Toxicité du venin

En bref: Le venin étant un mélange de plusieurs substances chimiques appelées toxines, la mesure de sa toxicité est assez complexe. Pour évaluer la toxicité d’une substance, on détermine en général sa capacité létale sur des animaux, au cours d’expériences codifiées de manière très précise. Ces mesures permettent ensuite de trier les substances chimiques selon leur dangerosité, mais aussi selon l’organe qu’elles attaquent.

Photo d'une cuboméduse (source: fr.vikidia.org)

Le venin est un liquide secrété par les organes de certains animaux (pour les plantes, on parlera plutôt de « poison »), qui peut en général être inoculé par morsure ou par piqûre. La « guêpe de mer » est par exemple considérée comme l’animal le plus venimeux au monde : cette cuboméduse, qui porte les surnoms révélateurs de « main qui tue », « main de la mort » ou « piqueur marin », peut tuer un humain en seulement quelques minutes grâce à son venin, transmis à travers ses piqûres. Vivant au large des côtes Nord-Ouest de l’Australie, elle aurait déjà tué plus de 70 personnes, un chiffre certainement sous-estimé.

Définition: la cuboméduse est une petite méduse des eaux tropicales chaudes qui se distingue de la méduse par la forme cubique de son ombrelle.

Comme les espèces qui les injectent, les venins présentent une très grande diversité, puisque leurs différentes toxines peuvent s’attaquer à l’appareil cardio-vasculaire, au sang, aux cellules, ou directement au système nerveux. En raison de ces différences dans leur mode opératoire, une méthode est nécessaire pour mesurer de la même façon la dangerosité de ces venins et ainsi les comparer voire les classer. On parle alors de la toxicité du venin.

La toxicité

De manière générale, la toxicité d’une substance est sa capacité à produire des effets nocifs à un organisme vivant selon la dose, la fréquence et la durée d’exposition, et le temps d’apparition des signes cliniques. La mesure de la toxicité couvre des domaines très variés, puisqu’en plus des animaux et des plantes, elle quantifie la nocivité des médicaments, armes chimiques, pesticides et autres produits industriels.

Revenons alors à nos animaux venimeux : la toxicité d’un venin est définie comme la résultante de l’action pharmacologique de ses différents composants et de la réponse de l’organisme envenimé.

Définition : la pharmacologie est l’étude de l’action des toxiques sur l’organisme.

Pour évaluer les effets sur un humain, on doit d’abord évaluer la gravité de l’exposition à la substance. Trois formes de toxicité sont distinguées : la toxicité aiguë, la toxicité à court terme (subaiguë et subchronique) et la toxicité à long terme (chronique). Leurs caractéristiques sont regroupées dans le tableau suivant :

Forme	Fréquence	Durée
Aiguë	Unique	< 24 heures
Subaiguë	Répétée	< 1 mois
Subchronique	Répétée	De 1 à 3 mois
Chronique	Répétée	> 3 mois

C’est généralement la toxicité aiguë qui est étudiée expérimentalement, en raison de la difficulté, du coût et de la souffrance engendrés par la reproduction des autres formes.

La « Dose Létale médiane » de Trevan

Au début des années 1900, pour mesurer la toxicité d’une substance, on évaluait sa capacité létale sur des animaux. En 1927, John William Trevan introduit la notion de Dose Létale médiane (ou DL50) pour préciser cette mesure, et en donne une définition universelle : c’est la dose de substance (en milligrammes de matière active par kilogrammes de poids de l’animal) causant la mort (correspondant à l’arrêt cardiaque) de 50% d’une population animale donnée (souvent des souris et des rats) dans des conditions d’expérimentation précises.

Remarque : pour une substance inhalée, on parle de Concentration létale50 ou (CL50).

John William Trevan (source: lookandlearn.com) Biographie: John William Trevan est né le 23 juillet 1887 à Plymouth, en Angleterre. A partir de ses 15 ans, il passe l’examen pour intégrer l’Ecole Scientifique et Technique de Plymouth, et assiste pendant trois ans aux premiers enseignements de science, qui étaient rares par ailleurs à cette époque. Il poursuit ensuite des études de médecine au St Bartholomew’s Hospital, où il décroche de nombreux prix. Il s’oriente plus tard vers la carrière de physicien expérimental. Il meurt d’une occlusion coronaire en 1957, à l’âge de 69 ans. Sa biographie complète : Royal Society Publishing (lien en anglais)

Pour effectuer ces mesures, il faut donc administrer la substance toxique étudiée à une certaine population d’animaux. En considérant que la létalité de la substance dépend uniquement de la dose inoculée (courbe dose- réponse), on refait cette expérience avec des doses de plus en plus élevées, jusqu’à ce que toute la population soit tuée. Pour chaque dose, on note le nombre de sujets décédés, ce qui donne une courbe sigmoïde. La DL50 est alors trouvée en analysant la courbe, à l’aide de régressions linéaires.

Définition: une courbe sigmoïde a la forme d’un sigma majuscule Σ, ou d’un S.

Mais pour que cette mesure ait un sens, il faut que les conditions expérimentales soient parfaitement contrôlées, que les expériences soient faites de façon à pouvoir être renouvelées, et que des analyses mathématique et statistique des observations soient possibles. Ainsi, pour être reproductibles et comparables, les conditions opératoires sont codifiées de façon stricte. Par exemple, c’est la voie intraveineuse qui a été choisie pour l’injection de la dose de substance, dans les mesures standardisées, car elle donne des résultats beaucoup plus homogènes. En pratique, dans la nature, la diversité des voies d’administration est presque aussi grande que la diversité des venins et la diversité des espèces concernées. Par ailleurs, Trevan lui-même a établi, par l’expérience, qu’une population d’environ 30 individus représentait l’équilibre le plus satisfaisant entre souffrance animale et établissement d’un modèle statistique précis.

Les limites de cette mesure

Cette méthode, toujours utilisée par les toxicologues pour faire une première estimation de la dangerosité d’une substance, a été contestée dès son apparition, en raison notamment de la grande souffrance animale qu’elle engendre, mais aussi de la non-reproductibilité des mesures et de leur coût. Pour tenter d’améliorer la précision de l’analyse de données, et ainsi limiter le nombre d’expériences et la perte d’animaux, plusieurs méthodes d’analyse de résultats ont été proposées, comme l’analyse des « probits » de Finney. Cette dernière permet, à partir d’une série imprécise de points en escalier, de trouver mathématiquement la courbe sigmoïde correspondante. Elle autorise donc l’extrapolation des résultats, malgré un petit nombre d’observations. Malheureusement, aucune des méthodes d’analyse existante n’a pu régler la question de manière satisfaisante, c’est-à-dire sans tuer ni faire souffrir aucun animal.

Photo d'un crotale, un serpent venimeux (source: fr.wikipedia.org)

De plus, des chercheurs irlandais ont découvert en 2019 que la toxicité mesurée du venin de serpent varie énormément d’une espèce à l’autre, en raison de la différence des proies auxquelles ils ont affaire. En effet, la mesure de DL50 proposée par Trevan repose sur le fait que tous les venins soient testés sur les mêmes animaux, afin d’étalonner leur toxicité et d’unifier les mesures. Mais les chercheurs ont constaté que le venin de chaque serpent est plus efficace sur la proie qu’il consomme préférentiellement, elle a évolué en ce sens. Il devient donc difficile de classer les venins en fonction de leur dangerosité, puisque celle-ci évolue en fonction de l‘animal sur lequel la substance est testée. Il faudrait donc tester les venins sur un nombre beaucoup plus large d’espèces différentes, ce qui augmenterait encore la souffrance animale lors de ces recherches.

Enfin, le fait que chaque venin contienne plusieurs toxines, c’est-à-dire plusieurs substances chimiques attaquant des organes différents, augmente la complexité de l’étude. Le choix d’une courbe dose-réponse trouve ici sa limite, puisque c’est uniquement la toxine la plus rapide dans son effet, c’est-à-dire celle qui tue le plus rapidement le sujet, qui est prise en compte.

Comparaison des DL50 et application à l’homme

Après avoir trouvé la DL50 d’une substance, il faut ensuite pouvoir la classer parmi d’autres. Cette comparaison peut être l’objet de confusions en raison de l’existence de deux échelles de toxicité différentes au niveau de leurs indices, « l’échelle de Hodge et Sterner » et « l’échelle de Gosselin, Smith et Hodge », toutes deux illustrées ci-dessous.

Echelle de Hodge et Sterner

Classe de toxicité	Description courante	DL50 orale (dose unique pour les rats) mg/kg	CL50 inhalation (exposition pendant 4 heures pour les rats) ppm	DL50 cutanée (application unique sur la peau de lapins) mg/kg	Dose létale probable pour les humains
1	Extrêmement toxique	1 ou moins	10	5 ou moins	1 grain (1 goutte, contact avec la bouche)
2	Hautement toxique	1 à 50	De 10 à 100	De 5 à 43	4 mL (1 cuillérée à thé)
3	Modérément toxique	De 50 à 500	De 100 à 1 000	De 44 à 340	30 mL (1 oz liquide)
4	Légèrement toxique	De 500 à 5 000	De 1 000 à 10 000	De 350 à 2 810	600 mL (1 chopine)
5	Très peu toxique	De 5 000 à 15 000	De 10 000 à 100 000	De 2 820 à 22 590	1 litre (1 pinte)
6	Relativement sans danger	15 000 ou plus	100 000 ou plus	22 600 ou plus	Plus de 1 litre (plus de 1 pinte)

Echelle de Gosselin, Smith et Hodge

Indice ou classe de toxicité	Dose	Dose létale probable pour un homme de 70 kg
6 Super toxique	Moins de 5 mg/kg	1 grain (une pincée - moins de 7 gouttes)
5 Extrêmement toxique	5 à 50 mg/kg	4 mL (entre 7 gouttes et 1 c. à thé)
4 Très toxique	50 à 500 mg/kg	30 mL (entre 1 c. à thé et 1 on. liquide)
3 Modérément toxique	0,5 à 5 g/kg	30 à 600 mL (entre 1 on. liquide et 1 chopine)
2 Légèrement toxique	5 à 15 g/kg	600 à 1 200 mL (entre 1 chopine et 1 pinte)
1 Presque pas toxique	Plus de 15 g/kg	Plus de 1 200 mL (plus d'un pinte)

En général, si cette appréciation de la toxicité aiguë est la même pour tous les animaux, elle sera probablement semblable pour les humains. Lorsque ce n’est pas le cas, il devient nécessaire de faire de nombreuses approximations et hypothèses pour estimer l’effet sur l’humain.

Où en est-on actuellement ?

Depuis 2004, l’Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (ou ANSES) française a lancé un programme visant à cataloguer les Valeurs Toxicologiques de Référence (ou VTR) d’un grand nombre de substances, afin d’établir une expertise française solide et partagée par les différentes institutions concernées. Ces valeurs se fondent sur les données déjà récoltées, et prennent en compte les différences telles que l’organe attaqué, et la voie d’administration. En avril 2022, l’ANSES avait déjà établi la liste d’une cinquantaine de substances, que l’on peut retrouver sous le lien suivant : Liste des Valeurs Toxicologiques de Référence. Enfin, il existe d’autres types d’études qui permettent de caractériser la toxicité d’une substance, comme les études épidémiologiques, qui comparent plusieurs groupes d’individus, ou les études in vitro, qui sont effectuées sur des cultures de tissus ou des cellules. Malgré tout, la mesure de la DL50 reste aujourd’hui encore la méthode la plus utilisée pour l’évaluation de la toxicité du venin.

Bibliographie/Webographie

TREVAN John William, The error of determination of toxicity, article publié dans Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character en 1927, <https://royalsocietypublishing.org/doi/epdf/10.1098/rspb.1927.0030 > (lien en anglais)

GADDUM John Henry, John William Trevan, 1887-1956, article publié dans Biographical memoirs of fellows of the Royal Society en novembre 1957, <https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsbm.1957.0019 > (lien en anglais)

MORICE E., Méthode d’analyse des observations par « tout ou rien », article publié dans la Revue de Statistique appliquée en 1961, <http://www.numdam.org/article/RSA_1961__9_3_33_0.pdf >

CHIPPAUX, Jean-Philippe, chapitre Toxicologie des venins du livre Venins de serpent et envenimations, édité chez IRD Editions en 2002 <https://books.openedition.org/irdeditions/10621?lang=fr >

ALDEBERT Pierre, Poisons et venins, chronique réalisée sur la Radio Chrétienne Francophone (RCF) entre février et juin 2009, <https://www.cermav.cnrs.fr/wp-content/uploads/2018/04/poisons-venins.pdf >

Toxicologie, article publié sur le site Géoconfluences de l’ENS de Lyon en juin 2012, <http://geoconfluences.ens-lyon.fr/glossaire/toxicologie >

Qu’est-ce que DL50 et CL50 ?, fiche d’information publiée sur le site du Centre Canadien d’Hygiène et de Sécurité au Travail (ou CCHST) en novembre 2018, <https://www.cchst.ca/oshanswers/chemicals/ld50.html >

CHAUVEAU Loïc, La toxicité du venin de serpent dépend de sa proie, article publié sur le site du magazine Sciences et Avenir en janvier 2019, <https://www.sciencesetavenir.fr/animaux/reptiles-et-amphibiens/la-toxicite-du-venin-des-serpents-depend-de-la-proie_130723 >

Cours de toxicologie (2020-2021), Institut des Sciences Vétérinaires, Université Frères Mentouri Constantine I <https://fac.umc.edu.dz/vet/Cours_Ligne/cours_20_21/Toxicologie_A5/TOX5.pdf >

SADASIVAN Kalathil Pillai et al., John William Trevan’s concept of Median Lethal Dose (LD50/LC50) – more misused than used, article publié dans Journal of Pre-Clinical and Clinical Research (JPCCR) en juillet 2021, <http://www.jpccr.eu/pdf-139588-67132?filename=John%20William%20Trevan_s.pdf > (lien en anglais)

GURDJIAN Chloé, Quels sont les animaux les plus venimeux du monde ? , article publié sur le site du magazine GEO en mars 2022, <https://www.geo.fr/environnement/quels-sont-les-animaux-les-plus-venimeux-du-monde-208978 >

Valeurs toxicologiques de référence (VTR), article publié sur le site de l’Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (ANSES) en avril 2022, <https://www.anses.fr/fr/content/valeurs-toxicologiques-de-r%C3%A9f%C3%A9rence-vtr >

Box Jellyfish, article publié sur le site de National Geographic, <https://www.nationalgeographic.com/animals/invertebrates/facts/box-jellyfish > (lien en anglais)

Comment évaluer un effet toxque ?, article publié sur le site de la Commission des Normes, de l’Equité, de la Santé et de la Sécurité au Travail (CNESST), <https://reptox.cnesst.gouv.qc.ca/toxicologie/notions-toxicologie/pages/08-comment-evaluer-effet-toxique.aspx >