2013 et Carbon Nanotube Translocation to Distant Organs after Pulmonary Exposure: Insights from in Situ 14C-Radiolabeling and Tissue Radioimaging, ACS Nano, 8 (6), 5715-5724, 2014, estomac, reins, poumons, testicules, coeur, cerveau²⁹Voir par exemple :
  – Dans le cerveau, les nanoparticules peuvent pénétrer dans les cellules de tous types : on en a observé dans les neurones, les astrocytes (qui assurent diverses fonctions importantes, notamment l’apport de nutriments aux neurones) et les cellules microgliales (des cellules immunitaires qui protègent le système nerveux des pathogènes) : cf. Bencsik A, Le cerveau est-il à l’abri d’un impact d’une exposition à des nanomatériaux ?, Biologie Aujourd’hui, 208 (2), 159-165, septembre 2014
  – Nanotechnologies et nanoparticules dans l’alimentation humaine et animale, Afssa (aujourd’hui ANSES), mars 2009 : le tube digestif, le foie et la rate sont les principaux organes cibles. Après administration par voie orale, des nanoparticules peuvent aussi être retrouvées dans l’estomac, les reins, le foie, les poumons, les testicules, le cerveau et le sang.
  – Une autre étude suggère en plus une accumulation dans le foie, les reins, le coeur et le cerveau (de souris) : Extrapulmonary transport of MWCNT following inhalation exposure, Mercer et al., Particle and Fibre Toxicology, 10:38, 2013)
• et même à l’intérieur des cellules³⁰Voir par exemple :
  – Rashid MM et al., Influence of Titanium Dioxide Nanoparticles on Human Health and the Environment, Nanomaterials, 11(9):2354, 2021 : des nanoparticules de TiO₂, d’une taille de 25 nm maximum, ont ainsi été retrouvées dans différents types de cellules humaines : kératinocytes, cellules pulmonaires, lymphocytes, macrophages et hépatocytes.
  – Hussain Baeza-Squiban A, Impacts physiopathologiques des nanoparticules inhalées, Biologie Aujourd’hui, 208 (2), 151-158, septembre 2014 : « les nanoparticules sont le plus souvent présentes dans des vésicules mais quelquefois libres dans le cytoplasme sans que l’on sache toujours si c’est à la suite d’une libération des nanoparticules à partir de vésicules dont la membrane se serait rompue ou d’une entrée par diffusion des nanoparticules. Selon les types cellulaires considérés et les nanoparticules étudiées, les voies d’internalisation des nanoparticules peuvent être très variées, allant de la diffusion passive des mécanismes actifs tels que la phagocytose, la macropinocytose ou l’endocytose dépendante de la clathrine ou de la cavéoline »
  – Bencsik A, Le cerveau est-il à l’abri d’un impact d’une exposition à des nanomatériaux ?, Biologie Aujourd’hui, 208 (2), 159-165, septembre 2014 : dans le cerveau, les nanoparticules peuvent pénétrer dans les cellules de tous types ; on en a trouvé par exemple dans le cytoplasme et dans le noyau des cellules gliales et neuronales.
  – Translocation mechanisms of chemically functionalised carbon nanotubes across plasma membranes, Biomaterials, 33(11) : 3334-43, avril 2012.

Source : Oberdörster 2005, traduit par ANSES 2014

A savoir

• La capacité à franchir les barrières physiologiques, l’affinité des nanomatériaux pour tel ou tel type d’organe ou de cellule, ainsi que leur toxicité sont très variables d’un nanomatériau à un autre car elles dépendent fortement de leurs caractéristiques physico-chimiques.

• Une revue de la littérature scientifique, publiée en juin 2023, propose un état de l’art (en anglais) sur le sujet : Cf. Determinants and mechanisms of inorganic nanoparticle translocation across mammalian biological barriers, Cary C & Stapleton P, Archives of Toxicology, 97, 2023.

• Certains nanomatériaux peuvent être dégradés et/ou éliminés par les urines et les fèces, mais cela ne signifie pas pour autant qu’ils ne posent pas problème : lorsque l’organisme doit se débarrasser de produits chimiques, il met en oeuvre un certain nombre de stratégies de détoxification dont les processus peuvent entraîner une toxicité³¹Une étude sur des foies d’Oryzias Latipes (poisson) a montré des mécanismes de détoxification (induction de métallothionéine, CYP 450, GST, etc.) Cf. Evaluation of the toxic impact of silver nanoparticles on Japanese medaka (Oryzias latipes), Chae et al., Aquat Toxicol., 94(4):320-7, 2009.

• De nombreuses questions très importantes sont encore aujourd’hui non résolues. Comment évaluer les processus d’élimination ou de dégradation des nanoparticules ? Comment identifier les produits de dégradation et leurs effets ? Comment contrôler la persistance des nanoparticules dans les organes ? Quel est le lien entre biopersistance, réactivité, dégradation et toxicité des nanoparticules ? Malgré des progrès en nanométrologie³²Voir par exemple : An analytical workflow for dynamic characterization and quantification of metal-bearing nanomaterials in biological matrices, Monikh FA et al., Nature protocols, 2022, il n’y a pas encore de réponses bien établies à ce jour. La vitesse de dégradation / élimination des nanoparticules in vivo (quelques mois) est beaucoup plus lente que celle observée in vitro (quelques heures ou jours)³³Kolosnjaj-Tabi J et al, Cycle de vie de nanoparticules magnétiques dans l’organisme, Biologie Aujourd’hui, 208 (2), 177-190, septembre 2014.

Combien de temps les nanomatériaux peuvent persister dans l’organisme ? On l’ignore aujourd’hui et la réponse sera différente là encore en fonction du nanomatériau considéré.

Enfin, quels sont les effets sur la santé humaine une fois que les nanomatériaux ou leurs résidus ont pénétré dans nos organes et nos cellules ? Les incertitudes sont encore nombreuses mais les premiers résultats sont assez inquiétants.