Déposition pulmonaire des particules ultrafines

Tel que mentionné précédemment, un travailleur exposé à des substances pouvant être aéroportées présente trois principales voies d’absorption : l’absorption pulmonaire, l’absorption cutanée et l’absorption par ingestion. Les poumons constituent normalement la principale voie d’entrée des poussières dans l’organisme. Mais il est important de comprendre deux aspects complémentaires. Tout d’abord, seule une fraction des poussières inhalées réussira à pénétrer dans le système respiratoire. Ensuite, de cette fraction, une certaine proportion seulement sera déposée et retenue par le système respiratoire alors qu’une autre partie pourra ressortir par l’exhalation, sans avoir été retenue. Par conséquent, seules les poussières ayant été déposées pourront avoir un effet toxique, lequel sera fonction du site de dépôt. Quelle est donc la situation spécifique aux NP?

Il convient, dans un premier temps, d’examiner la situation pour un large éventail de tailles de particules. La figure 4 illustre les courbes normalisées, internationalement reconnues, pour les poussières sphériques de densité unitaire pouvant pénétrer dans les voies pulmonaires (ICRP 1994; Maynard et Kuempel, 2005; Vincent 2005).

Figure 4 : Courbes normalisées pour les dépôts de poussières dans les voies pulmonaires L’inspiration, par le système respiratoire, de poussières aéroportées dépend d’un certain nombre de variables dont la dimension de la particule, la vitesse de déplacement d’air et le taux de ventilation pulmonaire. Pour des vitesses de déplacement d’air de quelques mètres par seconde et moins, la probabilité qu’une particule pénètre l’organisme par la bouche ou le nez (poussières inhalables) est de près de 100 % pour des particules ayant un diamètre aérodynamique de quelques micromètres (μm) ou moins et diminue à près de 50 % pour des particules de l’ordre de

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100 μm. Les particules de moins de 10 μm ont une probabilité de plus de 50 % de franchir la zone thoracique (poussières thoraciques) alors que ces mêmes particules ont une certaine probabilité de rejoindre les alvéoles pulmonaires où se fait l’échange gazeux (particules respirables). Cette probabilité est de l’ordre de 50 % pour des particules de moins de 4 μm, soit 4 000 nm.

En revanche, cette courbe théorique n’est pas nécessairement la même pour tous. En effet, plusieurs facteurs peuvent modifier la structure et le fonctionnement des voies respiratoires dont la charge de travail, le sexe, l’âge, le tabagisme et les maladies respiratoires, avec des conséquences autant sur le dépôt pulmonaire que sur la clairance des particules. Le modèle présenté ici est donc basé sur les paramètres d’une population de référence en santé réalisant une charge de travail équivalente, en position assise au tiers de son temps et exécutant des travaux légers pour l’autre deux tiers.

Tel que mentionné ci-dessus, une fois pénétrée dans le système respiratoire, une fraction des poussières s’y déposera et une autre fraction ne sera pas retenue et ressortira des poumons. Le dépôt de poussières inhalées est fonction de quatre principaux mécanismes qui agissent de façon différente en fonction des diamètres des particules (ICRP 1994; Maynard et Kuempel, 2005) :

♦ La diffusion est due au mouvement aléatoire (mouvement brownien) et a une très forte influence sur les petites particules les amenant à frapper une paroi étant donné qu’elles se déplacent de façon aléatoire mais plus rapidement que le courant d’air. Ce mécanisme est plus important pour les particules plus petites circulant dans un courant d’air à vitesse peu élevée;

♦ La sédimentation agit sur la particule par la force de la gravité où la particule ne peut plus rester suspendue dans le courant d’air car elle est trop lourde pour être soutenue par une vitesse de courant d’air devenue trop lente;

♦ L’interception se produit lorsqu’une particule passe à proximité d’une paroi, à une distance de l’ordre de son diamètre. Elle touche une voie respiratoire à laquelle elle adhère, ce qui conduit à son dépôt;

♦ L’impaction inertielle se produit lorsque la masse de la particule devient trop importante pour suivre la variation brutale du flux d’air. Elle entre alors en collision avec une paroi.

C’est le mécanisme prédominant pour les particules les plus grosses.

La figure 5, tirée de Witschger et Fabriès (2005) et reproduite avec l’autorisation de l’Institut National de Recherche Scientifique en France (INRS), illustre le taux de déposition dans les différentes régions pulmonaires en fonction de la grosseur des particules. On doit réaliser, en revanche, que les NP individuelles peuvent s’agglomérer dans l’air et que le site de dépôt pulmonaire sera fonction du diamètre aérodynamique de la particule agglomérée. Cette figure illustre clairement qu’aucune particule de 1 nm de diamètre aérodynamique, soit 0,001 micromètre, n’atteint les alvéoles alors que 80 % se déposent au niveau du nez et du pharynx, les autres 20 % se situant dans la région de la trachée et des bronches. À cette dimension, la rétention des NP inhalées est de près de 100 %.

Figure 5 : Prédiction du dépôt total et régional des particules dans les voies respiratoires en fonction de la taille des particules

En accroissant la dimension des particules à 5 nm (ligne verticale la plus à gauche), 90 % de l’ensemble des particules inhalées sont retenues dans le poumon et celles-ci se déposent alors de façon relativement uniforme dans les trois régions. L’absorption pulmonaire totale de particules de 20 nm (seconde ligne verticale, plus à droite) diminue à 80 %. Mais plus de 50 % des particules de l’ordre de 15-20 nm se déposent au niveau des alvéoles. Par conséquent, cela signifie que 20 % des particules inhalées qui pénètrent dans le poumon ressortent de celui-ci lorsque l’on exhale. La granulométrie des particules a donc un impact majeur sur le site de dépôt pulmonaire et sur la quantité de particules qui se déposent dans les poumons (ICRP, 1994;

Witschger et Fabriès 2005 ; Oberdörster 2005b). La fraction de particules déposées est plus élevée lors d’exercice (Jaques et Kim, 2000; Daigle et coll., 2003) et parmi les individus souffrant d’asthme ou de maladies pulmonaires obstructives chroniques (Brown et coll., 2002b, Chalupa et coll., 2004).

Compte tenu des différences importantes de surface de chacune des trois régions pulmonaires, même si la masse de PUF de 20 nm qui se déposent dans la région alvéolaire représente plus de 50 % du total, la concentration de particules déposées, par unité de surface dans le poumon, sera plus de 100 fois supérieure dans la région nasale et plus de 10 fois supérieure dans la région de la trachée et des bronches (Oberdörster, 2005b). Le dépôt des particules dans les régions extra-thoraciques et trachéo-bronchiques peut jouer un rôle important dans le développement de certaines maladies pulmonaires dont l’asthme ou les broncho-pneumopathies chroniques obstructives (ISO, 2007). Ces différences au plan de la distribution des particules dans les poumons pourraient donc avoir des conséquences importantes sur les effets sur la santé des PUF inhalées et sur les mécanismes d’élimination impliqués (Schiller et coll., 1988 ; Kim et Jaques, 2000 ; Jaques et Kim, 2000 ; Daigle et coll., 2003 ; Oberdörster, 2005a, 2005b ; Zhang et coll., 2005).

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6.2.2 L’élimination des poussières déposées dans les poumons