Modes d’actions des agents neurotoxiques organophosphorés

Parmi les différent agents chimiques de guerre, présentés en Annexe 2, les agents neurotoxiques organophosphorés (OPNA) sont les plus toxiques et les plus meurtriers [8]. L’apparition des agents neurotoxiques remonte à la fin des années 1930, avec la synthèse des premiers agents neurotoxiques, le tabun et le sarin, suivie par celle du soman et du cyclosarin.

Par la suite, des chimistes britanniques développèrent dans les années 50 des agents de la série V, composés plus létaux que leurs précurseurs. Depuis, les OPNA ont été largement utilisés en tant qu’arme chimique contre des populations civiles ou militaires. L’utilisation de gaz sarin a été reportée lors de la guerre Iran-Irak en 1988 [9] ou encore lors des attentats de mars 1995, dans les métros de Tokyo, par le groupe terroriste Aum Shinrikyo qui firent 12 morts et 5500 empoisonnements [10]. L’utilisation du sarin a également été observée en Syrie dans la région de la Ghouta en aout 2013, causant la mort de 1400 personnes [11] et plus récemment en avril 2017 à Khan Cheikhoun, une localité du nord-ouest de la Syrie, avec un bilan de plus de 95 morts et 541 blessés [12]. Le VX a été également utilisée le 13 février 2017 dans l’aéroport de Kuala Lumpur (Malaysie), pour l’assassinat de Kim Jong-nam, demi-frère du dirigeant coréen Kim Jong-Un [13].

Ces attaques ont souligné l’importance de mettre en place des méthodes d’analyses sensibles et spécifiques pour la détection d’OPNA chez l’homme afin d’apporter la preuve d’une exposition et de proposer des traitements médicaux appropriés. Les agents neurotoxiques sont généralement incolores et/ou inodores et peuvent être facilement absorbés par le système respiratoire, la peau et le tube digestif sans causer la moindre irritation susceptible de signaler leur présence. Cependant, même une exposition à court terme peut être fatale. Il existe plus d’une centaine d’agents neurotoxiques répartis en deux catégories: les agents G tels que le sarin (GB), le soman (GD), le tabun (GA) et le cyclosarin (GF), qui sont des composés volatils agissant principalement par inhalation et les agents V, comme le VX, composés semi-volatils très toxiques agissant par voie cutanée. Leur structure générale est présentée Tableau 1, ainsi que celle des quatre OPNA les plus courants.

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Table 1. Les 4 principaux OPNA [8].

OPNA Agents G Agent V

Structure générale Sarin Soman Tabun VX

Les OPNA sont généralement des composés chiraux à 2 ou 4 énantiomères ayant différents potentiels inhibitifs et toxicité in vivo. Certains agents G, en particulier le tabun et le sarin, ne persistent dans l’environnement que pendant de brèves périodes. Les agents V présentent un plus grand danger puisqu’ils persistent longtemps dans l’environnement et sont extrêmement puissants (seulement quelques milligrammes peuvent entraîner la mort). Dans le sang, la demi-vie d’élimination des agents G est relativement courte (1 h) comparée à celles des agents V qui peuvent persister plusieurs heures sous forme native dans le plasma après une exposition cutanée [8].

Bien qu’ils puissent se fixer sur plusieurs protéines appartenant à la famille des sérines estérases (acétylcholinestérase et butyrylcholinestérase) ou encore à l’albumine, la toxicité aigüe des composés organophosphorés provient de leur action rapide sur l’acétylcholinestérase [14]. Lorsque les composés organophosphorés se fixent par liaison covalente sur la fonction hydroxyle du résidu sérine du site actif de l’AChE, l’activité enzymatique est inhibée. L’AChE n’est plus en mesure d’hydrolyser l’acétylcholine, ce qui entraine son accumulation au niveau des récepteurs synaptiques, qui sont alors saturés [15]. Les symptômes cliniques apparaissent dès 50% d’inhibition de l’activité de l’AChE et incluent des myosis, des convulsions, des difficultés respiratoires et une hypersalivation [16]. Des niveaux d’inhibitions supérieurs à 90% entrainent une intoxication sévère pouvant mener à la mort du patient en quelques minutes. Le contrôle régulier de l’activité des cholinestérases dans le sang des individus régulièrement en contact avec des neurotoxiques peut permettre une détection précoce avant que les symptômes n’apparaissent. En cas d’intoxication sévère, la prise de traitements tels que l’atropine permet de décroitre l’accumulation d’acétylcholine au niveau des récepteurs synaptiques par un effet de compétition tandis que des réactivateurs à base d’oximes permettent de réactiver l’acétylcholinestérase [17, 18].

R₁ P

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Les OPNA sont des molécules volatiles et dégradables qui peuvent subir deux étapes d’hydrolyses dans le milieu physiologique pour former des acides d’alkyl méthylphosphoniques dont une partie est hydrolysée en acide méthylphosphonique par voie rénale. Ils peuvent également se lier irréversiblement aux serines estérase telles que l’AChE, la BuChE ou encore à l’albumine et à d’autres protéines minoritaires présentent dans le sang et les tissus humains. Les principales évolutions des agents nerveux in vivo sont résumées.

Une difficulté rencontrée pour l’identification de l’OPNA à partir des adduits formés avec les cholinestérases provient d’un processus appelé vieillissement [18]. Lors de ce processus, les cholinestérases subissent spontanément une déalkylation au niveau de la liaison alkyl-oxygène (liaison P-N pour le tabun), ce qui entraine la perte du groupement caractéristique de l’OPNA. L’identification de l’OPNA est alors impossible puisque les masses d’adduit-OPNA ne sont plus spécifiques du composé organophosphoré. De plus, la liaison covalente établie entre la BuChE et la forme vieillie de l’OPNA fixé devient irréversible (Figure 8) [8]. Les complexes peuvent également subir un phénomène de réactivation spontanée par une déphosphylation menant au rétablissement des fonctions de l’enzyme. Cependant ce phénomène est lent et très peu fréquent.

Figure 7. Evolution des agents neurotoxiques après exposition.

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La liaison OPNA-ChE étant irréversible après vieillissement, seule la synthèse de nouvelles enzymes peut restaurer l’activité initiale [17]. Les cinétiques de vieillissement et de réactivation de l’adduit OPNA-ChE sont dépendantes de l’agent et de l’enzyme. En effet, le vieillissement des adduits dépend des ramifications de la chaine carbonée sur la liaison o-alkyl phosphoester ou encore de la température et du pH [19]. Les demi-temps de vieillissement et de réactivation des agents les plus communs sont récapitulés dans le Tableau 2 [8].

Table 2. Demi-vies de vieillissement et de réactivation spontanée (en heure) de l'AChE et la BuChE humaines inhibées par des agents neurotoxiques. Issu de [8].

Inhibiteur AChE BuChE

t1/2 vieillissement t1/2 réactivation t1/2 vieillissement t1/2 réactivation

Soman 0,04 - ∼0,01 -

Tabun 19,0 - 7 -

Sarin 3,0 - 12 69

Cyclosarin 7,0 - 2,2 20

VX 36,5 - 77 63

Figure 8. Processus de vieillissement et de réactivation spontanée de l’adduit. EOH se rapporte à l’AChE ou la BuChE native. Adapté de [8].

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Les composés organophosphorés peuvent donc être présents sous différentes formes dans le corps humain après exposition. Cela permet l’utilisation de nombreuses méthodes de détection d’intoxication aux OPNA, présentées dans la section suivante.