Toxicité des nanoparticules de la famille du graphène

En raison de leurs propriétés physico-chimiques uniques, les nanomatériaux de la famille du graphène (GFN) sont largement utilisés dans de nombreux domaines, notamment dans les applications biomédicales. Actuellement, de nombreuses études ont examiné la biocompatibilité et la toxicité des nanomatériaux de la famille du graphène in vivo et in vitro.  En général, les GFNs peuvent exercer différents degrés de toxicité chez les animaux ou les modèles cellulaires en suivant différentes voies d'administration et en pénétrant à travers les barrières physiologiques, puis en étant distribués dans les tissus ou localisés dans les cellules, pour finalement être excrétés hors du corps.

Cette revue rassemble des études sur les effets toxiques des GFN dans plusieurs organes et modèles cellulaires. Nous soulignons également que divers facteurs déterminent la toxicité des GFN, notamment la taille latérale, la structure de surface, la fonctionnalisation, la charge, les impuretés, les agrégations et l'effet corona. En outre, plusieurs mécanismes typiques sous-tendant la toxicité des GFN ont été révélés, par exemple, la destruction physique, le stress oxydatif, les dommages à l'ADN, la réponse inflammatoire, l'apoptose, l'autophagie et la nécrose dans ces mécanismes, les récepteurs TLR (toll-like receptors), le facteur de croissance transformant β (TGF-β) et le facteur de nécrose tumorale-alpha (TNF-α) dépendent des récepteurs TLR (TNF-α) sont impliquées dans le réseau de voies de signalisation, et le stress oxydatif joue un rôle crucial dans ces voies.

Dans cette revue, nous résumons les informations disponibles sur les facteurs de régulation et les mécanismes de toxicité des GFNs, et nous proposons quelques défis et suggestions pour de futures investigations sur les GFNs, dans le but de compléter les mécanismes toxicologiques, et de fournir des suggestions pour améliorer la sécurité biologique des GFNs et faciliter leur large application.

L’exposition professionnelle aux GFNs a une toxicité potentielle pour les travailleurs et les chercheurs [27-29].  Les GFN peuvent être introduits dans le corps par instillation intratrachéale [30], administration orale [31], injection intraveineuse [32], injection intrapéritonéale [33] et injection sous-cutanée [34].  Les NGF peuvent induire des lésions aiguës et chroniques dans les tissus en traversant la barrière sang-air, la barrière sang-testicule, la barrière sang-cerveau, la barrière sang-placenta, etc. et en s'accumulant dans les poumons, le foie et la rate, etc. Par exemple, certains aérosols de nanomatériaux de graphène peuvent être inhalés et se déposer de manière substantielle dans les voies respiratoires, et ils peuvent facilement pénétrer dans les voies respiratoires trachéobronchiques puis transiter vers les voies respiratoires inférieures des poumons, entraînant la formation subséquente de granulomes, de fibroses pulmonaires et d'effets néfastes sur la santé des personnes exposées [2, 29]. Plusieurs études ont souligné les propriétés uniques [35, 36] et résumé les dernières applications biologiques potentielles des NGF pour l'administration de médicaments, l'administration de gènes, les biocapteurs, l'ingénierie tissulaire et la neurochirurgie [37-39] ; elles ont évalué la biocompatibilité des NGF dans les cellules (bactériennes, mammifères et végétales) [7, 40, 41] et les animaux (souris et poisson zèbre) [42] ; elles ont collecté des informations sur l'influence des NGF dans le sol et l'eau [43].  Bien que ces revues aient discuté des profils de sécurité et de la nanotoxicologie des nanofibres de carbone, les conclusions spécifiques et les mécanismes détaillés de la toxicité étaient insuffisants, et les mécanismes de la toxicité n'étaient pas résumés complètement. Les mécanismes toxicologiques des NGF démontrés dans les études récentes contiennent principalement la réponse inflammatoire, les dommages à l'ADN, l'apoptose, l'autophagie et la nécrose, etc., et ces mécanismes peuvent être rassemblés pour explorer davantage le réseau complexe de voies de signalisation régulant la toxicité des NGF. Il faut souligner que plusieurs facteurs influencent largement la toxicité des NGF, tels que la concentration, la dimension latérale, la structure de surface et la fonctionnalisation, etc. Cette revue présente un résumé complet des informations disponibles sur les mécanismes et les facteurs régulateurs de la toxicité des GFNs in vitro et in vivo via différentes méthodes expérimentales, dans le but de fournir des suggestions pour des études ultérieures sur les GFNs et de compléter les mécanismes toxicologiques afin d'améliorer la sécurité biologique des GFNs et de faciliter leur large application.

Toxicité des GFNs (in vivo et in vitro)

Les GFNs pénètrent à travers les barrières physiologiques ou les structures cellulaires par différents moyens d'exposition ou voies d'administration et pénètrent dans le corps ou les cellules, entraînant finalement une toxicité in vivo et in vitro. Les différentes voies d'administration et d'entrée, les différentes distributions et excrétions tissulaires, et même les différents schémas et emplacements d'absorption cellulaire, peuvent déterminer le degré de toxicité des NGF [1].
Il peut donc être utile de les clarifier pour mieux comprendre les lois de l'apparition et du développement de la toxicité des GFN.

Voie d'administration

Les voies d'administration courantes dans les modèles animaux comprennent l'exposition des voies respiratoires (insufflation intranasale, instillation intratrachéale et inhalation), l'administration orale, l'injection intraveineuse, l'injection intrapéritonéale et l'injection sous-cutanée. La principale voie d'exposition aux GFN dans l'environnement de travail est l'exposition des voies respiratoires, c'est pourquoi l'inhalation et l'instillation intratrachéale sont principalement utilisées chez la souris pour simuler l'exposition humaine aux GFN. Bien que la méthode d'inhalation fournisse la simulation la plus réaliste de l'exposition dans la vie réelle, l'instillation est une méthode plus efficace et plus rapide, et on a constaté que les GFNs causaient une période d'inflammation plus longue en utilisant l'instillation (instillation intratrachéale, installation intrapleurale et aspiration pharyngée) que l'inhalation [24, 30, 47, 48]. On a constaté que les GFN se déposaient dans les poumons et s'accumulaient à un niveau élevé, qui restait pendant plus de 3 mois dans les poumons avec une élimination lente après instillation intratrachéale [49]. L'injection intraveineuse est également largement utilisée pour évaluer la toxicité des nanomatériaux de graphène, et le graphène circule dans le corps des souris en 30 minutes, s'accumulant à une concentration de travail dans le foie et la vessie [32, 50-52].  Cependant, les dérivés du GO ont une adsorption intestinale plutôt limitée et sont rapidement excrétés chez les souris adultes après administration orale [31, 53].  Le GO de taille nanométrique (350 nm) a provoqué l'infiltration de moins de cellules mononucléaires dans le tissu adipeux sous-cutané après injection sous-cutanée dans la région du cou que le GO de taille micrométrique (2 micromètre) [34]. Le GO s'est aggloméré près du site d'injection après injection intra-péritonéale, et de nombreux agrégats plus petits se sont déposés à proximité de la séreuse du foie et de la rate [31, 33]. Les expériences sur le contact avec la peau ou la perméabilité de la peau des GFN n'ont pas été trouvées dans les articles examinés ici, et il n'y a pas assez de preuves disponibles pour conclure que le graphène peut pénétrer la peau intacte ou les lésions cutanées. La voie des gouttes nasales, qui a été largement utilisée pour tester la neurotoxicité ou les lésions cérébrales potentielles d'autres nanomatériaux, n'a pas été mentionnée dans les articles examinés ici.

Voies d'entrée des GFNs

Après avoir pénétré dans le corps, les NGF atteignent divers endroits par la circulation sanguine ou les barrières biologiques, ce qui entraîne des degrés de rétention variables dans les différents organes.  En raison de leur taille nanométrique, les NGF peuvent atteindre des organes plus profonds en traversant les barrières physiologiques normales, telles que la barrière sang-air, la barrière sang-testicule, la barrière sang-cerveau et la barrière sang-placentaire. 

Barrière sang-air

Les poumons sont une entrée potentielle pour les nanoparticules de graphène dans le corps humain par les voies aériennes.  Les nanoparticules de GO inhalées peuvent détruire l'ultrastructure et les propriétés biophysiques du film de surfactant pulmonaire (PS), qui est la première ligne de défense de l'hôte, et faire émerger leur toxicité potentielle [54].  Les particules agglomérées ou dispersées se déposent sur la surface alvéolaire interne à l'intérieur des alvéoles et sont ensuite englouties par les macrophages alvéolaires (AMs) [55]. La clairance dans les poumons est facilitée par l'escalator mucociliaire, les AMs ou la couche épithéliale [56-58].  Cependant, certains petits nanoparticules inhalés infiltrent la barrière épithéliale pulmonaire intacte et peuvent ensuite pénétrer transitoirement dans l'épithélium alvéolaire ou l'interstitium [59, 60].  Le graphène instillé par voie intratrachéale peut se redistribuer vers le foie et la rate en traversant la barrière air-sang [61]. L'étude de la barrière air-sang peut attirer une attention particulière, car les chercheurs et les travailleurs sont exposés professionnellement aux nanofibres de carbone par inhalation.   La clarification du rôle de la barrière air-sang dans la toxicité des nanoparticules de synthèse pourrait devenir un sujet de recherche brûlant.

Barrière hémato-encéphalique

L'agencement complexe de la barrière hémato-encéphalique, composée d'un grand nombre de récepteurs membranaires et de transporteurs hautement sélectifs, n'exerce qu'une influence subtile sur la circulation sanguine et le microenvironnement cérébral par rapport à l'endothélium vasculaire périphérique [62]. La recherche sur le mécanisme de la barrière hémato-encéphalique a fait des progrès en ce qui concerne les maladies et la nanotoxicité. L'imagerie par spectrométrie de masse (MSI) avec désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI) a révélé que le rGO, d'un diamètre moyen de 342 ± 23,5 nm, pénètre par la voie paracellulaire dans la fente inter-endothéliale de manière dépendante du temps en diminuant l'étanchéité paracellulaire de la barrière hémato-encéphalique [63]. En outre, les points quantiques de graphène (GQD), dont la taille est inférieure à 100 nm, peuvent traverser la barrière hémato-encéphalique [64].  Les études sur la façon dont les matériaux en graphène traversent la barrière hémato-encéphalique et provoquent une neurotoxicité sont très rares, et davantage de données sont nécessaires pour tirer une conclusion.

Barrière sang-testicule

Les barrières sang-testicule et sang-épididyme sont bien connues pour être parmi les barrières sang-tissu les plus étanches du corps des mammifères [65].  Des particules de GO d'un diamètre de 54,9 ± 23,1 nm ont eu des difficultés à pénétrer les barrières sang-testicule et sang-épididyme après injection intra-abdominale, et la qualité des spermatozoïdes des souris n'a pas été manifestement affectée même à la dose de 300 mg/kg [66].
 
Barrière sang-placenta

La barrière placentaire est indispensable au maintien de la grossesse, car elle assure l'échange de nutriments et de déchets métaboliques, exerce des fonctions métaboliques vitales et sécrète des hormones [67].  Une étude récente a suggéré que le placenta ne constitue pas une barrière étanche contre le transfert de nanoparticules aux fœtus, en particulier contre la distribution de nanoparticules carbonées vers et dans le fœtus [42]. Il a été suggéré que le rGO et les particules d'or (diamètre de 13 nm) sont à peine présents ou sont absents dans le placenta et le fœtus en fin de gestation après une injection intraveineuse [44, 68]. Cependant, d'autres rapports ont montré que le transfert transplacentaire se produit à la fin de la gestation [69, 70]. Une grande attention a été portée à la toxicité des nanomatériaux sur le développement, et des rapports ont montré que de nombreuses nanoparticules traversaient la barrière placentaire et influençaient fortement le développement des embryons [71-75].  Mais les études sur l'exposition aux matériaux de graphène à travers la barrière placentaire sont insuffisantes, et la façon dont ces particules sont transférées aux embryons devrait être évaluée en détail à l'avenir.
Ces quatre barrières ont été les plus fréquemment mentionnées dans la littérature, et d'autres barrières n'ont pas été évaluées dans des études récentes, comme les barrières cutanées, qui n'ont été mentionnées dans aucune des centaines d'études de toxicité des GFNs recherchées.  De plus, le mécanisme par lequel les GFNs traversent ces barrières n'est pas bien compris, et des investigations plus systématiques sont nécessaires de toute urgence.

Distribution et excrétion des GFNs dans les tissus

L'absorption, la distribution et l'excrétion des nanoparticules de graphène peuvent être affectées par différents facteurs dont les voies d'administration, les propriétés physico-chimiques, l'agglomération des particules et le revêtement de surface des NGF. Les différentes voies d'administration influencent la distribution des GFNs, par exemple, le FLG instillé par voie intratrachéale passant à travers la barrière air-sang s'est principalement accumulé et a été retenu dans les poumons, avec 47 % restant après 4 semaines [61]. Le GO administré par voie intraveineuse est entré dans le corps par la circulation sanguine et a été fortement retenu dans les poumons, le foie, la rate et la moelle osseuse, et une infiltration de cellules inflammatoires, la formation de granulomes et un œdème pulmonaire ont été observés dans les poumons de souris après l'injection intraveineuse de 10 mg kg/poids corporel de GO [49].  De même, une forte accumulation de dérivés de GO PEGylés a été observée dans le système réticulo-endothélial (RES), y compris le foie et la rate, après injection intrapéritonéale.  En revanche, le GO-PEG et le FLG n'ont pas montré d'absorption détectable dans le tractus gastro-intestinal ou dans les tissus après administration orale ou une absorption tissulaire détectable par administration orale [31].
Les différentes propriétés des GFN, telles que leur taille, leur dose et leurs groupes fonctionnels, conduisent toujours à des résultats incohérents dans les profils de distribution des graphènes. Par exemple, Zhang et al. ont trouvé que le GO était principalement piégé dans les poumons de souris [49] ; cependant, Li et al. ont observé que le GO s'accumulait dans le foie de souris [76].  Notamment, les petites feuilles de GO, avec des diamètres de 10-30 nm, étaient principalement distribuées dans le foie et la rate, alors que les feuilles de GO plus grandes (10-800 nm) s'accumulaient principalement dans les poumons [49, 52,
77].

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