Éthylène-glycol

Pathologie - Toxicologie

• Toxicocinétique - Métabolisme [2, 13]

  L'éthylène-glycol est bien absorbé par voies orale et inhalatoire, et plus lentement par voie cutanée ; il est largement distribué dans l'organisme. Il est éliminé dans l'air expiré (CO₂) et dans les urines (sous forme inchangée, de glycolates ou oxalates).

  Chez l'animal

  Absorption

  L’éthylène-glycol est rapidement absorbé par voie digestive, le pic plasmatique étant atteint entre 1 et 3 heures, selon l’espèce. Chez le rat et la souris, l’absorption par voie orale est quasi totale [14].

  Par inhalation, entre 60 et 90 % des vapeurs inhalées sont absorbées pendant l’exposition (rat, 32 mg/m³ pendant 30 minutes) [13].

  L’absorption cutanée de l’éthylène-glycol est de l’ordre de 30 % de la dose appliquée chez le rat après 96 heures (sous pansement occlusif, 10 et 1000 mg/kg pc d’éthylène-glycol). Chez la souris, le pourcentage est plus important, compris entre 60 et 84 % (sous pansement occlusif, 100 et 1000 mg/kg pc d’éthylène-glycol ou 1000 mg/kg pc d’une solution à 50 %) [15].

  L’éthylène-glycol est absorbé par voies digestive, cuta­née et respiratoire. L’inhalation de vapeurs ou d’aérosols n’entraîne pas d’intoxication sévère, car les concentra­tions atmosphériques réalisables et le temps d’exposition tolérable (en raison des risques d’irritation) sont trop fai­bles pour que l’absorption soit suffisante.

  La substance est rapidement distribuée dans l’organisme ; chez l’homme, son volume de distribution est faible (0,6 à 0,9 l/kg) ce qui justifie l’utilisation de l’hémodialyse dans le traitement des intoxications aiguës.

  Les effets toxiques de l’éthylène-glycol sont dus au produit inchangé et à ses métabolites, principalement les acides glycolique et oxalique qui provoquent l’acidose métabo­lique et la tubulopathie.

  L’éthylène-glycol est éliminé dans l’air expiré sous forme de dioxyde de carbone ; il est également excrété dans les urines essentiellement sous forme de produit inchangé, de glycolates et d’oxalates. Sa demi-vie plasmatique est d’environ 3 heures.

  Distribution

  La substance est rapidement distribuée dans tout l’organisme et traverse la barrière placentaire [13].

  Métabolisme

  Quelle que soit la voie d’exposition, la 1^re étape limitante est la conversion de l’éthylène-glycol en aldéhyde glycolique : cette substance possède une demi-vie très courte et est rapidement convertie en acide glycolique et, dans une moindre mesure, en glyoxal. La 2^de étape limitante consiste en l’oxydation de l’acide glycolique en acide glyoxylique [13].

  L’acide glyoxylique peut à son tour être transformé en acide formique, glycine et acide oxalique.

  Schéma métabolique

  

  Fig 1. Schéma métabolique de l’éthylène-glycol chez l’Homme [13] (*/** : étapes limitantes, saturation métabolique)

  Excrétion

  La demi-vie d’élimination plasmatique de l’éthylène-glycol est comprise entre 1 et 4 heures (administration par voie orale, chez le rat, la souris ou le singe) ; pendant les 96 heures suivant l’exposition, il est éliminé principalement dans l’air expiré (sous forme de dioxyde de carbone, ~ 22 à 55 % de la dose initiale) et dans les urines (de 21 à 56 %), essentiellement sous forme de produit inchangé, de glycolates et d’oxalates [13]. 

  Surveillance Biologique de l'exposition

  L’éthylène-glycol urinaire en fin de poste est un indicateur spécifique qui peut être utilisé pour la surveillance biologique des travailleurs exposés mais les données sont peu nombreuses et il n’y a pas de valeur biologique d’interprétation disponible.

  L’acide oxalique urinaire a également été proposé. C’est un indicateur non spécifique, métabolite de protéines et de glucides, présent dans les urines de sujets non professionnellement exposés, à une concentration généralement inférieure à 50 mg/g de créatinine.

  Le dosage de l’éthylène-glycol et de l’acide glycolique sériques/plasmatiques peuvent être proposés en cas d’intoxication aiguë (prélèvement réalisé rapidement après l'intoxication pour l’éthylène-glycol sérique).

• Mode d'actions [2]

  Les métabolites ont un rôle important dans l'action toxique de l’éthylène-glycol :

  • l’aldéhyde glycolique, le glyoxal et l’acide glycolique perturbent le métabolisme du glucose ou la synthèse des protéines,
  • les acides glycolique, glyoxylique et lactique peuvent induire une acidose métabolique,
  • l'acide oxalique forme des cristaux d'oxalate de calcium à l’origine d’une néphrotoxicité.
• Toxicité expérimentale

  Toxicité aiguë [13]

  La toxicité aiguë est faible ; les fortes doses sont à l’origine d’une atteinte du système nerveux central avec convulsions ainsi que des effets pulmonaires. Il n'est pas irritant pour la peau, légèrement irritant pour les yeux ; les vapeurs sont irritantes pour les muqueuses oculaire et respiratoire. Aucun potentiel sensibilisant n’est rapporté.

  Pour différentes espèces de rongeurs, les DL 50 par voie orale sont comprises entre 4000 (rat) et 15300 mg/kg (souris).

  La DL 50 par voie cutanée chez le lapin est de 10600 mg/kg.

  Pour différentes espèces, l’ingestion, l’application cutanée ou l’injection parentérale de fortes doses d’éthylène-glycol produisent une dépression du système nerveux central ; chez le chien, l’ingestion de doses létales est à l’origine de congestion et d’œdème pulmonaires [13].

  L’inhalation de vapeurs ou d’aérosols n’entraîne pas, habituellement, d’intoxication sévère : une atteinte systémique n’apparaît qu’à des concentrations de plusieurs centaines ou plusieurs milliers de mg/m³. Une somnolence est apparue chez des rats exposés à 500 mg/m³ pendant 28 heures en 5 jours [18]. L’irritation respiratoire par les vapeurs est manifeste à des taux beaucoup plus faibles.  Chez le rat, la CL50 4 heures est de 7000 mg/m³ [2].

  L’accumulation de glycolate entraine une acidose métabolique chez le chien (1000-1360 mg/kg) et le rat (1000 mg/kg) [13, 19].

   

  Irritation, sensibilisation [4]

  L’éthylène-glycol n’est pas irritant pour la peau.

  Chez le lapin, l’instillation oculaire d’une solution d’éthylène-glycol (4 ou 40 %, 35 applications toutes les 10 minutes) est à l’origine d’un chémosis, d’un gonflement et d’une rougeur de la conjonctive, réversibles en 7 jours.

  Deux études de sensibilisation cutanée (GPMT chez le cobaye) ont donné des résultats négatifs.

  Toxicité subchronique, chronique [13]

  L'exposition répétée par inhalation entraîne une atteinte rénale modérée ; des effets hépatiques, hématologiques et une minéralisation de certains organes peuvent aussi être observés. Le contact répété avec les vapeurs induit une irritation conjonctivale.

  L’adjonction d’éthylène-glycol à la nourriture produit chez le rat des atteintes rénales tubulaires et parfois glomérulaires. Les premiers effets à apparaitre sont la présence de cristaux d’oxalates dans les tubules, associés ou non, à des lésions tubulaires ou une altération des fonctions rénales. Ces cristaux sont détectés dès 500 mg/kg pc/j (mâles, 16 semaines) ou 300 à 375 mg/kg pc/j (mâles, 2 ans). Par la suite, l’augmentation des doses et de la durée d’exposition est à l’origine d’une augmentation du poids des reins, de dilatation tubulaire, de fibrose, de néphrose oxalique et/ou de nécrose.

  Les rats s’avèrent plus sensibles aux effets néphrotoxiques que les souris (aucun effet à 1000 mg/kg pc/j pendant 2 ans), les rats mâles étant plus sensibles que les femelles (cristaux d’oxalate à partir de 750 mg/kg pc/j pendant 2 ans).

  L’éthylène-glycol peut aussi être à l’origine d’effets sur d’autres organes. Ainsi, chez des souris mâles ayant reçu de fortes doses d’éthylène-glycol pendant 2 ans, une dégénérescence hyaline centrolobulaire est observée chez les mâles ayant reçu 3000 ou 6000 mg/kg pc/j, et chez les femelles à 12000 mg/kg pc/j.

  Quelques modifications hématologiques sont aussi rapportées chez les rats : baisse des leucocytes chez les femelles (à partir de 597 mg/kg pc/j pendant 90 jours) [20], diminution de l’hémoglobine, l’hématocrite et des érythrocytes chez les mâles exposés à 1000 mg/kg pc/j pendant 2 ans [21]. Dans cette même étude, une minéralisation des tissus mous (poumons, système cardiovasculaire ou estomac) est rapportée chez les mâles, à 1000 mg/kg pc/j. Des dépôts de cristaux d’oxalate sont observés sur les parois des vaisseaux du cerveau de rats mâles, exposés à 5000 mg/kg pc/j d’éthylène-glycol pendant 13 semaines [22].

  A partir de ces différentes études, les NOAEL les plus basses déterminées pour les effets rénaux sont de 71 mg/kg pc/j (rat mâles, 16 semaines), 150 et 375 mg/kg pc/j respectivement chez les rats mâles et femelles (2 ans).

  Très peu de données expérimentales sont disponibles par inhalation. Une discrète leucopénie est signalée deux semaines après la fin de l’exposition à 256 mg/m³ pendant 28 jours chez quatre singes ; une atteinte rénale modérée est survenue chez deux autres singes exposés selon le même protocole [18]. Une légère augmentation du poids des reins est observée chez des souris gestantes exposées à 1000 et 2500 mg/m³, sans modification histologique associée (6 h/j, du 6^e au 15^e jour de gestation) [23].

  Au niveau oculaire, une hyperhémie conjonctivale, un œdème palpébral et des opacités cornéennes sont constatés, après quelques jours d’exposition à une concentration atmosphérique de 12 mg/m³ (en continu pendant 90 jours) chez le rat et le lapin [24].

  Effets génotoxiques [2, 13]

  Les données disponibles suggèrent une absence de génotoxicité.

  In vitro

  Des résultats négatifs sont obtenus dans un test d’Ames sur S. typhimurium, des essais de mutation génique sur cellules de lymphome de souris, un test d’aberrations chromosomiques et d’échanges de chromatides sœurs, avec ou sans activation métabolique.

   

  In vivo

  La grande majorité des tests réalisés chez le rat et la souris a donné des résultats négatifs, quelle que soit la voie d’exposition :

  • aberrations chromosomiques sur la moelle osseuse de souris (ip, 0 et 2,5 ml/kg) [25] ou par gavage (0 - 253 à 1595 mg/kg pc/j, pendant 10 jours) [26],
  • échanges de chromatides sœurs sur la moelle osseuse de souris (sous cutanée ; 0, 0,14 à 1,5 g/kg) [26],
  • micronoyaux chez la souris (gavage, pendant 10 jours ; 0, 253 à 1 595 mg/kg pc/j) [26],
  • mutations dominantes létales chez le rat (voie orale, 40-200 ou 1000 mg/kg pc/j sur 3 générations) [21].

  Un test d’aberrations chromosomiques sur la moelle osseuse de rats mâles (gavage à 1200 mg/kg, seule dose testée) donne un résultat positif [2]. Des résultats positifs douteux (trop peu d’animaux par dose testée, doses maximales toxiques) sont obtenus dans le test des micronoyaux sur les érythrocytes de la souris par voie orale (0, 2,5, 3,125, 6,25 et 12,5 ml/kg) et par injection intrapéritonéale (0, 1,25, 2,5 et 6,25 ml/kg) [25].

  Effets cancérogènes

  Le peu de données disponibles ne met en évidence aucun potentiel cancérogène.

  Aucun effet cancérogène n’est rapporté dans l’étude du NTP menée chez la souris (dans l’alimentation, 1500 - 3000 ou 6000 mg/kg pc/j pour les mâles et 3000 - 6000 ou 12000 mg/kg pc/j pour les femelles).

  De même, des injections sous-cutanées, répétées 2 fois par semaine pendant un an, n’entrainent aucune augmentation du nombre de tumeurs chez le rat [27].

  Effets sur la reproduction [2]

  De légers effets sur la fertilité (dégénérescence tubulaire chez la souris et augmentation de la durée de gestation chez les rates) ont été observés uniquement à forte dose par voie orale chez le rongeur. L’éthylène-glycol est à l’origine d’une fœtotoxicité, d’une embryotoxicité et de malformations essentiellement squelettiques chez le rat et la souris, les souris paraissant plus sensibles à ces effets.

  Fertilité

  Voie orale :

  Des souris ont été exposées à différentes doses d’éthylène-glycol via l’eau de boisson (en continu, 0-410-840 et 1640 mg/kg pc/j). Il n’y a eu aucune toxicité parentale liée au traitement (consommation, poids, signes cliniques) ; à noter qu’aucune étude histologique des tissus reproducteurs ni aucune analyse spermatique n’a été faite. Une légère diminution significative du nombre de portées par couple fertile a été observée à la plus forte dose testée [28].

  Dans une autre étude suivant un protocole similaire, des souris ont été exposées à 0-897-1798 et 2826 mg/kg pc/j, sans aucune toxicité parentale ni effet sur la fertilité rapporté pour les générations F0 (et F1). Chez les mâles exposés à la plus forte dose, ont été rapportées :

  • pour la génération F0, une diminution significative du pourcentage de spermatozoïdes motiles, une augmentation des anomalies spermatiques, de l’incidence et de la sévérité des lésions testiculaires et épididymaires (dégénérescence des tubes séminifères, pertes de cellules germinales, vacuolisation des cellules épithéliales et hyperplasie interstitielle),
  • pour la génération F1, des lésions épididymaires (dégénérescence des tubes séminifères et hyperplasie interstitielle).

  Toutefois, les effets mis en évidence sur les testicules et certains paramètres spermatiques sont difficiles à interpréter du fait de la forte incidence de ces effets chez les témoins.

  Chez les femelles de toutes les générations, ce traitement n’a entrainé aucun effet sur le cycle œstral, l’appareil reproducteur féminin ou le nombre de follicules ovariens [29, 30].

  Des souris ont été exposées par gavage pendant 20 jours (incluant l’accouplement) à 0-250-700 et 2500 mg/kg pc/j. Chez les mâles et les femelles, les paramètres étudiés sont restés inchangés (poids des testicules et des épididymes, nombre et motilité des spermatozoïdes ; nombre d’implantations) [31].

  Chez le rat, une étude sur 3 générations (dans l’alimentation, 0-40-200 et 1000 mg/kg pc/j, pendant 100 jours, soit pré-accouplement + gestation + lactation (parents) et sevrage à maturité pour la première et la seconde génération) n’a montré ni signe de toxicité, ni effet sur les performances reproductrices (indices de fertilité, de gestation et de survie, poids durant la lactation, délai entre le premier accouplement et la première portée), ni lésion histologique pour les 2 sexes [21].

  Aucune modification du nombre d’implantations n’est mesurée chez des rats recevant jusqu’à 2250 mg/kg pc/j, du 6^e au 20^e jour de gestation ; seule la durée moyenne de la gestation est augmentée chez les rates exposées à 1250 et 2250 mg/kg pc/j [22].

   

  Voie inhalatoire :

  Chez des souris exposées à 150-1000 ou 2500 mg/m³ (diamètre moyen particules de 2,3 µm, 6 h/j, du 6^e au 15^e jour de gestation), aucune modification des paramètres de la reproduction n’est rapportée. Seule une diminution significative du poids corporel durant la gestation et du poids de l'utérus est observée chez les mères à 1000 et 2500 mg/m³ [32].

  Développement [13]

  Voie orale : 

  Suite à l’exposition de souris à différentes doses d’éthylène-glycol via l’eau de boisson (en continu, 0-410-840 et 1640 mg/kg pc/j), une diminution significative du nombre de nouveau-nés vivants par portée et du poids fœtal est observée à la plus forte dose. Lors des accouplements de la génération F1, la fertilité ou la taille des portées n’est pas modifiée [28].

  Dans une autre étude suivant un protocole similaire (souris, 0-897-1798 et 2826 mg/kg pc/j), le poids corporel des femelles F1 est diminué à toutes les doses ; à la plus forte dose, le nombre de nouveau-nés vivants par portée et le poids du foie des femelles sont diminués [29]. Chez les mâles F1 exposés à la plus forte dose, sont rapportées :

  • une diminution du poids corporel à toutes les doses et du foie à 2826 mg/kg pc/j,
  • des lésions rénales chez 60 % des mâles, à 2826 mg/kg pc/j,
  • une dégénérescence des tubes séminifères et des lésions épididymaires (hyperplasie interstitielle),
  • une diminution significative du nombre de spermatozoïdes, mais non dose-dépendante (à 897 et 1798 mg/kg pc/j mais pas à 2826 mg/kg pc/j), du pourcentage de spermatozoïdes motiles (à partir de 1798 mg/kg pc/j) et du poids relatif des testicules et des épididymes (à partir de 1798 mg/kg pc/j).

  Plusieurs études réalisées chez le rat ou la souris rapportent une foetoxicité aux fortes doses testées (2500-5000 ou 11000 mg/kg pc/j), en présence de toxicité maternelle. Pour des doses inférieures, les résultats varient :

  • absence d’effet sur le nombre de total d’implantations, de pertes préimplantatoires ou la taille des portées (rat, jusqu’à 1000 mg/kg pc/j, du 6^e au 15^e jour de gestation) [33],
  • aucun effet sur le nombre de pertes pré- et postimplantatoires ou le développement chez le lapin, même en présence de toxicité maternelle (2000 mg/kg pc/j, 6^e au 19^e jour de gestation) [34],
  • augmentation des malformations et des variations squelettiques à 500 et 1500 mg/kg pc/j, baisse du poids fœtal à 1500 mg/kg pc/j en absence de toxicité maternelle (souris, gavage, 0-50-150-500-1500 mg/kg pc/j, 6^e au 15^e jour de gestation) [35],
  • embryotoxicité (effets sur le poids et la taille des embryons) et augmentation des malformations (exencéphalie, gastrochisis, fente labiale, côtes) à partir de 858 mg/kg pc/j, sans information concernant la toxicité maternelle (rat, 0-253-638-858-1073-1595 mg/kg pc/j, du 6^e au 15^e jour de gestation) [26],
  • chez les nouveau-nés, diminution du poids des reins (1250 et 2250 mg/kg pc/j) ; à 2250 mg/kg pc/j, baisse du poids corporel et de l’utérus, augmentation des portées avec des nouveau-nés présentant des malformations (squelettiques et hydrocéphalie) (rats, 0-250-1250-2250 mg/kg pc/j, 6^e au 20^e jour de gestation) [2],
  • diminution du poids fœtal et augmentation des malformations et variations squelettiques (côtes surnuméraires, fusion costale, absence ou faible ossification) à 1000 et 2500 mg/kg pc/j, augmentation des malformations externes et viscérales (notamment hydrocéphalie, hernie ombilicale, gastrochisis) à 2500 mg/kg pc/j, en présence de toxicité maternelle uniquement à 2500 mg/kg pc/j (rat, gavage, 0-150-500-1000-2500 mg/kg pc/j, du 6^e au 15^e jour de gestation).

  Dans l’étude sur 3 générations précédemment rapportée, aucun signe de toxicité n'est observé ni aucun effet sur les performances reproductrices des générations F1 et F2 (indices de fertilité, de gestation et de survie, poids durant la lactation, délai entre le premier accouplement et la première portée) [21].

  Le NTP a étudié les conséquences postnatales d’une exposition prénatale chez le rat (gavage, 0-250-1250 et 2250 mg/kg pc/j, du 6^e au 20^e jour gestation). Une augmentation significative des effets sur le développement est rapportée à 2250 mg/kg, en présence de toxicité maternelle (présente à 1250 et 2250 mg/kg pc/j). Les auteurs ont évalué les effets postnataux au moyen d'une série de tests : croissance pondérale (corps et organes), viabilité, maturité sexuelle, activité locomotrice, apprentissage, paramètres morphologiques. Seule une diminution du poids du corps, des reins et du cerveau est mesurée au jour postnatal 22, ainsi qu'une diminution du poids du cerveau au jour 63, à 2250 mg/kg pc/j [36].

  Des rats ont été exposés par gavage à 0 ou 2500 mg/kg pc/j, du 8^e au 15^e jour de gestation. Chez les mères, une diminution du poids est mesurée pendant la gestation ; chez les nouveau-nés, les effets sont les suivants :

  • diminution du poids corporel des ratons aux jours 18 et 21 de la gestation ainsi qu’à la naissance (jour post natal ou PND1), réversible dès le PND4,
  • augmentation des anomalies squelettiques aux jours 18 et 21 de la gestation ainsi qu'aux PND 1, 4, 14, 21 (100 % des portées) et 63 (80 % des portées).

  Le pourcentage des nouveau-nés présentant des anomalies par portée passe de 87 (PND21) à 25 % (PND63) : les auteurs de cette étude suggèrent donc que les retards d’ossifications et les anomalies squelettiques observées ne sont pas permanentes [37].

   

  Voie inhalatoire :

  Les résultats des études réalisées avec une exposition corps entier doivent être interprétés avec précaution du fait de l’ingestion d’éthylène-glycol déposé sur la fourrure des animaux (voie probablement majoritaire, contribution estimée entre 65 et 95%) [2].

  Des rats et des souris ont été exposés à des concentrations de 150-1000 ou 2500 mg/m³ (exposition corps entier, diamètre moyen particules de 2,3 µm, 6 h/j, du 6^e au 15^e jour de gestation). Des effets embryotoxiques et foetotoxiques ont été observés à 1000 et 2500 mg/m³ chez les souriceaux : augmentation des implants non viables par portée, diminution du poids fœtal, de la proportion des mâles, du pourcentage de fœtus vivants par portée, hausse des malformations et des variations externes viscérales et squelettiques. Une augmentation significative des variations externes viscérales et squelettiques a aussi été rapportée à 150 mg/m³. Lorsque l’exposition est uniquement nasale, dans les mêmes conditions, seule une diminution significative du poids corporel des souriceaux est observée à 1000 et 2500 mg/m³.

  Chez le rat, des retards d’ossification sont rapportés chez les nouveau-nés exposés par voie nasale à 1000 et 2500 mg/m³ [32].

  Selon le CERHR Expert Panel (2004), l'éthylène-glycol n'est pas directement responsable de la toxicité sur le développement : celle-ci résulterait de l'accumulation d’un de ses métabolites, l'acide glycolique.

• Toxicité sur l’Homme

  L' ingestion d'éthylène-glycol provoque des troubles neurologiques, digestifs, une acidose métabolique, des convulsions et une atteinte tubulaire rénale. En cas d'exposition répétée, une dépression du système nerveux central et une hyperlymphocytose ont été rapportées. Il est irritant pour les voies respiratoires et les yeux.

  Toxicité aiguë [38-42]

  L’ingestion d’éthylène-glycol est suivie, après quelques heures de latence, de troubles digestifs (nausées, vomis­sements, douleurs abdominales) et d’une dépression du système nerveux central. Les métabolites du solvant sont responsables d’une acidose métabolique, de convulsions, d’une tubulopathie aiguë anurique, de troubles hémody­namiques et d’un œdème aigu pulmonaire, en partie par atteinte myocardique. La constatation d’une hypergly­cémie et d’une hyperleucocytose est habituelle. En revanche, l’hypocalcémie est inconstante. Des cristaux d’oxalates sont retrouvés dans les urines.

  Toxicité chronique [38]

  Des signes de dépression du système nerveux central, plu­sieurs cas de nystagmus et d’hyperlymphocytose ont été signalés chez des ouvrières exposées aux vapeurs de l’éthylène-glycol.

  Des volontaires, exposés à un mélange d’aérosols et de vapeurs d’éthylène-glycol, ne se plaignaient d’aucune gêne à une concentration de 68,5 mg/m³ ; à 137 mg/m³, ils signalaient une irritation des muqueuses oculaires et des voies aériennes supérieures ; au-delà de 200 mg/m³, l’intensité de l’irritation rendait la poursuite de l’exposi­tion impossible. Aucun effet systémique n’a été constaté.

• Interférences métaboliques
• Cohérence des réponses biologiques chez l'homme et l'animal