Caractéristiques des particules atmosphériques

Caractéristiques des particules atmosphériques

Un certain nombre de caractéristiques peuvent influencer la toxicité des PM telles que leur taille, leur forme, leur charge, leur composition chimique ou leur structure. Il est donc plus complexe de faire le lien entre caractéristiques physicochimiques et propriétés toxicologiques dans le cas des PM, d’autant que ces caractéristiques sont elles-mêmes influencées par l’environnement et les conditions météorologiques [7]. Par conséquent, il est indispensable d’allier la caractérisation physicochimique des PM aux études toxicologiques pour étudier leurs mécanismes d’action toxique. Cela induit une nécessité d’approche pluridisciplinaire alliant la physique, la chimie, et la toxicologie. Historiquement, un seul type de particule était considéré. Les concentrations en PM, ou « total suspended particles (TSP) » étaient mesurées via la masse de particules collectées sur un filtre, divisée par le volume d’air analysé. Dans les années 1980, les premières études de dépôt et de clairance respiratoire des particules suggéraient que les particules les plus fines devaient être responsables pour une majeure partie des conséquences sanitaires recensées. Les particules inhalables ont été définies comme celles ayant un DAE inférieur à 10 µm (PM10) [7].

Distribution granulométrique

L’ensemble des particules en suspension dans l’air comprend plusieurs sous classes de particules regroupées selon leurs tailles. Par convention, les fractions de particules atmosphériques sont notées « PMx », avec « x » correspondant au DAE maximum de la fraction décrite (Figure 2).

Les PM10 sont les particules de DAE <10 µm. En dessous de ce diamètre, elles sont considérées comme inhalables. Les PM10 peuvent migrer dans l’appareil respiratoire et constituent de ce fait un standard pour les mesures de qualité de l’air. Du fait des technologies nécessaires pour détecter et échantillonner les particules plus fines, la fraction des PM10 a longtemps été la seule considérée dans les normes de qualité de l’air définies par l’OMS et les directives européennes. Au-delà de ce diamètre, la durée de vie des particules dans l’air est réduite car celles-ci sédimentent plus rapidement. La fraction de particules de DAE compris entre 10 µm et 2,5 µm (PM10-2.5) est qualifiée de fraction grossière par opposition à la fraction fine (PM2.5).

Les PM2.5, ou Particules Fines (PF), sont les particules de DAE <2,5 µm. Ces particules peuvent se déposer dans le parenchyme pulmonaire après inhalation et séjourner dans l’appareil respiratoire durant de longues périodes [9]. En 2000, une méta-analyse regroupant plusieurs études épidémiologiques a montré que la corrélation entre les concentrations en PM10 et la mortalité était plus forte dans les zones présentant un ratio PM2.5/PM10 plus important [10]. La mesure des concentrations en PM2.5 a été intégrée dans les normes de qualité de l’air en 2008 (Article R221-1 du code de d’environnement).

Les PM0.1, ou Particules Ultrafines (PUF) sont les particules de DAE <0,1 µm (100 nm). Leur taille nanométrique leur confère de nouvelles propriétés, dont l’augmentation de leur réactivité chimique, principalement liée à l’accroissement de leur surface spécifique. La surface spécifique est l’expression de la surface totale d’un aérosol, ou d’une particule prise individuellement, par rapport à son volume ou sa masse. Ainsi, la proportion des molécules à la surface d’une particule, de même que la proportion de surface disponible pour interagir avec les tissus biologiques, croît exponentiellement avec la diminution du diamètre [11] (Figure 3). Les molécules de surface étant déterminantes dans le comportement de la matière, la grande surface spécifique des nanomatériaux découple leur réactivité chimique .

Ces propriétés sont aujourd’hui largement utilisées dans le milieu industriel, où les nanoparticules (NP) manufacturées sont employées en tant que catalyseurs dans les réactions chimiques. Les NP, contrairement aux PUF, ont une nature chimique bien définie (e.g. dioxyde de titane (TiO2), or (Au), oxyde de zinc (ZnO), argent (Ag)) en lien avec leurs applications. Depuis les années 90, elles ont été intégrées dans plusieurs produits de la vie courante. Par exemple, les NP d’Ag sont utilisées dans les textiles anti-odeurs pour leurs propriétés bactéricides découplées à l’échelle nanométrique, les NP de TiO2 sont utilisées dans les crèmes solaires pour leur propriétés anti-UV sans laisser de traces blanches. L’étude de la toxicité des NP a ouvert le champ de la nanotoxicologie, et certaines observations peuvent offrir une opportunité pour faciliter la compréhension des mécanismes d’action toxique des PUF [11,12]. De la même façon que l’étude de la fraction fine des PM10 (PM2.5) a nécessité une avancée technologique, il a fallu un certain temps pour pouvoir échantillonner des PUF, ce qui explique que les études toxicologiques utilisant des expositions contrôlées aux PUF soient récentes et moins nombreuses. Pour cette même raison, les PUF ne figurent pas dans les normes de qualité de l’air, bien qu’elles soient potentiellement responsables d’une large part des effets toxiques attribués aux PM. Alors qu’elles représentent une part négligeable de la masse totale des PM dans l’atmosphère, les PUF peuvent représenter plus de 80% du nombre de particules [13,14].

Composition chimique

La composition chimique des aérosols est un autre déterminant de leurs propriétés toxicocinétiques et toxicodynamiques. Elle est notamment en lien avec leur bioaccessibilité, leur distribution et leur persistance dans l’organisme, mais aussi avec les propriétés toxicologiques intrinsèques des particules telles que leur potentiel oxydant, allergisant ou cancérigène. En milieu urbain, les PM sont principalement composés d’espèces carbonées, provenant d’activités anthropiques telles que le trafic routier, l’industrie et la combustion de biomasse [15]. Le carbone est présent sous forme élémentaire et sous forme organique, associé à l’ensemble des molécules adsorbées sur le carbone élémentaire.

Le carbone élémentaire, qui provient des processus de combustion incomplète, est apparenté à du graphite pur et forme le cœur des particules issues de la combustion (Figure 4). La fraction organique provient également des processus de combustion et des composés atmosphériques qui s’adsorbent sur les particules déjà formées. Dans cette fraction organique, les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) (e.g. benzo[a]pyrène, naphtalène, fluoranthène) sont des composés cancérigènes retrouvés systématiquement en milieu urbain [15], [16]. Des espèces ioniques, principalement des sulfates (SO4 2- ), des nitrates (NO3- ) et de l’ammonium (NH4+), sont aussi retrouvées en proportion importante dans la composition des PM sous la forme de sels (sulfate d’ammonium, nitrate d’ammonium). Ces composés appelés « aérosols inorganiques secondaires » (AIS) sont issus de la condensation de gaz atmosphériques précurseurs (ammoniac (NH3), oxydes d’azote (NOx) et oxydes de soufre (SOx)) en particules. Une récente étude a montré que les espèces secondaires, nouvellement formées dans l’atmosphère pouvaient contribuer d’avantage à la masse des PM que les composés primaires lors d’épisodes de pollutions importants [17]. Les PM contiennent aussi divers minéraux issus du sol, de l’érosion des roches ou des constructions (e.g. Ca, Si, Al) en moindre quantité, ainsi que des éléments traces métalliques (e.g. Pb, Fe, Cr, Ni, Cd, As, Zn), pouvant provenir de la croute terrestre, de la combustion, et d’autres sources liées au trafic de véhicules (e.g. freinage). Enfin, une partie de la masse des PM est constituée d’espèces biologiques (e.g. bactéries, virus, champignons, pollens) entières ou fragmentées, adsorbées sur les particules. De ce fait, les PM sont des vecteurs pour le transport d’autres substances, notamment d’endotoxines ou de fragments d’allergènes et peuvent accentuer leur pénétration respiratoire. Par exemple, un grain de pollen (> 10 µm) est habituellement retenu au niveau des voies respiratoires supérieures après inhalation, tandis que les fragments de pollens adsorbés sur les PM2.5 peuvent atteindre les voies respiratoires inférieures [18]. La composition chimique des PM étant liée à la proximité avec les sources de pollution et au climat, la part de chaque élément entrant dans la composition des PM est variable d’un environnement à un autre (Figure 5).

Sources d’émission

Les PM ont une composition chimique variable et hétérogène résultante de diverses sources de pollution. Ces sources peuvent être diffuses ou périodiques, fixes ou mobiles, primaires ou secondaires. Pour cette raison, la contribution relative de chaque source à la composition chimique des PM est un champ d’étude complexe. Les physiciens de l’atmosphère utilisent des modèles statistiques de « source apportionment » à l’échelle locale, souvent à l’échelle d’une ville pour reconstruire l’origine de la pollution. Différentes méthodes existent en fonction des moyens et du type de données disponibles (direction du vent, inventaire des émissions, composition chimique de l’air mesurée à différents points, …) [20]. Bien que les résultats varient en fonction des modèles et des traceurs utilisés, les tendances convergent à l’échelle globale sur l’identification des sources de PM. Les méta analyses s’accordent généralement sur les types de sources principales [19–24]. Une méta-analyse de différents résultats de « source apportionment », publiés en Europe a identifié 6 types de sources principales [24].

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Table des matières

INTRODUCTION
Valorisation scientifique
Généralités
1. Définitions
2. Historique
Introduction
1. Caractéristiques des particules atmosphériques
1.1. Distribution granulométrique
1.2. Composition chimique
1.3. Sources d’émission
1.4. Règlementation et normes de qualités de l’air
2. L’épithélium respiratoire
2.1. Histologie de l’épithélium bronchique
2.2. L’immunité innée et l’inflammation aiguë
2.3. L’immunité adaptative médiée par les lymphocytes
2.4. Résolution de l’inflammation
2.5. Régénération de l’épithélium
3. Les bronchopneumopathies chroniques : asthme et BPCO
3.1. L’asthme
3.1.1. Définition et causes
3.1.2. Physiopathologie
3.2. La bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO)
3.2.1. Définition et causes
3.2.2. Physiopathologie
3.3. Asthme et BPCO : deux pathologies inflammatoires chroniques différentes
3.4. Dysfonction mitochondriale et bronchopneumopathies chroniques (BPC)
3.4.1. Fonction mitochondriale et stress oxydant
3.4.2. Dynamique mitochondriale
4. Toxicité respiratoire des PM
4.1. Etudes épidémiologiques
4.1.1. Mortalité
4.1.2. Morbidité respiratoire
4.2. Etudes Toxicologiques
4.2.1. Les modèles utilisés en toxicologie des voies respiratoires
4.2.2. Toxicocinétique
4.2.3. Mécanismes d’action toxique
Problématique et objectifs du projet de thèse
Matériels et Méthodes
1. Prélèvement et échantillonnage des particules
2. Caractérisation physico-chimique des particules
2.1. Distribution granulométrique et potentiel zêta
2.2. Analyse élémentaire par spectrométrie photoélectronique X
2.3. Analyse des métaux et métalloïdes par spectrométrie de masse
2.4. Analyse des HAP par chromatographie liquide à haute performance
3. Etude des mécanismes de toxicité sur cellules primaires
3.1. Culture primaire et caractérisation de la différenciation cellulaire
3.1.1. Culture
3.1.2. Observation en microscopie électronique
3.1.3. Marquages immuno-fluorescents
3.2. Exposition des modèles cellulaires aux particules
3.3. Cytotoxicité
3.3.1. Dosage de l’ATP intracellulaire
3.3.2. Dosage de la G6PD extracellulaire
3.4. Quantification des cytokines dans le milieu de culture
3.5. Acétylation des histones
3.5.1. Dosage des histones acétylés
3.5.2. Activité histone acétyltransférase et histone désacétylase
3.6. Génotoxicité
3.6.1. Test des comètes
3.6.2. Test des micronoyaux
3.7. Analyse pangénomique
3.8. Analyses statistiques
4. Caractérisation de la fonction mitochondriale
4.1. Culture des cellules BEAS-2B
4.2. Exposition des cellules BEAS-2B
4.3. Cytotoxicité et apoptose
4.4. ATP intracellulaire
4.5. Respiration mitochondriale
4.6. Potentiel de membrane mitochondriale
4.7. Stress oxydant mitochondrial
4.8. Réponse anti-oxydante
4.9. Dynamique mitochondriale
4.10. Analyses statistiques
Résultats et Discussions
1. Analyses sur cellules primaires
1.1. Caractérisation des modèles in vitro
1.2. Cytotoxicité
1.2.1. Concentration d’ATP intracellulaire
1.2.2. G6PD extracellulaire
1.3. Sécrétion de médiateurs inflammatoires
1.4. Acétylation des histones
1.5. Génotoxicité
1.6. Profils d’expression génique
1.7. Discussion
2. Caractérisation de la fonction et de la dynamique mitochondriale
2.1. Cytotoxicité et apoptose
2.2. Potentiel de membrane mitochondrial
2.3. Production d’ATP
2.4. Respiration mitochondriale
2.5. Masse mitochondriale
2.6. Production d’anion superoxyde
2.7. Réponse antioxydante
2.8. Dynamique mitochondriale
2.9. Discussion
CONCLUSION

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