Les scientifiques de Virginia Tech ont découvert que des particules incroyablement petites d'un oxyde de titane inhabituel et hautement toxique trouvé dans le smog et les cendres de charbon peuvent endommager les poumons des souris après une seule exposition. avec des dommages à long terme se produisant en seulement six semaines.

Les tests étaient dirigés par Irving Coy Allen, professeur au Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine, avec des collaborateurs de Virginia Tech et des chercheurs de l'Université du Colorado, l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, Université de Caroline de l'Est, et l'Université normale de Chine orientale à Shanghai. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Frontières en immunologie .

Ils font suite aux découvertes de 2017 du géoscientifique de Virginia Tech, Michael Hochella, selon lesquelles la combustion du charbon, lorsque la fumée n'est pas captée par les filtres haut de gamme actuellement présents dans les centrales électriques américaines, émet de minuscules particules appelées nanoparticules de sous-oxyde de titane dans l'atmosphère. De telles nanoparticules ont été trouvées par l'équipe de scientifiques de Hochella dans les cendres collectées dans les rues de la ville, trottoirs, et dans les étangs et les baies près des villes américaines et chinoises.

Utilisation de modèles de souris dans un environnement de laboratoire, ces plus petites nanoparticules, aussi petites que 100 millionièmes de mètre, sont entrées dans les poumons après avoir été inhalées. Une fois dans les poumons, les nanoparticules ont rencontré des macrophages, les cellules défensives des poumons qui piègent et éliminent les matières étrangères. Typiquement, ces cellules protègent les poumons des agents pathogènes, comme les bactéries et les virus. Mais contre ces nanoparticules, les macrophages vacillent.

"Ils ne peuvent pas briser les nanoparticules de titane, alors les cellules commencent à mourir, et ce processus recrute plus de macrophages. Ces processus commencent une boucle de rétroaction avec chaque cycle de cellules mourantes se concentrant autour des nanoparticules, " dit Allen, membre du Département des sciences biomédicales et de la pathobiologie. "Les mourants, les cellules contenant des nanoparticules commencent alors à faire des dépôts dans les poumons et ces dépôts causent des problèmes. Nous commençons à voir des impacts négatifs sur la fonction pulmonaire, et fondamentalement, les poumons ne continuent pas à fonctionner correctement."

Dans ce qu'Allen appelle une "découverte frappante, " son équipe a découvert des effets négatifs après une seule exposition aux nanoparticules toxiques. Les dommages à long terme causés par les dépôts peuvent apparaître en aussi peu que six semaines, soulevant des inquiétudes pour les villes très polluées. "Nous avons réalisé que si quelqu'un habite près d'une centrale électrique, ou à proximité d'une de ces sources de charbon, ils ne seraient pas exposés à une seule dose, ils y seraient exposés quotidiennement, " a-t-il dit. " Nous n'avons pas non plus vu de clairance pulmonaire après une semaine, alors quand ces choses sont dans tes poumons, elles y restent, et ils y restent pendant une longue période. »

D'autant plus, les poumons endommagés peuvent entraîner une plus grande susceptibilité aux virus ou aux infections bactériennes, et pourrait aggraver les symptômes associés à l'asthme ou à la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC).

Cependant, les effets exacts de ces nanoparticules toxiques sur l'homme, autres animaux, végétation, et les systèmes d'eau ne sont pas connus et nécessitent une étude plus approfondie par des chercheurs internationaux, dit Allen.

"La souris et les poumons humains sont fonctionnellement similaires, mais anatomiquement différent dans une variété de manières subtiles, " Allen a ajouté. " Bien que les études réalisées dans cet article soient couramment utilisées pour modéliser les troubles des voies respiratoires chez les personnes, des données cliniques plus directes sont nécessaires pour bien comprendre l'impact humain de l'exposition à ces nanoparticules."

Les nanoparticules de sous-oxyde de titane, appelées phases Magnéli par les chercheurs, étaient autrefois considérées comme rares, trouvé sur Terre dans certaines météorites, d'une petite zone de certaines roches dans l'ouest du Groenland, et parfois dans les roches lunaires. Cependant, Hochella, travailler avec d'autres chercheurs en 2017, ont constaté que ces nanoparticules sont en fait largement répandues dans le monde à partir de la combustion du charbon.

Selon l'étude précédente, publié dans Nature Communications, presque tout le charbon contient de petites quantités de minéraux rutile ou anatase, les deux "normales, " d'origine naturelle, et des oxydes de titane relativement inertes. Mais lorsqu'il est brûlé, ces minéraux se transforment en sous-oxyde de titane. Les nanoparticules deviennent alors en suspension dans l'air si la centrale n'est pas équipée de pièges à particules de haute technologie, comme celles des États-Unis. Pour les pays sans réglementation stricte, les nanoparticules peuvent flotter localement dans les courants d'air, au niveau régional, et même globalement, dit Hochella. (Il a ajouté que les États-Unis ont commencé à utiliser des précipitateurs électrostatiques sur les cheminées de charbon dans les années 1920.)

Les premières études de biotoxicité menées par le groupe de Hochella avec des embryons de poisson zèbre ont montré des signes d'impact biologique négatif des nanoparticules, suggérant un danger potentiel pour les humains. Maintenant, avec cette étude, les chances de toxicité pour les humains sont beaucoup plus grandes. "Le problème avec ces nanoparticules est qu'il n'y a pas de moyen facile ou pratique d'empêcher leur formation pendant la combustion du charbon, " dit Hochella, Professeur émérite universitaire émérite de géosciences au Virginia Tech College of Science, lors de la publication de l'étude précédente il y a deux ans.

Hochella et son équipe sont tombés sur les nanoparticules de sous-oxyde de titane tout à fait par accident alors qu'ils étudiaient le mouvement en aval d'un déversement de cendres de charbon en 2014 dans la rivière Dan en Caroline du Nord. Le groupe a ensuite produit les mêmes nanoparticules de sous-oxyde de titane lors de la combustion de charbon dans des simulations en laboratoire. Ce danger potentiel pour la santé s'appuie sur les conclusions établies de l'Organisation mondiale de la santé :plus de 3,3 millions de décès prématurés survenant dans le monde chaque année en raison de la pollution de l'air, et rien qu'en Chine, 1,6 million de décès prématurés sont estimés chaque année en raison de lésions cardiovasculaires et respiratoires dues à la pollution de l'air.

Cela soulève de multiples questions :les nanoparticules sont-elles absorbées par l'organisme par d'autres moyens, comme un contact avec les yeux ou la peau ? Peuvent-ils se frayer un chemin dans la végétation, y compris la nourriture, à travers le sol ? Si c'est le cas, quelles sont les implications sur le tractus gastro-intestinal? Sont-ils présents dans l'eau potable ? Si une souris subit des dommages à long terme à six semaines, qu'est-ce que cela représente pour les humains qui respirent l'air ?

Allen exhorte à ce que les tests passent à des études centrées sur l'homme.

"Nous avons identifié un polluant unique dans l'environnement, et nous avons montré qu'il y a un problème de santé potentiel pour les humains, ce qui nous donne un biomarqueur que nous pouvons surveiller de plus près, ", a-t-il déclaré. "Nous devrions commencer à examiner ces particules de plus près à mesure que nous devenons plus conscients des dangers que posent ces nanoparticules. Ce sont des questions qu'il faut se poser."

Ce chemin, bien qu'évident, peut-être pas si simple, éthiquement ou politiquement. Les scientifiques ne peuvent pas exposer les sujets humains au smog ou aux cendres de charbon et aux nanoparticules toxiques. Par conséquent, un scénario probable :les scientifiques pourraient étudier ces particules dans le tissu pulmonaire humain à partir de biopsies pulmonaires et d'échantillons cliniques. Cependant, de nombreux cliniciens ont été réticents à participer à cet effort dans de nombreux pays les plus à risque. Allen a déclaré qu'une des raisons pourrait être la sensibilité de ces pays aux problèmes de qualité de l'air.