Un mécanisme synergique proposé pour la fièvre des fondeurs impliquant des nanoparticules de ZnO et de Fe3O4

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15643 (2022) Citer cet article

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La fièvre des fondeurs (FEM) est une affection inflammatoire, dont le mécanisme n'est pas encore clair, associée à l'inhalation de vapeurs métalliques, en particulier de zinc. Dans cette étude, nous étudions expérimentalement l'hypothèse d'un mécanisme en deux étapes d'apparition du MFF : (1) la production photocatalytique de peroxyde d'hydrogène dans l'air (H2O2) via ZnO et (2) la production de radicaux hydroxyle (HOׄ) par la réaction de Fenton via la magnétite. (Fe3O4) nanoparticules. La photocatalyse et les produits de la réaction de Fenton ont été mesurés à l'aide d'un dispositif d'absorbance à multidiffusion et évaluant la dégradation du bleu de bromophénol avec la photométrie sur microplaque, respectivement. Nous avons observé qu'en présence d'UV, le ZnO produit 3 à 4 fois plus de H2O2 que les UV seuls ou que le ZnO non irradié par les UV. En présence de ligands biologiquement pertinents, nous avons également mesuré une réaction de Fenton à pH physiologique avec des nanoparticules de Fe(II), Fe(III) ou Fe3O4. Nos résultats soutiennent l'hypothèse d'un mécanisme en deux étapes d'apparition du MFF, dans lequel la présence préalable de Fe dans les poumons exacerbe le stress oxydatif, déclenché par la photocatalyse de ZnO, une situation qui pourrait se produire lors du soudage de l'acier galvanisé. Plus largement, cela pose la question du rôle du mécanisme de Fenton dans l'exposition respiratoire aux particules métalliques et de son éventuelle contribution à d'autres maladies pulmonaires.

La fièvre des fondeurs (FMP) est une maladie professionnelle déclarée chez les soudeurs et caractérisée par des plaintes aiguës non spécifiques telles que des symptômes pseudo-grippaux, de la fièvre, des frissons, des maux de tête, des myalgies, des malaises, de la toux et des nausées1. L'apparition des symptômes survient généralement 4 à 10 h après l'arrêt de l'exposition aux fumées contenant des métaux. Les signes cliniques initiaux sont minimes, la fréquence respiratoire, l'examen pulmonaire et l'oxymétrie de pouls étant normaux2,3. Avec une exposition continue aux vapeurs métalliques pendant une semaine, on observe souvent une tachyphylaxie, avec les symptômes les plus graves après une période sans exposition (par exemple un week-end) et une amélioration des symptômes au cours de la semaine de travail. Dans une revue de cas rétrospective, le jour le plus fréquent de manifestation des symptômes était le lundi avec une diminution constante de la fréquence au cours des jours de semaine suivants1. La radiographie pulmonaire initiale est généralement normale ; les études de laboratoire ne sont la plupart du temps pas nécessaires mais peuvent montrer une leucocytose avec déplacement vers la gauche et une élévation des marqueurs inflammatoires. Le test de la fonction pulmonaire pendant la phase aiguë peut démontrer une diminution de la capacité vitale, qui se normalise avec la récupération. Le traitement de la MFF est symptomatique et de bon pronostic avec une récupération rapide et totale en 12 à 48 h après l'arrêt de l'exposition dans la majorité des cas3. Les séquelles à long terme sont très inhabituelles. Alors que les cas graves de MFF sont rares, les cas bénins sont fréquents. En 2006, la prévalence de la MFF aux États-Unis était estimée à 1500-2500 cas par an2.

Le soudage implique la génération d'un arc électrique comme source d'énergie puissante capable de faire fondre les métaux, avec un large rayonnement spectral d'émission couvrant le domaine UV4,5. La production de particules fines/ultrafines d'oxyde métallique par le procédé de soudage par vaporisation-condensation est également bien établie. Lors du soudage de l'acier inoxydable, les vapeurs métalliques provenant de la masse fondue et de l'électrode forment, dans des conditions de refroidissement et d'oxydation, des nanocristaux et de fines particules de magnétite6. Dans le cas de l'acier inoxydable galvanisé, l'aérosol généré est encore enrichi en particules de ZnO. Malgré la coexistence de rayonnements à haute énergie et de particules d'oxydes métalliques pouvant se comporter comme des semi-conducteurs, les mécanismes actuels proposés pour le MFF ne considèrent pas les UV et leurs interactions possibles avec les particules métalliques comme des variables causales, mais se concentrent principalement sur les scénarios d'inhalation de particules. Il a été suggéré que le MFF était induit par l'inhalation de particules métalliques telles que celles émises lors du soudage. En effet, la taille de ces particules, généralement de l'ordre du micro et du nanomètre, peut facilement atteindre la région pulmonaire alvéolaire. L'exposition à des concentrations aussi élevées que 77 à 600 mg de Zn/m3 a été acceptée pour induire la MFF7. Néanmoins, une exposition à 2 mg/m3 pendant 1 h s'est récemment révélée suffisante pour induire une augmentation du niveau des marqueurs hématologiques8, alors qu'aucun effet hématologique ou cardiovasculaire n'a été observé chez les sujets exposés à 0,5 mg/m3 de ZnO pendant 2h9.

Si la physiopathologie précise du MFF est encore inconnue, on soupçonne qu'une fois les particules de fumées de soudage déposées dans les régions bronchiolaires et alvéolaires, le ZnO contenu dans induit la formation locale d'espèces radicalaires de l'oxygène (ROS). Ces ERO stimulent, via une voie de signalisation cellulaire, la libération de cytokines pro-inflammatoires (dont le facteur de nécrose tumorale (TNF), l'interlékine-6 (IL-6) et -8 (IL8)) par les macrophages pulmonaires11 entraînant le développement de symptômes tels que ceux observés dans MFF10. Des études épidémiologiques sur des soudeurs ont confirmé la relation temps-réponse et dose-réponse entre l'exposition et la concentration de TNF, d'IL-6 et d'IL-8 dans le lavage bronchoalvéolaire. Cependant, alors que la libération de cytokines pro-inflammatoires a été suivie dans la population exposée professionnellement11,12, aucune étude n'a été menée, à notre connaissance, sur l'induction d'ERO par les fumées métalliques.

En revanche, il a été démontré que des ERO exogènes étaient générés13 par des particules contenant des métaux provenant de sources de combustion telles que la circulation automobile, la combustion d'encens, la fumée de cigarette ou la cuisson au gaz (voir Wang14. En particulier, une corrélation positive significative a été trouvée entre Mn , la teneur en V et en Zn de ces particules et les concentrations de ROS De plus, la fraction métallique soluble dans l'eau des particules fines ambiantes était associée à la production de ROS15.

La nature nanométrique des particules n'est pas suffisante pour expliquer l'apparition de MFF chez les soudeurs ou sa relation particulière avec le ZnO comme récemment démontré8. Si l'on considère, d'une part, les propriétés photocatalytiques du ZnO et, d'autre part, la capacité des métaux de transition à produire HOׄ via des réactions redox dites de Fenton 16, d'autres mécanismes peuvent être envisagés.

Récemment, Lenzen et al. ont rapporté un scénario de stress oxydatif original dans lequel le peroxyde d'hydrogène agit comme une espèce pro-radicalaire capable de distribuer le radical hydroxyle dans les cellules via des réactions de type Fenton localisées17. De même, nous émettons ici l'hypothèse que les facteurs environnementaux (UV, humidité relative) et la présence de nanoparticules de ZnO et de Fe3O4 permettent la production de radicaux hydroxyles - via la production de peroxyde d'hydrogène gazeux - qui contribuent à exacerber la réponse inflammatoire au ZnO, expliquant ainsi la caractère hautement circonstanciel de l'apparition de la FFM. Plus précisément, nous voulons évaluer si une combinaison de nanoparticules de ZnO et de Fe3O4 activées par les UV induit une voie de stress oxydatif photo-activée dans les cellules épithéliales, selon un scénario en deux étapes :

Le ZnO, sous forme de couche de revêtement d'acier ou de nanoparticules produites à chaud, exposé à la lumière UV produit d'abord du peroxyde d'hydrogène gazeux par photocatalyse ;

Le peroxyde d'hydrogène inhalé déclenche la génération in situ de radicaux hydroxyles via une réaction hétérogène de type Fenton avec les nanoparticules de Fe3O4 préalablement déposées dans les poumons.

S'ils sont établis, ces mécanismes soutiendraient la théorie du mécanisme ROS dans l'apparition du MFF et pourraient expliquer pourquoi il est fréquemment associé au soudage de l'acier galvanisé, qui implique la lumière UV ainsi que des nanoparticules de Fe3O4 et une couche de ZnO.

L'hypothèse d'un mécanisme de déclenchement en deux étapes du MFF suite à une exposition aux fumées de soudage repose sur une double hypothèse schématisée à la Fig. 1 : (1) lors du soudage de l'acier galvanisé, la couche de ZnO - ainsi que le ZnO NP généré par la chaleur en suspension dans l'air – subit une photocatalyse UV à proximité de l'arc de soudage produisant du H2O2 en phase gazeuse ; (2) Lorsqu'il est en contact avec du Fe3O4 NP stabilisé par un ligand préalablement déposé dans les voies respiratoires (exposition aiguë/chronique), le H2O2 inhalé (exposition aiguë) déclenche une réaction de Fenton in situ avec production de radicaux hydroxyles.

Schémas de l'hypothèse du mécanisme MFF en 2 étapes qui repose sur des conditions spécifiques où l'exposition chronique à des nanoparticules de magnétite finalement stabilisées avec des ligands biologiques dans les voies respiratoires subit une réaction de Fenton à un pH physiologique déclenchée par l'exposition aiguë au H2O2 en phase gazeuse généré par photocatalyse ZnO-UV .

En se concentrant sur la photocatalyse ZnO, la configuration expérimentale représentée à la Fig. 2 visait à imiter le scénario de soudage de l'acier galvanisé près de la surface soudée, où les particules de ZnO sont exposées à la lumière UV (254 nm) en présence d'air. En bref, le flux d'air (2L/min) conduit le H2O2 produit par photocatalyse à partir de la couche ZnO NP vers l'impacteur de collecte rempli d'eau ultra pure, pour analyse. Les résultats obtenus à différents niveaux d'humidité relative (HR) montrent clairement l'effet de l'irradiance UV sur la génération de H2O2 catalysée par le ZnO (Fig. 3). De manière similaire à ce qui a déjà été observé pour le TiO2, le comportement semi-conducteur du ZnO irradié aux UV permet une oxydation rapide des molécules d'eau en surface via la formation de ²/h+18. Fait intéressant, la production de H2O2 dans l'air est plus élevée dans des conditions d'humidité relative modérée (56 %) - 12,3 pmol/Lair que dans des plages d'humidité relative inférieure (12 %) et supérieure (82 %), toutes deux présentant une valeur d'environ 8,3 pmol/Lair. L'analyse comparative des expériences témoins correspondantes, ZnO/UV(-) et ZnO(-)/UV, met en évidence la formation de H2O2 provenant de la réactivité croisée de l'oxygène singulet de génération UV ·O1 avec l'eau, la réactivité maximale de l'air— 5,1 pmol/Lair—étant atteint à une HR élevée. Le calcul de l'ensemble des rendements photocatalytiques qui englobent à la fois les apports de ZnO et d'air fournit des valeurs comprises entre 3,4, 4,0 et 3,2 correspondant respectivement à des conditions d'humidité relative faible, douce et élevée. Dans ces conditions expérimentales, un rendement photocatalytique maximal de 3,4 est atteint à une HR douce spécifiquement pour le ZnO, en éliminant la réactivité air-UV.

Vue schématique de la configuration expérimentale pour l'exposition de la couche déposée par nanoparticules de ZnO au rayonnement UV (254 nm) et détermination quantitative ultérieure du H2O2 en suspension dans l'air produit par photocatalyse.

Potentiel d'oxydation du H2O2 (pmol/Lair) en suspension dans l'air produit photocatalytiquement après exposition à un rayonnement UV (254 nm), pour trois conditions expérimentales : UV seuls, ZnO seuls, UV et ZnO.

Outre la génération photocatalytique de H2O2 en phase gazeuse, première hypothèse de notre hypothèse mécaniste, la possibilité qu'une réaction de Fenton se produise avec Fe3O4 NP à pH physiologique a été étudiée. De plus, des expériences comparatives ont été réalisées avec Fe(II) et Fe(III) puisque la dissolution de Fe3O4 NP rend plausible la coexistence des réactions Fe(II)/Fenton et Fe(III)/Fenton. Cependant, la réaction de Fenton à fer zérovalent (ZVI/Fenton) n'est pas susceptible de se produire puisque la condensation/oxydation des vapeurs de Fe(0) donne principalement lieu à la formation de nanocristaux de magnétite6.

De manière similaire aux études précédentes, la dégradation d'un colorant organique - ici le bleu de bromophénol (BPB) - a été utilisée pour évaluer indirectement la réaction de Fenton par la génération de radicaux hydroxyles dans le système19. La cinétique de dégradation du BPB a été suivie à l'aide de mesures à haut débit basées sur l'absorbance (590 nm) dans un format de microplaque à 96 puits. Les courbes de la Fig. 4 montrent la cinétique de dégradation du BPB obtenue avec Fe(II), Fe(III) ou Fe3O4 NP en présence (ou non) de ligands biologiques tels que citrate, oxalate et mucus dilué. Ces courbes cinétiques sont calculées à partir des courbes de réponse temporelle corrigées par le contrôle des valeurs d'absorbance correspondantes. En l'absence de ligand, aucune dégradation significative du BPB n'est observée pour Fe(II) et Fe(III) après addition de H2O2, alors que le signal d'absorbance correspondant à Fe(II) augmente légèrement en raison probablement de la formation progressive d'une interférence optique. À son tour, la présence de citrate avec Fe(II) et Fe(III) induit une dégradation plus rapide du BPB après 4 h indiquant la génération de radicaux hydroxyle dans le système. De même, l'oxalate et le mucus s'avèrent être des ligands favorables des deux ions fer pour permettre à Fenton de se produire à un pH quasi physiologique, atteignant des valeurs relatives de [BPB] entre 40 et 80 % après 12 h. Contrairement à Fe(II) et fe(III), Fe3O4 NP en l'absence de ligand montre une dégradation efficace du BPB à la suite de l'addition de H2O2 avec environ 50% de BPB dégradé sur la période de mesure. La décoloration du colorant est encore améliorée lorsque le citrate et l'oxalate agissent comme agents chélatants atteignant 80 % de dégradation au maximum. Les constantes de vitesse cinétique apparente calculées correspondantes du premier ordre, k1, résumées dans le tableau 1, fournissent des informations supplémentaires sur le rôle de la chélation dans l'amélioration de la réaction de Fenton dans des conditions quasi physiologiques. Les constantes de vitesse calculées permettent à la fois la comparaison quantitative de la capacité des différents ligands à conduire la réaction de Fenton pour une espèce de fer individuelle donnée, Fe(II), Fe(III) ou Fe3O4 NP ainsi que l'effet comparatif d'un ligand donné sur Fe( II) et Fe(III) en raison de leurs concentrations équimolaires expérimentales. Cependant, à condition que dans le cas de Fe3O4 NP la concentration des sites actifs Fe(II) et Fe(III) reste inconnue, aucune comparaison croisée ne peut être établie avec les constantes de vitesse obtenues pour Fe(II) et Fe(III). Des précautions similaires doivent être prises pour interpréter l'effet du mucus par rapport au citrate et à l'oxalate puisque sa composition qualitative et quantitative n'est pas connue avec précision. L'analyse des constantes de vitesse apparentes obtenues indique clairement que le citrate agit favorablement sur Fe(II), Fe(III) et Fe3O4 NP pour activer ou améliorer la réaction de Fenton à pH physiologique. À son tour, l'oxalate n'a pas d'effet significatif sur Fe(II) et améliore légèrement le coefficient de corrélation de la linéarisation de premier ordre pour Fe(III) (R2 = 0,71) même si aucune constante de vitesse apparente ne doit être estimée de manière cohérente. Dans le cas du mucus, l'amélioration de la cinétique de la réaction à partir de la situation sans ligand est visible pour Fe(II) et de façon plus importante pour Fe(III). Les NP Fe3O4 natives permettent la réaction de Fenton en présence de H2O2 et les résultats cinétiques de la réaction de Fenton sont encore augmentés en présence de citrate ou d'oxalate, environ du double. Un effet inverse est observé avec Fe3O4 NP en présence de mucus qui semble agir soit comme un inhibiteur de la réaction de Fenton via le piégeage du radical hydroxyle éventuellement produit soit comme un revêtement passivant par physisorption sur la surface du NP.

Dégradation du BPB induite par l'ajout de H2O2 (5 mM) calculée à partir des données cinétiques spectrophotométriques pour Fe(II) (a), Fe(III) (b) et Fe3O4 NP (c). Chaque point résulte de la correction des valeurs expérimentales d'absorbance avec les blancs correspondants (pas de BPB ; pas de H2O2) et après conversion en concentration de BPB.

De même que quelques oxydes de métaux de transition qui présentent un comportement semi-conducteur, généralement TiO2 – ZnO absorbe fortement dans le domaine de la lumière UV avec la formation de paires électron/trou de surface (bande interdite d'énergie 3,36 eV)20,21. Bien que trois structures cristallines de ZnO - wurtzite, zinc blende et sel gemme - puissent être trouvées, le premier réseau est largement prédominant (structure hexagonale avec symétrie de liaison tétraédrique) en raison de sa stabilité thermodynamique accrue22. Pour les deux couches d'ingénierie ZnO NP et ZnO formées par oxydation à l'O2 de l'acier galvanisé (taux de croissance du ZnO : 5 µm/an), le réseau cristallin dans des conditions ambiantes est la structure Wurtzite23,24,25. Dans des conditions environnementales, la recombinaison rapide ē/h+ se produit via deux processus redox impliquant l'oxygène moléculaire et l'eau. Il en résulte la formation d'une série de ROS tels que les anions radicaux superoxyde, les radicaux hydroxyle et le peroxyde d'hydrogène. Compte tenu de la demi-vie ultra-rapide du radical hydroxyle (10–6 s)17 et de la stabilité relative du peroxyde d'hydrogène gazeux dans les conditions ambiantes (durée de demi-vie de 2 à 24 h), il est probable que cette dernière espèce contribue principalement à la mesure. Du peroxyde d'hydrogène a été trouvé dans le flux d'air expérimental s'écoulant de la chambre de ZnO activé par les UV avec un rendement photocatalytique moyen d'environ 4 fois dans des conditions d'humidité relative modérée. Dans une étude antérieure portant sur le mécanisme photocatalytique impliqué dans l'aérosol de TiO2 NP exposé aux UV, nous avons déjà observé que la principale réponse ROS provenait de la phase gazeuse26. Les présents résultats confirment, au moins qualitativement, qu'une partie du peroxyde d'hydrogène produit en surface de ZnO, en tant que ROS le plus stable, se retrouve dans le milieu environnant. La signification de l'humidité relative optimale pour que la photocatalyse se produise dans notre configuration expérimentale reste inexpliquée, mais il est clair que dans des conditions environnementales réalistes, l'irradiance UV produit du peroxyde d'hydrogène en suspension dans l'air. Les gaz inertes de protection (argon ou hélium) sont utilisés dans le cadre du soudage professionnel précisément pour empêcher les processus d'oxydation, il ne faut donc pas s'attendre à une génération de ROS directement au point de soudage. Cependant, la génération de peroxyde d'hydrogène gazeux est susceptible de se produire dans une zone plus large où les rayonnements UV induits par l'arc rencontrent l'air ambiant et le ZnO, soit sous la forme de nanoparticules générées par la chaleur en suspension dans l'air, soit d'une couche de revêtement métallique natif. Étonnamment, malgré le comportement photocatalytique connu du ZnO, le risque potentiel associé à l'exposition par inhalation de ROS pendant le soudage a été à peine signalé jusqu'à présent. En revanche, la génération d'ozone via la réaction induite par les UV de l'oxygène moléculaire en singulet d'oxygène est présentée comme un danger potentiel dans la littérature sur la sécurité au travail dédiée au soudage. Loin de prétendre imiter étroitement une situation de soudage professionnel, bien que l'éclairement énergétique estimé dans la configuration expérimentale (1,6 mW/cm2) se situe dans la plage des valeurs mesurées professionnelles (0,045-2,2 mW/cm2), les expériences actuelles indiquent fortement que -le soudage de l'acier donne lieu à une source supplémentaire de ROS telle que le peroxyde d'hydrogène, capable de diffuser librement de la surface exposée aux UV ZnO vers l'espace environnant. La concentration maximale d'exposition au H2O2 peut être estimée en tenant compte : (i) de la quantité totale de H2O2 produite au cours d'une expérience (400 pmol en 10 min) ; (ii) le volume moyen théorique inhalé durant cette période (75 L). En supposant qu'aucune dilution n'affecte la concentration de H2O2 de la source à la zone respiratoire (scénario le plus défavorable), la concentration maximale de H2O2 résultante est de 5,3 nmol/m3. Cette valeur est bien inférieure à la limite d'exposition professionnelle (OEL) de 21 µmol/m3 (0,71 mg/m3 ; 8 h TWA). À elle seule, l'exposition au H2O2 provenant du comportement photocatalytique du ZnO en présence d'un rayonnement UV pourrait difficilement provoquer des symptômes de MFF, mais l'hypothèse d'un effet déclencheur de la réaction de Fenton est toujours plausible.

Concernant la deuxième hypothèse de notre hypothèse, l'effet accélérateur des ligands chélateurs sur les vitesses de réaction de Fenton et de type Fenton à pH acide en présence de Fe(II), Fe(III) ou Cu(I) est bien rapporté dans la littérature comme une approche prometteuse pour l'élimination des contaminants organiques des eaux usées27,28. Une telle amélioration de la cinétique de réaction est principalement attribuée au fait que l'interaction métal-ligand abaisse le potentiel redox E° du complexe en réduisant sa charge positive29,30. Cet impact des ligands polydentés sur le complexe se traduit en outre par l'extension du pH effectif jusqu'à des valeurs circumneutres. De plus, la chélation du fer dans le complexe empêche la formation d'hydroxydes de Fe(III), permettant au cycle clé Fe(III)/Fe(II) de se produire28. Semblable aux résultats obtenus ici, le citrate appartient au pool d'agents chélatants biologiques au comportement réducteur doux qui favorisent efficacement la réaction de Fenton à partir de Fe (II) avec la génération de radicaux hydroxyle à pH proche de la neutralité. Cependant, la dernière espèce n'est pas observée en l'absence de ligand28,31. À son tour, l'absence de réaction de Fenton observée avec l'oxalate agissant comme ligand chélateur pourrait être attribuée à la faible constante de stabilité du complexe formé avec Fe (II), bien que les résultats d'oxalate/acide oxalique soient efficaces pour améliorer les systèmes photo-Fenton30.

La dégradation du BPB observée pour le Fe3O4 natif à pH neutre traduit la réaction hétérogène de type Fenton se produisant à la surface du NP en présence de H2O2. Les propriétés redox uniques de la magnétite NP ont été liées à sa structure cristalline spinelle inverse dans laquelle la moitié des ions Fe(III) sont coordonnés de manière tétraédrique tandis que l'autre moitié de Fe(III) et tous les Fe(II) sont coordonnés de manière octaédrique32. Cette structure cristalline permet à l'oxyde de fer à valence mixte de subir un transfert d'électrons efficace de Fe(II) et Fe(III) dans les sites octaédriques33. En d'autres termes, les deux espèces ioniques constitutives de la magnétite peuvent être oxydées et réduites de manière réversible sans modifier la structure cristalline34. La pensée rationnelle en termes de potentiel redox conduit à l'hypothèse que le potentiel redox standard pour ≡Fe(III)/≡Fe(II) à la surface Fe3O4 NP serait nécessairement inférieur à la valeur correspondante pour Fe(III)/Fe( II) en solution (E° = 0,77 V). En termes de mécanisme, la réaction hétérogène efficace de type Fenton observée avec Fe3O4 NP à pH neutre, où le rôle des ions dissous pourrait être négligé, implique la formation d'espèces de fer de haute valence telles que ≡Fe(IV) comme intermédiaires33. De plus, le rapport surface/volume élevé et la localisation des sites actifs à la surface des particules sont responsables de l'amélioration de l'activité catalytique du Fe3O4 NP par rapport à son homologue en vrac34. Cette réaction hétérogène de type Fenton représente une procédure de minéralisation bien établie pour obtenir une dégradation réductrice de nombreux polluants organiques via la génération de radicaux hydroxyle28,33,35,36,37. Fait intéressant, Qu et al. ont récemment montré qu'une réaction rapide de type Fenton est obtenue dans des membranes BiOI à deux facettes présentant des sites de réaction riches/pauvres en électrons38. Par analogie avec la membrane à facettes, le rôle du nanoconfinement spatial des radicaux hydroxyles à la surface de la magnétite NP et le pontage électronique interne rapide des sites Fe(II)/Fe(III) adjacents sont des mécanismes possibles qui devraient être explorés pour expliquer le l'efficacité de Fenton qui en résulte. Dans ce contexte de réaction hétérogène de type Fenton, l'action positive observée du citrate et de l'oxalate sur la constante de vitesse de réaction pourrait être attribuable à leurs propriétés réductrices douces permettant un cycle ≡Fe(III)/≡Fe(II) efficace. En revanche, la présence de mucus semble entraver l'accessibilité des sites de réaction de surface du Fe3O4 NP entraînant une réduction significative de la vitesse de réaction de type Fenton correspondante. On pourrait émettre l'hypothèse que la formation d'une couronne de protéines sur la surface de Fe3O4 NP par physisorption ou/et interactions électrostatiques pourrait causer un tel problème d'encombrement stérique.

Les résultats obtenus dans cette étude soutiennent l'hypothèse d'un mécanisme de déclenchement du MFF en deux étapes via une réaction photocatalytique de ZnO et la production intra-pulmonaire d'espèces ROS via une réaction de Fenton. Cette preuve de concept expérimentale ne constitue cependant pas une démonstration du rôle d'un mécanisme de Fenton dans la réponse inflammatoire pulmonaire. Bien que nous ayons essayé de reproduire expérimentalement des conditions proches de l'environnement pulmonaire en termes de pH, de température (37 °C) et de présence de ligands, ces conditions ne sont pas suffisantes pour représenter la complexité de l'environnement biologique. D'autres études, par exemple à l'aide de modèles 3D in vitro, seront encore nécessaires pour consolider ces hypothèses. La validation du mécanisme expliquerait la prévalence du MFF chez les soudeurs travaillant sur de l'acier galvanisé, ce qui implique une exposition chronique aux nanoparticules de fer et la présence circonstancielle de surfaces et de particules de ZnO ainsi que de la lumière UV. Fait intéressant, cette hypothèse mécaniste implique également que l'exposition chronique aux nanoparticules de magnétite produit des radicaux hydroxyles dans les cellules des voies respiratoires via la réaction de Fenton. L'apparition de MFF ne serait alors "que" la manifestation aiguë d'un stress oxydatif, dont on sait qu'il contribue à long terme à d'autres maladies pulmonaires. Cependant, des études complémentaires dans des conditions expérimentales plus proches de celles du soudage doivent être menées pour conforter cette hypothèse.

nanopoudres de magnétite ZnO (< 100 nm) et Fe3O4 (< 50 nm) (Aldrich) ; sulfate de fer(II) d'ammonium (Merk), chlorure de fer(III) hexahydraté (Merk) ; bleu de bromophénol (Aldrich); acide sulfurique 98% (Merck); sel tétrasodique de xylénol orange (Fluka); D-sorbitol (Fluka) ; Hydroxyde de sodium (Fluka); acide chlorhydrique 30% (VWR); le citrate de sodium tribasique dihydraté (Aldrich) ; acide oxalique (Aldrich), eau ultrapure (MiliQ, 18,2 MΩ.cm à 25 °C, < 5 ppb de carbone organique total, filtré à travers un filtre de 0,2 µm).

La configuration expérimentale pour évaluer la production de H2O2 gazeux à partir de la photocatalyse ZnO induite par les UV est illustrée à la Fig. 2. En bref, il s'agissait d'une plaque de verre recouverte de ZnO NP (dépôt humide de multicouche NP) insérée dans une demi-verre horizontale. cylindre avec bouchons d'entrée/sortie d'air positionnés à chaque extrémité. Fait important, le demi-cylindre a été scellé avec une plaque supérieure en quartz face à une lampe à tube UV-C (modèle Camag 29 200 ; 254 nm). En amont, un système à deux voies connecté à de l'air pur sous pression et à un nébuliseur rempli d'eau (Collison, 250 ml) a permis d'alimenter la chambre d'exposition décrite précédemment (2 L) avec de l'air à humidité relative contrôlée. La surveillance de la température et de l'humidité relative a été réalisée à l'aide de l'enregistreur de données Ecolog TH1 (Elpro). Au cours des expériences, le flux d'air (1 Lmin-1) a été conduit à travers la chambre d'exposition en contact avec la couche de ZnO NP et finalement dirigé hors de celle-ci, vers un impacteur de collecte (5 mL de miliQ H2O). Des débitmètres massiques numériques (red-y, Vögtlin Instruments AG, technologie de débit, Aesch BL, Suisse) ont été utilisés pour mesurer les débits d'air dans l'installation. A chaque passage, l'air sortant a été collecté pendant 10 min et analysé pour H2O2 produit par photocatalyse. Un compteur de particules à lecture directe (DustTrackII; National Instruments) a été utilisé pour surveiller l'absence de particules dans le flux d'air du véhicule. Les expériences de contrôle consistaient à mesurer le H2O2 généré i) sans rayonnement UV et ii) sans ZnO NP.

Les concentrations de H2O2 gazeux recueillies par impact ont été analysées avec le dispositif photonique basé sur l'absorbance améliorée par multidiffusion adaptée au dosage FOX-II39. La solution de dosage FOX a été préparée quotidiennement en mélangeant du sulfate de fer (II) d'ammonium (260 µM), du xylénol orange (130 µM) et du D-sorbitol (100 mM) dans de l'acide sulfurique (25 mM). La solution a été conservée dans un flacon en verre coloré (100 mL). Immédiatement après chaque essai expérimental, la solution de collecte (300 µL) a été ajoutée dans le flacon FOX (700 µL) et la mesure a été traitée pendant 3 min. Chaque série a été mesurée en triple.

Des solutions ferriques et ferreuses ont été préparées à 1 mM dans de l'eau MiliQ ; pour les solutions de mélange fer-ligand, 10 mM de citrate ou d'oxalate ont été ajoutés. Du mucus a été prélevé à partir de douze inserts bronchiques MucilAir - le modèle cellulaire in vitro de l'épithélium des voies respiratoires humaines cultivé à l'interface air-liquide d'Epithelix (Genève, Suisse) par centrifugation à 300 tr/min pendant 5 min. Une fois poolé, le mucus a été dilué dans de l'eau MilliQ pour atteindre une concentration de 10 g L-1 de fer en solution. Pour la préparation des suspensions de magnétite NP, 150 mg de nanopoudre ont été directement ajoutés dans chacune des solutions de ligands (100 ml d'oxalate, de citrate ou de mucus) aux concentrations mentionnées et soniquées pendant 5 min. Toutes les solutions/suspensions ont été préparées quotidiennement et conservées à 4°C. Avant utilisation, le pH a été ajusté à 7. Une solution aqueuse de bleu de bromophénol (BPB) a été préparée à partir d'une solution mère concentrée de MeOH à une concentration finale de 20 uM.

L'efficacité de la réaction de Fenton dans différentes conditions de spéciation du fer.

–Fe(II), Fe(III), Fe3O4 NP—et les types de ligands—citrate, oxalate, mucus—a été évalué à travers la dégradation du bleu de bromophénol (BPB) par les ions hydroxyle produits. Le BPB présente une forte absorptivité molaire à 590 nm, ainsi sa dégradation due à la réaction de Fenton a été surveillée à l'aide d'un spectrophotomètre (lecteur de microplaques multimode Infinite® 200 PRO de Tecan Group Ltd.) et d'un système de microplaques à 96 puits. Chaque puits a été rempli avec la solution/suspension fer-ligand (200 µL), BPB (10 µL de 20 µM) et H2O2 (10 µL de 100 mM). Deux séries d'expériences témoins ont été réalisées pour chaque couple fer-ligand : (i) remplacement de H2O2 par H2O ultrapur ; (ii) remplacer BPB par H2O. Une autre expérience de contrôle consistait à remplacer le fer par H2O ajusté à pH 7,0, comme indiqué sur la Fig. 5. La cinétique de dégradation du BPB a été déterminée sur 24 h (1 run/h ; 37 °C ; 3 s d'agitation entre les runs) avec tous les conditions expérimentales en triple, et analysées sur la même microplaque. Les profils de dégradation du BPB ont été calculés à partir des valeurs d'absorbance comme suit :

où : \(\left[BP{B}_{H2O2}\right]=[\left(FeL+BPB+{H}_{2}{O}_{2}\right)-\left(FeL+{H }_{2}{O}_{2}\right)]\), et\(\left[BPB\right]=[\left(FeL+BPB\right)-\left(FeL\right)]\ ).

Protocole expérimental pour la détermination quantitative de la production de radicaux hydroxyle à partir de la réaction de Fenton avec plusieurs systèmes fer/ligand à pH 7,0. L'expérience est réalisée sur une microplaque de 96 puits avec des volumes de réaction finaux de 200 µL/puits. Pour chaque système FeL étudié, la combinaison des situations de contrôle et de "réaction complète" permet de déterminer l'évolution cinétique de la dégradation du BPB induite par la libération d'hydroxyle radicalaire.

Afin d'estimer les constantes cinétiques de la réaction de Fenton mesurées indirectement en tant que dégradation du BPB, les données d'absorbance correspondantes ont été converties en [BPB] - exprimées en mol/L - via une courbe d'étalonnage établie à pH 7,0 dans la plage de 0 à 2 µM. Pour chacune des situations fer/ligand, les constantes d'ordre zéro, premier et second ont été déterminées à partir des tracés de linéarisation adéquats [Santana_2019]. Les coefficients de corrélation les plus élevés ont été observés pour le modèle de premier ordre – Ln([BPB]) = f(t) – fournissant des valeurs constantes de vitesse apparente significatives, k1, chaque fois que R2 > 0,9.

Une approbation éthique n'était pas requise pour cette étude car aucune recherche n'a été menée sur des sujets humains ou animaux.

Les données expérimentales générées au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par des subventions du Centre suisse de toxicologie humaine appliquée (SCAHT) et de la Fondation pour la recherche sur les poumons de poussière (Stiftung für Staublungen-Forschung, Luzern).

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Jacques A. Pralong

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Correspondance avec David Vernez.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Suárez, G., Niculita-Hirzel, H., Correia, D. et al. Un mécanisme synergique proposé pour la fièvre des fondeurs impliquant des nanoparticules de ZnO et de Fe3O4. Sci Rep 12, 15643 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19956-1

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Reçu : 07 juin 2022

Accepté : 07 septembre 2022

Publié: 19 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-19956-1

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