CHAPITRE V : DES EXPOSITIONS AUX DOSES D’AEROSOLS DEPOSES DANS
V.1. Description de la méthodologie de calcul
Une description détaillée des équations utilisées dans le modèle se trouve dans l’article décrit au paragraphe V.3. Mon travail, a consisté dans un premier temps, à traduire le code du programme de base écrit avec un langage informatique ancien (Pascal) en un langage plus récent (Fortran 90) et plus accessible. Il a fallu également ajouter des équations permettant de calculer les doses mesurées connaissant les concentrations (expositions). Dans un second temps, un énorme travail de recherche de paramètres pertinents et/ou d’estimation de ces paramètres (physiologiques et respiratoires) pour les populations ouest africaines a été mené. J’ai par la suite effectué des tests de sensibilité en vue d’étudier l’impact de la variation de certains paramètres clés (volume tidal VT, capacité résiduelle fonctionnelle FRC and flux
respiratoire Q) d’entrée sur les résultats fournis par le modèle. Le Tableau V-1montre l’effet d’une variation de +30% du VT, de la FRC et de Q sur le dépôt des particules dans les divers
compartiments du système respiratoire chez l’homme adulte ouest africain respirant par le nez et en activité modérée. Le volume d’air couramment respiré ou VT semble être déterminant
dans le calcul de la fraction d’aérosol déposé dans les poumons, de même que le flux d’air respiré Q. On observe qu’une augmentation du VT de 30% contribue à une augmentation du
dépôt total d’une valeur moyenne de 15%. En revanche, cette augmentation est de 17% au niveau des alvéoles. On note cependant que ces variations sont plus importantes pour les particules de petites tailles (diamètre thermodynamique en dessous de 0,1 µm). En effet, pour ces particules nanométriques les processus de dépôt sont liés aux mouvements aléatoires des particules (diffusion) (Heyder, 2004). L’ensemble de ces tests a permis de constater qu’une augmentation du volume tidal à flux respiratoire constant favorise la pénétration des fines particules jusque dans les alvéoles et donc une hausse de la fraction déposée.
J’ai par la suite appliqué à DEPCLUNG des concentrations de particules mesurées à Bamako (BK1 cas d’un épisode de poussière et BK2 après passage de cet événement) et à Dakar (DK) afin d’estimer l’exposition des populations, ainsi que les doses dans les cinq compartiments de l’appareil respiratoire.
Tableau V-1 : Effet de la variation de +30% du volume tidal (VT), de la capacité résiduelle fonctionnelle
(FRC) et du flux respiratoire (Q) sur le dépôt dans les divers compartiments de l’appareil respiratoire. Cas de l’homme o est africain respirant par le ne et effect ant n exercice modéré.
Homme adulte SE VT-VT* FRC-FRC* Q-Q* ET1 1 0 0 BB 2 1 3 bb 1 1 4 Al 17 2 12 Total 15 1 8
SE : erreur standard (%), * Valeur de référence
V.2. Présentation des principaux résultats
Les résultats discutés dans l’
Article (A4)
en fin de ce chapitre intitulé «Estimation of aerosol particle deposition in the human respiratory tract of West African populations» s’articulent autour de trois points: L’estimation de la fraction déposée en fonction du diamètre des particules dans l’appareil respiratoire des populations ouest africaines montre globalement un dépôt faible dans la gamme de taille entre 0,1 et 1 µm (Figure V-1). Ce phénomène n’est pas surprenant, puisque déjà observé chez d’autres populations, avec d’autres modèles. D’une part, il est lié au fait que les particules de ces tailles sont trop grosses pour que le mécanisme de diffusion soit important et trop petites pour que l’impaction et la sédimentation aient un effet. D’autre part, on peut aussi l’attribuer à la difficulté des modèles à bien représenter les mécanismes entrant en jeu dans cette gamme de tailles de particules (0.1-1 µm) intermédiaires. La figure indique également que les particules de taille comprise entre 0,01 et 0,1 µm se déposent majoritairement dans la région alvéolaire, tandis que celles de diamètre inférieur à 0,01 µm se retrouvent principalement dans les régions extra-thoraciques (ET) et trachéo-bronchiques (BB, bb). Ceci est lié à un mécanisme de diffusion plus important à ces tailles d’aérosols. Par contre, précisons que les particules de grosses tailles (> à 2,5 µm) ont un maximum de dépôt dans ET, suggérant un processus de sédimentation et d’impaction dominant. Il est intéressant de souligner que le dépôt régional est identique chez les hommes et les femmes, un peu différent chez les enfants.
La comparaison entre le dépôt chez populations ouest africaines et caucasiennes présente des résultats similaires, sauf chez les enfants de 10 ans pour qui on note un écart maximal d’environ 26% en ce qui concerne le dépôt dans les alvéoles. Ceci peut s’expliquer par plusieurs faits : d’une part, les incertitudes liées aux données respiratoires sur les enfants d’Afrique en général. Il n’existe que très peu de publications dans ce domaine, ce qui nous a poussé vers une estimation allométrique de certains de ces paramètres en se basant sur des facteurs d’échelle (caucasien/ouest africain) entre certains paramètres physionomiques, tels que la taille ou le poids, mais également sur quelques caractéristiques respiratoires telle la capacité respiratoire totale (Total Lung Capacity, TLC), s’ils sont connus. Ces méthodes connues sous le terme « scaling factor » ont déjà été utilisées par d’autres auteurs (James et
al., 1991 ; Yamada et al., 2007). D’autre part, la différence pour les enfants peut être
également liée aussi à l’écart entre les valeurs du volume tidal (VT) reportées dans le Tableau 3 de l’
Article A4
. Ce tableau montre un VT plus important chez les enfants ouest africains(écart de 11%) par rapport aux Caucasiens, alors que le Tableau V-1 indique une augmentation du dépôt dans les alvéoles en moyenne de 17% lorsque le VT augmente de 30%,
à flux respiratoire Q constant. En résumé, à Q fixe, une hausse de 30% du VT implique un
écart moyen de 17%, alors qu’à Q variable, l’augmentation de 11% du VT fournit un écart
maximal de 26% dans les Al. Par conséquent, cette grande différence du dépôt entre enfants ouest africain et caucasien s’explique en partie par la variabilité des paramètres Q et VT chez
les deux groupes de population.
Afin d’investiguer l’influence des différents paramètres (masse, taille et composition chimique) sur le dépôt des particules collectées à Bamako et Dakar dans les voies respiratoires, trois scénarios ont été testés pour les paramètres d’entrés de DEPCLUNG: 1) un cas où l’on considère l’inhalation d’une masse donnée de 1µg/m3 ; 2) un cas où différentes distributions en masse par classe de tailles (BK1, BK2 et DK) sont introduites dans DEPCLUNG ; 3) un cas où les compositions chimiques par classe de tailles (BK2 et DK) sont données en entrée.
a) L’application des distributions en tailles des concentrations d’aérosol mesurées à Bamako (événement de poussière BK1, suivi de BK2) et Dakar (DK) en entrée du modèle DEPCLUNG, montre une large modification des courbes d’entrées en sortie du modèle. Les trois cas d’aérosols considérés représentent des particules provenant de sources différentes et
donc offrent des caractéristiques variées (taille/chimie). Les résultats obtenus mettent en évidence une prédominance de l’effet de la taille sur les dépôts dans les poumons par rapport à l’effet de masse. La taille des particules est donc plus pertinent pour la détermination de l’efficacité du dépôt dans les divers compartiments de l’appareil respiratoire, mais également dans l’étude des mécanismes de toxicité Val et al. (2013).
b) L’effet de la composition chimique sur le dépôt régional des particules dans l’appareil respiratoire des populations ouest africaines a été aussi testé. Comme pour la distribution granulométrique, nous avons utilisé cette fois ci en entrée du modèle les données d’observations obtenues à nos deux sites (comme prévisible) les particules d’origines naturelles telles que les poussières (essentiellement des grosses particules) se déposent majoritairement dans les voies supérieures de la région extra-thoracique, tandis que les particules issues des activités humaines, principalement composées de particules fines, se déposent plus profondément notamment dans les alvéoles (cf.
Article A4
). A Bamako et Dakar, ces petites particules composées en grande partie de matières carbonées (organique et élémentaire, cf.Article A4
) seront difficilement éliminées (totalement ou partiellement) par l’organisme puisqu’elles sont présentes en grand nombre dans les fines particules (particules de diamètre inférieur à 0.1 µm ou PM0.1) (Tableau V-1). La solubilité de ces espèces peutégalement influencer leur dépôt dans l’arbre respiratoire, mais n’est pas encore totalement intégré dans DEPCLUNG. Notons également, qu’il existe des différences entre flux de dépôt entre les sites d’échantillonnages qui se traduisent par une différence au niveau des caractéristiques physico-chimiques des particules.
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100
100
Total Extrathoracique Bronches Bronchioles Alvéoles Homme adulte ouest africainDiamétre (µm)
ET BB bb Al 58 32 11 500
P
o
u
rc
e
n
ta
g
e
d
e
d
é
p
ô
t
(%
)
Figure V-1 : Fraction déposée dans les divers compartiments de l’appareil respiratoire. Cas de l’homme ouest africain respirant par le nez et effectuant un exercice modéré.