Les acquis scientifiques et techniques pour Envirhom dans le cadre du PMLT 2009-2012

Résultats scientifiques

Pour le risque écologique associé aux faibles doses, les recherches conduites ont produit des connaissances directement utilisables pour concevoir ou améliorer les modèles simulant le devenir et les effets des radionucléides au sein des écosystèmes :

1. Pour les sols et les sédiments, réservoirs de radionucléides des écosystèmes terrestres et aquatiques en situation d’exposition chronique, les réactions de transformations chimiques d’origine microbienne, l’influence racinaire des plantes supérieures ou encore la bioturbation par la macrofaune influencent à divers degrés la spéciation, le transport et les transferts de l’uranium et du sélénium. Ces connaissances ont permis de définir les zones d’accumulation au sein de ces compartiments « réservoirs », l’importance des interactions avec le cycle de la matière organique naturelle et les temps de résidence associés.

2. Ces connaissances conditionnent la biodisponibilité des radionucléides, tout comme l’occurrence et l’intensité de l’exposition des organismes. La biodisponibilité et la toxicité sont fonction de la spéciation de l’élément dans le milieu (ou dans la nourriture), dépendante des critères de qualité de ce dernier, et de la physiologie de l’organisme (état des surfaces membranaires). Diverses approches de modélisation des interactions uranium-organisme et sélénium-organisme ont ainsi été publiées.

Une fois internalisé, le contaminant est distribué et biotransformé selon une gamme étendue de processus métaboliques spécifiques de l’élément et/ou de l’espèce. Seule une fraction de cette quantité internalisée est biologiquement active en termes de toxicité. D’un point de vue opérationnel, la connaissance de cette quantité « critique » et de sa cible biologique marque la transition entre le domaine sans effet et le domaine de la toxicité. Ces critères de « charge interne » ont été quantifiés pour l’uranium (et le sélénium) pour divers scénarii d’exposition chronique et diverses espèces.

3. Les effets biologiques susceptibles de se produire en réponse à l’exposition à la fraction biologiquement active du radionucléide internalisé peuvent s’exprimer à différents niveaux d’organisation biologique : depuis le niveau subcellulaire jusqu’au niveau individuel, et même populationnel. Les relations dose-réponses ont pu être modélisées pour les grandes fonctions de l’individu, susceptibles d’impacter la démographie d’une population de diverses espèces végétales ou animales. Les réponses étudiées sont principalement la survie à différents stades d’une espèce au cours de son cycle de vie, sa capacité reproductive, son âge de maturité pour la première reproduction. Les recherches au niveau subcellulaire, réservées à la compréhension des mécanismes de toxicité élémentaires qui conduiraient à des conséquences sur ces grandes fonctions, ont été conduites sur les perturbations du métabolisme énergétique, la lutte contre le stress oxydatif et la génotoxicité.

4. La contribution relative de la chimiotoxicité et de la radiotoxicité pour un élément tel que l’uranium, varie selon la sensibilité du modèle biologique et de la fonction physiologique étudiés.

5. Les résultats obtenus chez des modèles d’invertébrés démontrent que des phénomènes d’acclimatation physiologique, mais aussi de sélection génétique et d’adaptation, sont mis en œuvre dans des populations exposées sur plusieurs générations aux substances radioactives. En fonction du mécanisme mis en place, les conséquences à long terme peuvent être très différentes, notamment en termes de réversibilité. Ces études ont été conduites de manière comparée avec trois stresseurs : l’uranium appauvri, l’américium-241 et les rayonnements gamma en exposition externe.

6. La prise en compte des effets de substances en mélange permet d’augmenter le réalisme des situations d’exposition chronique in situ. Leur étude se révèle complexe, nécessitant la combinaison d’approches réductionnistes pour l’identification des interactions (e.g., milieu contrôlé et mélanges binaires) et systémiques (e.g., mélanges pluristresseurs et réponses intégrées « du gène à la population ») pour permettre une utilisation opérationnelle. Les effets de stresseurs en mélange binaire chez une microalgue ont révélé des processus de synergie (toxicité plus importante de l’U en présence de Cd à une concentration sans effet) et d’antagonisme (U et effet protecteur du Se) par rapport à l’inhibition de croissance obtenue pour l’uranium seul. Les interactions du tritium (HTO) et du Cu chez une microalgue ont également été étudiées. L’effet du tritium observé sur la cinétique d’entrée du cuivre dans les cellules s’expliquerait par la production accrue d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans l’algue exposée au tritium.

7. La méthode Erica pour l’évaluation du risque écologique associé aux substances radioactives a été adaptée au contexte des sites miniers uranifères, en proposant la réalisation parallèle et cohérente de l’évaluation des risques chimiotoxique et radiotoxique pour l’uranium et ses descendants.

8. Les données acquises sur le lien entre spéciation physico-chimique de l’uranium, biodisponibilité et effets écotoxiques en eau douce ont été utilisées pour proposer une méthode de dérivation de valeur guide de concentration prévisible sans effet (PNEC) en eau douce. Ce sont ainsi des grilles de PNEC aiguës et chroniques spécifiques de grands domaines physico-chimiques des cours d’eau qui sont proposées (domaines définis par 3 paramètres de qualité : pH, alcalinité et dureté). Ces grilles à visée de gestion environnementale, intègrent les connaissances les plus récentes sur la variation de biodisponibilité de cet élément et donc de son écotoxicité en fonction des caractéristiques physico-chimiques des cours d’eau.

 
 
Données pour l'expertise
 
• Proposition de valeurs guides pour l’uranium dans les cours d’eau en support de la détermation d’une norme de qualité environnementale.
• Expertise sur l’impact écotoxique de l’incident de Socatri.
• Expertise sur l’impact écologique de l’accident de Fukushima .
  

 
Ouverture vers la société
 
• Participation au Groupe d’Expertise Pluraliste sur les mines pour l’évaluation de l’impact associé aux anciennes mines d’uranium sur les écosystèmes 
 
 

Uranium

1. La biocinétique de l’uranium n’est pas celle attendue : La distribution de l’uranium dans les tissus n’est pas conforme aux modèles usuels de bioaccumulation. Les travaux menés montrent que l’uranium s’accumule dans la plupart des organes, selon un processus complexe. Chez le rat contaminé de façon chronique, les concentrations en uranium dans le côlon semblent augmenter de façon graduelle avec le temps. Ceci est en accord avec les modèles de la Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR). Par contre, l’accumulation d’uranium observée dans les autres tissus ne suit pas ce schéma. Dans les reins, le squelette, l’intestin grêle, le cerveau, le muscle, le foie et, in fine, le corps entier, les profils de contamination sont très particuliers (vagues successives d’accumulation et d’élimination). Pour le rein, cette accumulation de l’uranium s’étend à l’ensemble du néphron. Une contamination chronique n’équivaut donc pas, en terme d’accumulation dans les tissus et organes, à la somme d’expositions aigues répétées. Néanmoins, les deux organes majeurs d’accumulation de l’uranium sont les mêmes pour une contamination chronique faible dose que pour une contamination aiguë forte dose : le rein et l’os. Au niveau dosimétrique, la dose calculée est extrêmement faible, de l’ordre de 10 mGy, et est considérée classiquement comme infra-toxique.

2. La distribution tissulaire, cellulaire et subcellulaire de l’uranium est plus hétérogène qu’attendu : Au niveau tissulaire, nous avons pu montrer qu’en situation d’exposition chronique, l’uranium se distribue tout au long du néphron et pas seulement au niveau du tube contourné proximal (TCP) comme admis jusqu’à maintenant. Par ailleurs, nous avons montré la présence préférentielle d’uranium au niveau du noyau cellulaire. Ceci est notamment observé lors d’exposition de cellules rénales humaine à des concentrations non cytotoxique d’uranium ou lors d’exposition chronique de rats à l’uranium.

3. Les normes de teneur en uranium dans les eaux de boisson sont protectrices : Le niveau de l'uranium dans l'eau potable est généralement de l'ordre d'un microgramme par litre, mais cette valeur peut être 100 à 1000 fois plus élevée dans certaines régions. Ces niveaux d'uranium soulèvent des questions sur les conséquences sanitaires pour les populations humaines vivant dans ces zones. Pour répondre à ces questions, nous avons contaminés des animaux pendant 9 mois via l’eau de boisson contenant de l’uranium appauvri à différentes concentrations. Nous avons montré qu’une ingestion chronique d'uranium à des expositions supra environnementales (de < 2 mg/L jusqu'à 120 mg/L) ne produit pas d'effets délétères chez les rats, comme en témoigne l'absence de signes cliniques et de lésions histologiques dans tous les organes étudiés (rein, foie, cerveau, intestin, ...). Ainsi, le NOAEL (No-Observed-Adverse-Effect Level) de l'uranium après ingestion chronique est supérieur à 120 mg/L. A partir de ces résultats expérimentaux, le calcul de dose journalière tolérable donne une valeur guide pour l'homme de 1250 mg/L d'uranium dans l'eau potable lorsqu'elle est fondée sur la toxicité chimique nocive dans les reins. Ces résultats expérimentaux suggèrent que la référence de 30 mg/L de la directive de l'OMS pour la teneur en uranium dans l'eau potable est très protectrice.

4. Le concept de cible unique de l’action de l’uranium doit être abandonné : Différents seuils de LOEL (Lowest-Observed-Effect Level) peuvent être déduits sur la base des effets moléculaires observés: 20 mg/L pour l'intestin, > 10 mg/L pour les reins, > 2 mg/L pour le foie, > 0,2 mg/L pour le cerveau. Ces résultats montrent l’abandon du concept de cible unique pour un concept de cible multi-organes (rein, foie, cerveau, gonades). Ils indiquent aussi que les reins ne sont pas l'organe le plus sensible à la contamination chronique par ingestion d'uranium, mais le cerveau semble le plus sensible. Étonnamment, ces résultats ont démontré qu'il n'existe pas de relation effet-dose entre l'accumulation de l'uranium et ses effets biologiques. En effet, les organes les plus touchés par l’exposition à l'uranium sont ceux qui ne l'ont pas accumulé (1 ng/g dans le cerveau, 2,5 ng/g dans le foie et 350 ng/g dans les reins, pour une contamination par l’eau de boisson à 120 mg/L). Ce constat montre la sensibilité du cerveau à la toxicité chimique de l'uranium.

5. La sensibilité des juvéniles est plus élevée : Différentes études ont montré que l’ingestion chronique d’une faible quantité d’uranium entraîne des effets biologiques subtils et significatifs dans différents systèmes métaboliques tels que des modifications d’expression de gènes ou de protéines. Nos résultats soulèvent un certains nombre de questions. Par exemple, nous avons montré qu’une contamination par l’uranium est capable de modifier le taux sanguin de la vitamine D, hormone associée au métabolisme osseux, suggérant que ce radionucléide pourrait affecter également le remodelage osseux. Une étude récente a permis de mettre en évidence que l’uranium naturel ingéré affecte la croissance osseuse en largeur du fémur d’individus en croissance, sans cependant entrainer de pathologie osseuse. Ces résultats suggèrent donc qu’une attention particulière doit être portée aux enfants lors d’une exposition chronique à ce radionucléide.

6. Les effets observés relèvent d’un phénomène adaptatif des organismes : Ces dernières années, un certain nombre d’études montre que l’uranium pourrait provoquer des atteintes biologiques multiples mais de faible amplitude, et induire ainsi des ruptures subtiles de l’équilibre de plusieurs métabolismes majeurs comme le métabolisme des xénobiotiques, du cholestérol, de la vitamine D, de l’acétylcholine, du fer, des hormones stéroïdiennes et du remodelage osseux. Ces études ont montré des effets au niveau moléculaire : modification d’expression de gènes, de concentrations de protéines ou d’activité enzymatique. Cependant, ces modifications métaboliques ne s’accompagnent pas d’apparition de pathologie. Les effets biologiques observés découlent donc probablement d’une réponse adaptative de l’organisme à la présence d’une contamination interne.

7. Certains effets observés sont irréversibles : Tout effet biologique ne représente pas une menace pour la santé. Un effet biologique est habituellement réversible lorsqu’il se situe dans les limites de l'homéostasie. Il peut simplement manifester la réponse « adaptative » normale de la cellule, du tissu ou de l'organisme à une stimulation et dans notre cas à une exposition à l’uranium. Afin de vérifier cette hypothèse, une expérience utilisant un modèle « de réversion »  a été réalisée. Dans cette étude, des rats ont été contaminé avec de l’uranium appauvri (UA) pendant 6 mois et par la suite ils ont été soumis à une période de réversion de 3 ou 6 mois. Les résultats montrent que, au niveau hépatique, certaines modifications de l’expression génique induites par l’UA sont irréversibles comme celle des enzymes associées au métabolisme du cholestérol et de la vitamine D. Par contre, d’autres modifications de l’expression génique au niveau du cerveau et de reins sont réversibles. Notre étude montre pour la première fois que l’UA entraine chez le rat des effets biologiques irréversibles que l’organisme garderait en « mémoire », effets qui pourraient être transmis à la progéniture via des mécanismes épigénétiques. 

En conclusion, l’uranium a la capacité d'interférer avec différents systèmes métaboliques des organismes vivants. Néanmoins, les effets biologiques induits par ce radionucléide sont de faible amplitude et n’entrainent pas de toxicité avérée et donc n’induisent pas de changement phénotypiques dans un cycle de vie d’un animal. Par contre, les différents effets biologiques observés aux niveaux moléculaire et génique après contamination pourraient traduire une empreinte génétique irréversible après exposition interne et chronique par ce radionucléide. Pour vérifier cette hypothèse, des expériences de contamination interne par l’uranium sur plusieurs générations devront être entreprises. En effet, l’effet moléculaire observé sur la première génération pourrait se traduire en dommage phénotypique pour la deuxième ou troisième génération d’individus. Ainsi, le modèle multi-générationnel devrait nous permettre de vérifier ou non l’hypothèse « de l’empreinte génétique » induite suite à une ingestion chronique de faible niveau d’uranium.

Nombre de publications : 39 articles originaux, 7 revues et 7 chapitres de livre

Césium 137

1. Lors d’une contamination chronique à faible niveau, le césium-137 ne s’accumule pas dans les tissus. Seule une augmentation de la concentration en césium-137 dans les tissus en fonction de la croissance des animaux (3 premiers mois) a été observée. Le césium-137 se répartit de façon hétérogène dans l’organisme. Les muscles et les reins sont les tissus pour lesquels la concentration la plus importante est mesurée, et le sang et la peau les tissus les plus faiblement contaminés.

2. Peu d’effets biologiques et délétères sont observés expérimentalement chez le rongeur. Dans la plupart des cas ces effets restent limités et ne conduisent pas à l’apparition de pathologies. Ceci a été observé pour le système immunitaire, le système hématopoïétique, le système nerveux central, le système digestif et le métabolisme des stéroïdes.

3. Néanmoins, la mise en évidence d’effets sur le système cardiovasculaire (modification de la pression artérielle et de marqueurs cardiaques plasmatiques) constitue une première indication d’un effet sanitaire potentiel de l’ingestion chronique de césium-137. Une modification du profil métabolomique au niveau plasmatique chez des animaux contaminés permet par ailleurs de discriminer les groupes d’animaux contaminés par de faibles concentrations de césium-137 par rapport à des animaux non contaminés.

4. Les effets cardiovasculaires observés après contamination au césium-137 au cours du programme Envirhom ont conduit à la poursuite des études dans ce domaine. Les pathologies cardiovasculaires sont multifactorielles et à faibles niveaux de dose, il est difficile d’individualiser le risque lié aux radiations des autres facteurs de risque. Il a alors été nécessaire de mettre en place des études expérimentales in vivo et in vitro afin d’identifier les mécanismes physiopathologiques impliqués après exposition aux faibles doses. Les études in vivo vont identifier l’effet d’une contamination chronique au césium-137 à faibles doses sur la progression de la pathologie athéromateuse qui est la première cause de morbi-mortalité dans les pays industrialisés. Les études in vitro s’inscrivent au sein du consortium européen DoReMi qui a pour but l’identification des mécanismes impliqués après exposition à de faibles doses des cellules endothéliales issues de cordon ombilical. Cette étude va permettre de discriminer l’effet d’une irradiation par une source de césium-137 à différents débit de dose versus une contamination par du césium-137 à différentes concentrations.

Nombre de publications : 17 articles originaux, 2 revues et 7 chapitres de livre

Strontium 90

1. Les études de biocinétique ont confirmé l’accumulation spécifique du strontium dans l’os. Ces études ont également montré que l’accumulation de strontium dans les os se fait de façon beaucoup plus rapide au cours de la phase de croissance osseuse, c'est-à-dire chez les animaux juvéniles. Les doses d’irradiation qui résultent de cette contamination sont faibles, de l’ordre de 10 mGy au bout de 20 semaines d’ingestion chronique de 75 Bq de 90Sr par jour et par animal.

2. La localisation du strontium dans les os suggère que deux systèmes physiologiques pourraient être impactés : le système hématopoïétique, située dans les os, et la physiologie osseuse. Les premières études ont montré une absence d’effet de la contamination par le strontium sur le système hématopoïétique.

3. Par contre, une modification de la physiologie osseuse vers une augmentation de la résorption osseuse a été observée, sans que cela conduise à l’apparition d’une pathologie chez les animaux dans la période de contamination étudiée.

Nombre de publications : 2 articles originaux

Lien avec d’autres programmes de recherche de l’IRSN

Envirhom-santé a des liens avec un programme de recherche clinique (Epice) et avec des études épidémiologiques développées à l’IRSN dans le domaine des faibles doses d’exposition :

1. Le programme de recherche dénommé Epice (« Evaluation des Pathologies Induites par le CEsium »), qui est une étude prospective clinique portant sur une population d’environ 18 000 enfants vivant sur les territoires russes contaminés par les retombées de l’accident de Tchernobyl. Ce programme a pour objectifs d’identifier par la mise en œuvre d’examens diagnostiques adaptés les pathologies non cancéreuses (troubles du rythme cardiaque dans la première phase d’étude) dont souffriraient ces enfants qui ingèrent quotidiennement des aliments cultivés sur les sols contaminés par le césium-137 et d’évaluer leur contamination corporelle par le césium.

 
2. Les études épidémiologiques effectuées chez les travailleurs (Areva, EdF, CEA) du cycle du combustible (de la mine d’uranium au retraitement du combustible), exposés notamment à l’uranium.
 

 
Données pour l'expertise

• Participation à des GT nationaux et internationaux

       > Afssa (Anses): recommandations sur les teneurs en uranium des eaux de boisson en France (2009)

       > OMS : révision ‘Drinking water guidelines’ (2009-2010)

• Recommandations dans l’eau de boisson (à venir)
  

       > Uranium : remise en cause de la valeur OMS définie sur la base de la toxicité chimique de l’uranium au niveau des reins

       > Tritium : apport de données sur la valeur OMS en fonction du type de tritium (HTO ou OBT)

• Détermination des seuils d’apparition des différents types d’effets : délétères ou non

       > Réponse à la problématique actuelle sur les signaux faibles dans le cas de la santé environnementale entre alerte et décision.

Ouverture vers la société

 
• Participation à des CLI (Commission Locale d’Informations)

       > CLI de Cadarache tous les 2 ans (septembre 2007, novembre 2009, octobre 2011)

       > CLI ITER : problé matique Tritium (mai 2012)

• Grand Public

       > Fête de la Science : novembre 2008 (présentation et ateliers)

       > Lycée : Journées internationales de radioprotection (avril 2009; février 2010; février 2012) (présentation et ateliers)

• Public averti

       > Ouvrage Lavoisier : Toxicologie nucléaire environnementale et humaine co-coordination IRSN-CEA (paru en septembre 2009)
       > Site internet scientifique : dossier thématique faibles doses (octobre 2009)