Évaluation in vivo de la toxicité de nanoparticules de cuivre et d'oxyde de zinc biosynthétisées administrées par voies intrapéritonéale et intraveineuse chez le rat

Résumé

Les nanoparticules (NP) de cuivre (Cu) et d'oxyde de zinc (ZnO) sont largement utilisées comme agents antimicrobiens dans les cosmétiques, additifs alimentaires et médecine. Cependant, leur toxicité potentielle pour l'homme et les écosystèmes reste une préoccupation majeure. Cette étude a examiné le devenir in vivo et le profil de sécurité de NP de Cu biosynthétisées (Bio-CuNP) et de ZnO (Bio-ZnONP) chez des rats Wistar mâles, administrées soit par voie intrapéritonéale (i/p) soit intraveineuse (i/v). Les doses variaient de 6,1–19,82 µg kg⁻¹ pour Bio-CuNP et 11,14–30,3 µg kg⁻¹ pour Bio-ZnONP, reflétant les concentrations utilisées dans les études antibactériennes. Sur 28 jours, nous avons surveillé la mortalité, le poids corporel, le comportement, l'hématologie, la biochimie sérique (créatinine, ALT, AST, ALP), les poids d'organes et l'histopathologie du foie, rein, rate et cerveau. Aucun décès n'est survenu dans les deux groupes. Les Bio-ZnONP, quelle que soit la voie, n'ont pas altéré les biomarqueurs hépatiques ou rénaux, et les changements de poids corporel étaient minimes. En revanche, les Bio-CuNP à 9,5–11,7 µg kg⁻¹ (i/v) ont produit des élévations légères à modérées des ALT, AST et ALP sériques persistantes jusqu'au jour 28, accompagnées d'indices de rate et de foie réduits et de preuves histologiques de vacuolisation hépatique et de dommages tubulaires rénaux. La voie i/p a atténué ces effets. Globalement, les Bio-ZnONP ont présenté un profil de sécurité plus favorable, suggérant leur adéquation potentielle pour des applications biomédicales intraveineuses.

Contexte

Le cuivre et le zinc sont des oligo-éléments essentiels, pourtant une exposition excessive à leurs formes nanoparticulaires peut déclencher hémolyse, irritation gastro-intestinale et toxicité d'organes. Avec l'expansion rapide des nanoparticules à base de métaux dans les produits de consommation et médicaux, comprendre leurs interactions biologiques et dangers potentiels est devenu primordial. De précédentes études in vivo ont examiné l'exposition intranasale, intratrachéale et orale aux CuNP et ZnONP, mais les données sur les voies systémiques — intraveineuse (i/v) et intrapéritonéale (i/p) — restent rares. Ce travail comble cette lacune en évaluant la toxicocinétique et les effets au niveau des organes de CuNP et ZnONP biosynthétisés de 16–96 nm chez des rats Wistar mâles, utilisant des gammes de doses alignées avec les études d'efficacité antibactérienne.

Méthodes

Biosynthèse

Les CuNP et ZnONP ont été produites extracellulairement en utilisant le surnageant de Enterococcus faecalis non pathogène, donnant des particules sphériques de 12–90 nm pour CuNP et 16–96 nm pour ZnONP (confirmation par MEB-FEG et TEM).

Plan d'étude animale

Des rats Wistar mâles de 16 à 17 semaines (160–200 g) ont été acclimatés une semaine avant le dosage. Les rats ont été assignés aléatoirement à six groupes par voie (i/p et i/v), chacun contenant six animaux. Les doses étaient préparées dans l'eau stérile (stock 50 mg mL⁻¹) et diluées aux concentrations finales de 6,1–19,82 µg kg⁻¹ (CuNP) et 11,14–30,3 µg kg⁻¹ (ZnONP). Les témoins recevaient de l'eau distillée. Toutes les procédures suivaient les Bonnes Pratiques de Laboratoire et étaient approuvées par le Comité d'Éthique Animal institutionnel (Approval no. 346/CPCSEA).

Observations

Les signes cliniques étaient enregistrés quotidiennement ; la consommation d'eau et nourriture, le poids corporel et le comportement étaient surveillés tous les deux jours. L'hématologie (GR, GB, hémoglobine, plaquettes) et la biochimie sérique (créatinine, ALT, AST, ALP) étaient mesurées aux jours 14 et 28. Les poids d'organes étaient obtenus post-mortem, et les indices d'organes calculés comme : O_X = (poids organe/poids animal) / (poids organe témoin/poids animal témoin). Les sections histologiques de foie, rein, rate et cerveau étaient colorées H&E et examinées au microscope.

Analyse statistique

Les données sont exprimées en moyenne ± ET (N = 6 par groupe). La significativité statistique était évaluée par ANOVA avec tests post-hoc ; p < 0,05 était considéré significatif.

Résultats et Discussion

Poids corporel et observations cliniques

Tous les rats ont survécu à la période de 28 jours. Les réductions de poids corporel étaient modestes (<5 %) et transitoires pour les deux types de nanoparticules. Les Bio-ZnONP ont produit les plus petits changements de poids, tandis que les Bio-CuNP à la dose i/v la plus élevée (11,7 µg kg⁻¹) ont montré une baisse statistiquement significative au jour 28 (p < 0,05).

Hématologie

L'hématologie au jour 14 a révélé de légères diminutions non significatives de GR, GB et plaquettes pour Bio-CuNP (i/v) à CI₅₀ et CTL. Au jour 28, les paramètres hématologiques sont revenus à la ligne de base, indiquant l'absence de toxicité hématopoïétique persistante. Les Bio-ZnONP n'ont altéré aucun index hématologique à quelque dose ou voie que ce soit.

Biochimie sérique

Les taux de créatinine sont restés dans les limites normales pour tous les groupes. Les Bio-CuNP (i/v) ont causé des élévations modérées d'ALT (jusqu'à 67,7 mg dL⁻¹), AST (70 UI L⁻¹) et ALP (128 UI L⁻¹) persistantes jusqu'au jour 28, reflétant une lésion hépatocellulaire et cholestatique. En revanche, les Bio-ZnONP (i/v et i/p) n'ont pas modifié significativement ALT, AST ou ALP à quelque dose que ce soit. La voie i/p a atténué les élévations d'enzymes hépatiques pour les Bio-CuNP, soulignant une toxicité dépendante de la voie.

Indices d'organes et histopathologie

Les indices de foie et rate étaient significativement réduits pour Bio-CuNP (i/v) à CI₅₀ et CTL (p < 0,05), tandis que Bio-ZnONP n'a produit aucun changement détectable. L'histologie a corroboré ces résultats : Bio-CuNP (i/v) a induit une vacuolisation cytoplasmique hépatique, congestion de la veine centrale et nécrose tubulaire rénale, alors que Bio-ZnONP a préservé l'architecture normale. Les sections de rate de Bio-CuNP (i/v) montraient une cellularité de la pulpe rouge réduite, tandis que la structure splénique restait intacte après exposition aux Bio-ZnONP.

Toxicité dépendante de la voie

L'administration intraveineuse a constamment provoqué des altérations biochimiques et histologiques plus importantes pour les Bio-CuNP comparée à la délivrance intrapéritonéale. Les Bio-ZnONP étaient bien tolérées par les deux voies, avec seulement de mineurs changements de poids réversibles et aucun dommage d'organe.

Conclusion

Cette évaluation in vivo complète démontre que les ZnONP biosynthétisées présentent un profil de sécurité supérieur aux CuNP lorsqu'elles sont administrées systémiquement aux rats. Alors que les CuNP induisaient une hépatotoxicité et une lésion rénale dose-dépendantes — surtout par voie i/v — les ZnONP causaient des effets indésirables négligeables à concentrations comparables. Ces résultats soutiennent l'exploration future de ZnONP intraveineuses pour applications biomédicales, les CuNP nécessitant une optimisation prudente de la dose et de la voie pour atténuer la toxicité d'organes.

Abréviations

ALT

Alanine aminotransférase

AST

Aspartate aminotransférase

ALP

Phosphatase alcaline

Bio-CuNP

Nanoparticules de cuivre biogéniques

Bio-ZnONP

Nanoparticules d'oxyde de zinc biogéniques

CI₅₀

Concentration inhibitrice 50 %

CNOAEC

Concentration sans effet adverse observable

CTL

Concentration totale létale

i/p

Voie intrapéritonéale

i/v

Voie intraveineuse