La toxicologie est la science qui s’intéresse aux poisons : elle étudie les effets toxiques d’agents physiques ou chimiques sur les organismes vivants.

Un poison, d’un point de vue chimique, est une substance capable de provoquer un effet nocif sur un système biologique. Toute substance peut cependant être un poison si on l’utilise en quantité suffisante. En réalité, c’est la dose qui fait le poison (on peut s’intoxiquer au sel, ou même à l’eau).

Les poisons à proprement parlé sont généralement des xénobiotiques (substances étrangères à l’organisme) qui peuvent avoir différentes origines (médicaments, herbicides, pesticides, additifs, solvants, vapeur de peinture).

La toxicologie d’un médicament est l’évaluation de la sécurité d’une substance qu’il contient.

1. Introduction

a) Les différentes formes de toxicologie

La toxicologie se décline en différentes disciplines, classées en trois grands groupes.

La toxicologie descriptive

La toxicologie descriptive permet d’obtenir des informations sur l’innocuité d’une substance (si elle est bien tolérée). On distingue les substances les plus utilisées chez l’homme (additifs, médicaments) et les autres substances comme les pesticides et leurs effets sur l’homme, la plante, le poisson, ou l’oiseau. C’est la discipline de base dans les centres de toxicologie.

La toxicologie mécanistique

Décrit les mécanismes mis en jeu dans les effets toxiques ou nocifs de ces substances.

La toxicologie législative

Analyse les résultats pour savoir si un produit à un risque suffisamment faible pour pouvoir être utilisé à ses fins. On met en jeu le ratio bénéfice / risque.

b) Les spécialités en pharmacologie

La toxicologie « criminelle » correspond aux études médicolégales, pour déterminer les causes et les circonstances du décès d’une personne.

La toxicologie clinique est une activé médicale, l’étude des traitements des maladies provoquées ou associées à des substances toxiques (intoxication).

La toxicologie environnementale et industrielle concerne tous les polluants et de leurs impacts sur l’environnement et la vie.

c) Le niveau de toxicité

La classification des substances ou des agents toxiques se base principalement sur leurs niveaux de toxicité. C’est une quantification du risque relatif en fonction de la dose potentiellement toxique. La toxicité peut donc être :

  • Extrême : 1mg/kg (toxine botulinique, curare)
  • Forte : 1 à 50 mg/kg
  • Modérée : 50 à 500 mg/kg
  • Faible : 0,5 à 5 g/kg
  • Pratiquement non toxique : 5 à 15 g/kg
  • Relativement sans toxicité : 15 g/kg

Il existe d’autre classifications qui se font à partir de la Dose Létale 50 (DL50), en fonction de l’organe cible, de l’origine de la substance ou des effets observés.

d) Caractéristiques d’une exposition à un agent toxique

Dans le cadre d’un exposition à un agent toxique, il est important de relever 3 caractéristiques afin d’évaluer le risque encouru :

La voie d’exposition ou d’administration

Les voies d’administration d’un médicament sont nombreuses : tractus digestif (voie orale), voie pulmonaire (produits inhalés), cutanée (substances volatiles), et les autres voies telles que l’injection.

La voie d’exposition la plus dangereuse est l’intra-veineuse puisqu’elle est immédiatement active et mobilisable, les effets toxiques sont donc très rapides.

Vient ensuite l’inhalation, rapide et dangereuse, puis l’ingestion, et enfin la voie cutanée.

La durée d’exposition

Il existe quatre catégories d’expositions :

  • Exposition aigüe : moins de 24h
  • Exposition subaigüe : 24 h à 1 mois
  • Exposition sub-chronique : 1 à 3 mois
  • Exposition chronique : plus de 3 mois.

Les effets des substances toxiques peuvent varier selon la durée d’exposition. Le benzène par exemple a un effet dépresseur lorsque l’administration est aiguë mais une administration chronique provoque des leucémies. Pour toute substance, il faut avoir une idée de la toxicité en chronique et en aiguë.

La fréquence d’exposition 

Pour beaucoup de substances, une dose administrée de manière aigüe sera non toxique mais de manière chronique et répétée, on verra apparaître une toxicité.

e) Les effets indésirables

Les médicaments entraînent chez le patient de nombreux effets :

  • L’effet thérapeutique, c’est celui recherché
  • Les effets secondaires (non liés à l’utilisation classique du médicament). Certains effets secondaires sont recherchés comme par exemple l’effet sédatif de certains antidépresseurs et d’autre seront indésirables (constipation par exemple).

f) Les différents types de toxicité

La toxicité immédiate correspond aux effets qui apparaissent très rapidement, généralement après une seule administration. La toxicité retardée correspond aux effets qui peuvent survenir très longtemps après l’administration. Par exemples, les effets cancérigènes apparaissent 20 à 30 après l’exposition à une substance.

La majorité des substances et des médicaments peuvent induire des effets immédiats, après une seule administration et entraîner plusieurs types de toxicités :

  • La toxicité réversible versus irréversible. Certains effets peuvent disparaître rapidement avec l’élimination de la substance tandis que d’autres effets peuvent perdurer plus longtemps. C’est l’organe atteint qui va conditionner cette toxicité : les toxicités au niveau du système nerveux central sont généralement irréversibles.
  • La toxicité locale versus systémique.
    • La toxicité locale correspond à la toxicité au point de contact avec l’agent toxique.
    • La toxicité systémique nécessite l’absorption et la distribution du produit, donc son passage et transport dans le sang. La plupart des composés utilisé dans les médicaments ont des effets systémiques.
  • Réaction allergique : la réaction allergique résulte d’une première sensibilisation de l’organisme soit au produit, soit à un produit qui a une structure chimique apparentée, similaire. On parle généralement de réactions d’hypersensibilité à la substance. Ces substances se comportent comme des haptènes qui vont s’associer à des protéines et former des antigènes qui vont sensibiliser la personne.
  • Réaction d’idiosyncrasie. Ce terme désigne une réactivité anormale d’origine génétique à un produit. Les curares par exemples sont utilisés comme anesthésiques et sont métabolisés par des pseudos cholinestérases. Chez certaines personnes il y a une modification génétique des pseudos cholinestérases qui deviennent atypiques. La décurarisation va durer plus longtemps.
  • Toxicité issue de l’interaction entre composés chimiques : la co-administration de substances peut modifier l’absorption d’une des deux substances, modifier de sa liaison aux protéines plasmatiques, ou encore altérer l’élimination de cette substance.

g) La tolérance

L’effet toxique peut diminuer au fur et à mesure de l’utilisation du médicament. Les dérivés nitrés par exemple sont responsables des mots de tête à cause de la vasodilatation des vaisseaux méningés mais après deux ou trois prises, ces effets disparaissent.

h) Courbe dose-réponse

La courbe dose-réponse est généralement basée sur la dose létale (dose capable de tuer). Pour un produit on aura donc deux courbes, une courbe de l’effet thérapeutique et une courbe de l’effet létal, et on va déterminer à partir de ces deux courbes la dose efficace 50 et la dose létale 50.

À partir de ces deux valeurs, on peut établir l’index thérapeutique : DL50/DE50, c’est la gamme d’utilisation du produit, plus l’index thérapeutique est petit, plus il y aura un danger potentiel lors de l’utilisation, s’il est grand, l’utilisation du produit est plus sûre.

2. Toxicologie et médicaments

a) Événements marquants

Chaque médicament subit des études de toxicologies, des phases cliniques et pré-cliniques avant d’obtenir une autorisation de mise sur le marché. Certains événements ont démontré qu’il est parfois difficile d’évaluer la toxicologie dans le cadre de l’utilisation de médicaments :

Le Thalidomide a été mis sur le marché en 1957. Initialement développé comme antibiotique, sont effet thérapeutique a été exploité sur les nausées matinales chez la femme enceinte. Malheureusement, ce produit provoqua chez plusieurs milliers d’enfants des malformations voir une absence des membres.

Le Distilbène, prescrit entre 1970 et 1983 fut développé pour éviter les accouchements prématurés. On s’est rendu compte qu’il provoquait des malformations de l’appareil génital chez les filles et des cancers.

Le Médiator, initialement antidiabétique, fut rapidement prescrit aux personnes voulant maigrir en raison de ses effets « coupe-faim ». Le nombre de personnes sous Mediator a donc considérablement augmenté, révélant ainsi des effets secondaires tels que des valvulopathies.

b) Les objectifs des études de toxicologie

Les études de toxicité génétique sont menées sur des animaux.

  • Toxicité génétique : certaines substances ont des pouvoirs mutagènes, il faut donc savoir s’il y a une éventuelle toxicité sur l’ADN et les chromosomes.
  • Pharmacologie de sécurité : étude de l’impact de la toxicité sur les grandes fonctions vitales.
  • Toxicité générale : à l’échelle de l’organisme.
  • Toxicité de la reproduction : étude de l’impact sur la fertilité, la toxicité embryonnaire, la toxicité pré-natale, post natale et juvénile.

c) Toxicologie descriptive

Il y a deux principes qu’il faut connaitre à la base des études de toxicologie descriptive. Tout d’abord, les effets que l’on produit chez l’animal doivent être identiques à ceux observés chez l’homme.La similarité des effets est estimée sur la base de la dose par unité de surface corporelle. À l’échelle du corps, l’homme est 10 fois plus sensible que l’animal. Ensuite, l’exposition des animaux de laboratoire à de très fortes doses est nécessaire et obligatoire pour mettre en évidence des risques éventuels chez l’homme.

Les études de toxicologie descriptives sont réalisées dans les centres de toxicologie qui disposent de différents services :

  • Service in vitro : tests de mutagénèse et tests sur cellules, tissus ou organes isolés.
  • Gestion des animaux : infrastructures importantes afin d’accueillir et élever des animaux.
  • Service de toxicologie : responsable de la préparation et de l’administration des substances. Ce service comprend de l’hématologie et de la biochimie clinique qui sont à la base de toutes les analyses sur le centre.
  • Service de pathologie : étude à partir des autopsies des animaux, d’examens micro et macroscopiques de tissus et d’organes prélevés.
  • Services annexes : informatique (gestion et stockage des données), secrétariat, archives.

c) Toxicologie générale

Objectifs des études de toxicité générale

  • La toxicité générale a pour objectif de parvenir à la détermination d’une dose « sans risque » pour l’entrée de tests cliniques. Il s’agit d’une marge de sécurité basée sur la dose ou si possible sur l’exposition plasmatique à :
    • La NOEL : No Observed Effect Level (sans effet)
    • La NOAEL : No Observed Adverse Effect Level (sans effets majeurs)
  • Identification d’effets adverses et d’organes cibles possible
  • Quantification de la réversibilité des effets adverses observés
  • Évaluer l’influence du sexe, de la dose, du temps et/ou d’autres facteurs.

Design des études

Les études de toxicologies sont réalisées sur des groupes de sujets (animaux et humains). Le contrôle est réalisé à partir du véhicule seul, c’est-à-dire les excipients, privés du principe actif.

Les études sur les animaux doivent être faites sur des animaux des 2 sexes et de 2 espèces différentes (dont une ne doit pas être un rongeur : chien ou singe). Ces études peuvent durer de 1 jour (une dose) à 2 ans (étude de carcogénicité) et permettent d’affiner le choix de la voie et du régime d’administration et de la voie thérapeutique.

L’objectif de la toxicologie descriptive est de déterminer différents paramètres :

  • Le NOEL (si possible > Dose Efficace 50)
  • La toxicité évidente (évaluation de la mortalité des sujets)
  • Étude des signes cliniques
  • Analyses hématologiques, clairance rénale etc.
  • Étude du comportement général

Les études post-mortem reposent juste sur l’observation des conséquences du traitement sur les organes : observation macro et microscopiques, analyse des lésiosn.

d) Les différentes études de toxicologie

Les études de toxicologies sont classées en fonction de la durée d’exposition, on distingue donc les études aiguës, des subaiguës et des subchroniques :

  • Études aiguës :
    • Administration unique du produit
    • Études courtes (pas plus de 2 semaines).
    • Études ante-mortem et post-mortemOn surveille le poids, l
    • Pas de groupe contrôle
    • Sur les rongeurs
    • Plusieurs types d’administration

Les études aiguë permettent de déterminer la dose létale 50. Les études allergènes suite à une sensibilisation de l’animal sont un exemple d’études aiguës.

  • Études subaiguës
    • Produit administré de façon répétée.
    • 2 à 4 semaines d’étude.
    • Utilisation d’espèces non rongeuses, mâles et des femelles.
  • Études subchroniques
    • Durée : 3 mois
    • Multiplication des doses.
    • Détermination de la dose NOEL (No observed effects level)
    • Utilisation de rats et de chiens
    • Détermination de la dose sans effets chroniques

e) Les tests nécessaires au développement

Test de mutagénèse

L’objectif de ce test est de déterminer toutes les interactions possible de la molécule avec notre ADN, car cela pourrait créer des effets cancérigènes.

On va tester cette substance au niveau des gènes et des chromosomes. Deux types d’études sont réalisés, in vitro (bactéries, cellules de mammifères) et in vivo (rongeur).

Ces tests interviennent très tôt dans la phase de développement du produit, avant la phase pré-clinique.

Tout d’abord sur ordi, in silico, on regarde les banques de données qui répertorient les substances mutagènes. On fait aussi le test d’Ames on utilise des bactéries Salmonella, incapables de se développer sans histidine. On va mettre en contact ces bactéries à tester avec des microsomes hépatiques pour observer une dégradation de la substance, si le produit est mutagène, la bactérie va retrouver son aptitude à produire de l’histidine et pourra se développer sur un milieu sans histidine.

Le test MNT consiste à constater s’il y a apparition de micro noyaux qui sont signe d’une aberration chromosomique suite à l’exposition à un agent mutagène.

Les effets cancérigènes de ces substances : étude de carcinogénèse

L’objectif des études de carcinogenèse est d’identifier les effets tumorigènes potentiels chez l’animal, d’évaluer le risque chez les patients et de déterminer le rôle potentiel du métabolisme, du sexe, etc.

Ces études sont les plus longues car les tumeurs mettent du temps à apparaître : elles s’étalent donc sur la durée de vie de l’animal.

Design de l’étude : les doses sont aussi fortes que possible et la durée est aussi longue que possible. Les études sont faites avec deux groupes contrôles, des études préliminaires et sur deux espèces animales différentes.

Paramètres évalués : signes cliniques, poids corporels, hématologie et autopsies.

Études de reproduction et de tératologie

Ces études sont longues et lourdes à mettre en place. Elles sont faites sur un minimum de 2 générations. On étudie la fertilité et le développement embryonnaire précoce. On va évaluer les différents processus de la reproduction, de la conception à la naissance en passant par l’implantation.

Ces études sont aussi appelées études de segments

  • Études de fertilité : traitement uniquement chez le rat avant accouplement et chez la femelle jusqu’à 6 jour de gestation. Étude des effets cliniques, de la fertilité des animaux (index de fertilité), de la santé des organes sexuels, du dérèglement de cycle chez la femelle. On va aussi faire des examens fœtaux.
  • Étude de développement et toxicité fœtale : les examens se font sur le rat et le lapin durant la gestation. Les embryons sont prélevés par césarienne. On va regarder les paramètres de toxicité maternelle et d’embryotoxicité, puis il y a des examens fœtaux (études externes, des anomalies).
  • Évaluation en pré et post-natal : traitements du jour 6 de la gestation au jour 21 de la lactation chez le rat uniquement. Études du poids, de la nutrition (comportement maternel), de la mise à bas. Les évaluations post-natales s’intéressent au régime alimentaire des bébés, aux comportements sensoriels, au déroulement de la puberté, et on regarde s’ils sont capables de se reproduire.

f) Pharmacologie de sécurité

Introduction

La pharmacologie de sécurité recherche les effets indésirables et étudie des fonctions physiologiques, surtout vitales, pour des doses utilisées chez l’homme ou pour des doses supérieures.

Objectifs

L’objectif de la pharmacologie de sécurité est d’identifier les effets pharmacocinétiques / pharmacodynamique indésirables. valuer la fréquence, durées, risques, intensité.

Règles générales

On essaye d’utiliser des animaux non anesthésiés et non restreints. L’administration de la substance est unique. On utilise la voie d’administration utilisée chez l’homme. Il faut à tout prix faire un contrôle positif et un contrôle négatif. Il faut savoir qu’il y a plus de souplesse que pour la toxicologie, dans le choix du test et de l’espèce utilisée.

Les textes réglementaires qui régissent cette pharmacologie de sécurité sont issues de l’ICH S7A.

g) Études systématiques

Avant tout traitement chez l’homme, des tests de bases doivent obligatoirement être faits. Ils concernent le cœur, le SNC, le système respiratoire et le système cardiovasculaire.

  • Le système cardio vasculaire :
    • Le test de Purkinje permet de remarquer si le produit fait varier la pression artérielle, la fréquence cardiaque, s’il modifie l’électrocardiogramme ou s’il modifie la repolarisation ventriculaire.
    • La technique de Patch clamp caractérise l’effet d’une substance sur les canaux ioniques.
    • Test télémétrique
    • Électrocardiogramme.
  • Le système nerveux central : étude basée principalement sur de l’observation en cage et à l’intérieur d’appareils spécifiques. On regarde différentes conséquences du traitement :
    • Effets sur la posture des animaux,
    • Sur les yeux : myosis mydriases
    • Sur le comportement : agressivité.
    • Apparition de convulsions
    • Apparition de stéréotypies : les animaux reproduisent sans arrêt le même geste),
    • Perte de reflex ou de réactivité.
    • Les tests complémentaires : comportement d’évitement on va voir s’il est capable d’éviter quelque chose. Test labyrinthes, X mazes = labyrinthes en croix, ou Y mazes labyrinthes en Y.

D’autres tests comportementaux sont réalisés : caractérisation du comportement d’évitement, tests labyrinthes (en croix, ou en Y)

  • Système respiratoire : l’étude du système respiratoire utilise la pléthysmographie (étude des volumes). L’animal est disposé dans une enceinte fermée, il est libre, ce qui permet de mesure des paramètres respiratoires tels que la fréquence, le volume courant.