Protoxyde d'azote

Le protoxyde d'azote, également appelé oxyde nitreux, hémioxyde d'azote ou encore gaz hilarant, est un composé chimique de formule N2O.

Protoxyde d'azote



Structure du protoxyde d'azote.
Identification
Nom UICPA protoxyde d'azote
Synonymes

oxyde nitreux
oxyde de diazote
gaz hilarant
« proto »[1]
No CAS 10024-97-2
No ECHA 100.030.017
No CE 233-032-0
No RTECS QX1350000
Code ATC N01AX13
PubChem 948
ChEBI 17045
No E E942
FEMA 2779
SMILES
InChI
Apparence gaz comprimé liquéfié incolore, d'odeur caractéristique[2].
Propriétés chimiques
Formule N2O  [Isomères]
Masse molaire[3] 44,0128 ± 0,0007 g/mol
N 63,65 %, O 36,35 %,
Moment dipolaire 0,160 83 D[4]
Propriétés physiques
T° fusion −90,8 °C[2]
T° ébullition −88,5 °C[2]
Décomposition à 300 °C
Solubilité 1,5 g l−1 (eau, 15 °C)[2].
Soluble aussi dans l'acide sulfurique, l'éthanol, l'éther, les huiles.
Masse volumique 1,23 g cm−3 (liquide, −89 °C)[2]
0,001 80 g cm−3 (gaz, 25 °C)[5]
Pression de vapeur saturante 51,7 bar à 21 °C
Point critique 72,7 bar, 36,55 °C[7]
Vitesse du son 263 m s−1 (0 °C, 1 atm)[8]
Thermochimie
S0gaz, 1 bar 219,96 J mol−1 K−1
ΔfH0gaz 82,05 kJ mol−1
ΔvapH° 16,53 kJ mol−1 (1 atm, −88,48 °C)[9]
Cp
PCS 82,1 kJ mol−1 (25 °C, gaz)[10]
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation 12,886 eV (gaz)[11]
Précautions
SGH[12]

Danger
H270, H280, P370, P376 et P403
SIMDUT[13]

A, C, D2A,
NFPA 704

 
Transport[12]
25
   1070   

225
   2201   
Inhalation Asphyxiant si inhalé pur
Peau Toxique si cryogénique
ou compressé
Yeux Toxique si cryogénique
ou compressé
Données pharmacocinétiques
CAM 105 %vol[réf. souhaitée]
Métabolisme Nul
Considérations thérapeutiques
Classe thérapeutique Anesthésique général, analgésique
Voie d’administration Inhalatoire
Caractère psychotrope
Catégorie Hallucinogène dissociatif
Mode de consommation

Inhalatoire
Autres dénominations

Gaz hilarant
Oxyde nitreux
Monoxyde de diazote
Proto
Risque de dépendance Élevé
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Ce gaz incolore a une odeur et un goût légèrement sucrés. Il est utilisé en anesthésie, chirurgie, odontologie comme adjuvant (en mélange équimolaire avec de l'oxygène) pour ses propriétés anesthésiques et antalgiques. Il est dit « gaz hilarant » car euphorisant à l'inhalation, d'où son usage comme drogue récréative hallucinogène[14],[15]. Comme comburant, il accroît la puissance des moteurs en compétition automobile. Avec l'acétylène H-C≡C-H, il est utilisé dans certains appareils d'analyse (spectrométrie d'absorption atomique[16]).

Présent à l'état de traces dans l'air sec (330 parties par milliard[5]), c'est un puissant gaz à effet de serre (298 fois plus puissant que le CO2) et il est devenu le 1er contributeur à la destruction de la couche d'ozone[17]. Ses émissions sont d'origine naturelle et humaine (plus de 20 % d'augmentation dans l'air depuis l'époque pré-industrielle).

Production et synthèse

Le protoxyde d'azote est préparé par décomposition du nitrate d'ammonium fondu entre 250 °C et 260 °C selon l'équation de réaction suivante[18] :

NH4NO3 → N2O + 2 H2O

Il se forme toujours 1 à 2 % de diazote N2 et du monoxyde d'azote NO. Ce dernier est supprimé par passage sur du sulfate de fer(II). Le nitrate d'ammonium utilisé doit être exempt d'ions chlorure Cl– qui catalysent la formation de N2. Cependant, le chauffage de solutions de nitrate d'ammonium dans l'acide nitrique ou dans l'acide sulfurique conduit à du protoxyde d'azote pur même en présence de petites quantités d'ions chlorure.

Propriétés chimiques

Très stable dans l'atmosphère, très peu soluble dans l'eau, il est hautement soluble dans les huiles et corps gras.

Réactivité

Ce gaz ne réagit pas à température ambiante avec les dihalogènes (Cl2, Br2 ou I2), ni avec les métaux alcalins (Li, Na, K).

Il peut néanmoins se fixer sur certains cations métalliques en tant que ligand et forme des complexes comme [Ru(NH3)5(N2O)]2+.

Il peut aussi oxyder des métaux de transition à basse valence dans les complexes.

Il n'est pas modifié par l'ozone O3, mais contribue à la dégradation de l'ozone stratosphérique (couche d'ozone protectrice de la biosphère contre les UV solaires).

À haute température, il se décompose en diazote et dioxygène :

2 N2O → 2 N2 + O2

Il réagit avec de nombreux composés organiques et il dope les combustions grâce à son fort pouvoir oxydant[2].

Historique
Illustration ancienne décrivant un groupe de gens expérimentant l'effet « hilarant » du N2O, au XIXe siècle
Illustration satirique de 1830, intitulée Living made easy, décrivant Humphry Davy administrant une dose de gaz hilarant à une femme

En 1772, Joseph Priestley découvre le protoxyde d'azote[19] et le décrit dans Experiments and Observations on Different Kinds of Air.

En 1798, Humphry Davy découvre entre autres ses propriétés euphorisantes. Le protoxyde d'azote est utilisé dès la fin du XVIIIe siècle comme « gaz hilarant » dans les foires.

En 1844 le dentiste Horace Wells découvre ses effets anesthésiants, qu'il expérimente sur lui-même. Malheureusement, impatient de faire connaître sa découverte, Wells se lance, sans expérimentation approfondie préalable, dans des démonstrations devant un public médical à Hartford (Connecticut) et à Harvard, qui furent des échecs retentissants. Dépité, Wells abandonna définitivement la dentisterie. Il faudra attendre les recherches et démonstrations réussies de William Thomas Green Morton avec l'éther (octobre et novembre 1846 à Boston) pour que l'anesthésie soit utilisée par les chirurgiens, ce qui a permis à la chirurgie de faire un bond en avant (la douleur était l'une des deux grandes limites de la chirurgie, avec l'infection). Le protoxyde d'azote ne fut remis à l'honneur que par un dénommé Colton, montreur de spectacles au gaz hilarant, qui, associé au dentiste J.H. Smith, montèrent une clinique à New York puis exportèrent leur procédure en Europe.

En 1961, des médecins anglais l’utilisent pour la première fois en obstétrique où il atténue la douleur et a un rôle d'anxiolyse.

Dans les années 1980, son usage est grandement amélioré par l'association avec de l’oxygène car le premier risque à son utilisation était et reste l'asphyxie par manque de dioxygène. La médecine l'utilise donc en mélange équimolaire avec du dioxygène (MEOPA). Le protoxyde d'azote remplace alors progressivement l’éther et le chloroforme en obstétrique[20].

En 1998, il a un statut de médicament antalgique.

En , il obtient enfin en France son autorisation de mise sur le marché (AMM), alors qu'il était déjà régulièrement utilisé sous cette forme durant le XXe siècle. Auparavant, il était distribué (hors de la classification médicament comme les autres gaz médicaux) dans la majorité des blocs opératoires et a constitué l'un des agents de l'anesthésie générale durant le XXe siècle ; sa faible puissance anesthésique restreignant son usage à des actes assez peu douloureux, et au rôle d'adjuvant de médicaments plus puissants dont il permet de réduire les doses en diminuant certains effets indésirables.

Fin 2009, en France, l’Afssaps modifie la réglementation afin que le MEOPA puisse être utilisé hors des établissements hospitaliers[21], régularisant la situation de ceux qui l'utilisaient (en France au moins depuis 1996 « à domicile » chez des patients adultes sidéens pour soulager la douleur d'ulcérations cutanées associées au syndrome de Kaposi et chez certains malades âgés porteurs d’ulcères cutanés ou d’escarres rendus trop somnolents par un traitement antérieur, ou sporadiquement en pédiatrie à domicile, pour soulager des douleurs majeures quand les produits morphiniques ne suffisait plus chez des enfants en soins palliatifs[21]. Il était en outre utilisé ponctuellement par des médecins, par exemple en dermatologie ou en ORL au domicile de patients adultes, puis très régulièrement chez les enfants (annexe 2) sans remboursement par la sécurité sociale car ce moyen antalgique était hors nomenclature).

Des médecins signalent que « la reproductibilité de l'effet n’est pas complète, avec un manque d’efficacité chez certains » ; les principaux effets indésirables sont des nausées et vomissements, « généralement réversibles en quelques minutes à l’arrêt du traitement »[22] (un groupe d'experts[23] réunis par l'Afssaps considère dans son rapport[24] que « Le MEOPA ne permet pas de couvrir tous les actes et soins douloureux. Selon les indications, l’âge de l’enfant et l’expérience de l’équipe, 10 à 30 % d’échecs sont observés. Les enfants de moins de deux ans ont des effets beaucoup moins marqués »[22]).

L’Afssaps précise que

« tout mésusage ou abus doit être prévenu. Dans ce contexte, un reclassement dans la catégorie des médicaments réservés à l’usage professionnel a été retenu ; ce mélange gazeux ne peut donc être distribué qu’aux professionnels de santé concernés et non directement aux patients[20]. La modification des conditions de prescription et de délivrance a entraîné la révision complète des RCP des spécialités concernées. En outre, compte-tenu de l’ensemble des risques liés à l’utilisation des spécialités à base de MEOPA, l’Afssaps conditionne leur mise à disposition en dehors des établissements de santé à la mise en application d’un plan de gestion des risques (PGR) national commun. Il repose sur un engagement des laboratoires à la mise en place des mesures de gestion et de minimisation des risques suivantes[20] :

  • la réalisation d’une surveillance de pharmacovigilance et de pharmacodépendance renforcée[25] avec
  • l’incitation des professionnels de santé à notifier les effets indésirables, les cas d’abus, de pharmaco dépendance, d’usage détourné et de mésusages liés à l’utilisation du MEOPA ;
  • pendant les deux premières années, la transmission semestrielle à l’Afssaps des rapports périodiques actualisés de Pharmacovigilance accompagnés de la synthèse française des cas rapportés, du bilan des consommations et des conditions d’utilisation du produit ;
  • la sécurisation et la traçabilité de la distribution et de la récupération, avec notamment la vérification à la commande de la qualité et de la formation du demandeur ;
  • la sécurisation et traçabilité de l’utilisation : volumes des bouteilles limité à cinq litres et sécurisation des bouteilles ;
  • la réalisation d’un plan de formation des professionnels : médecins, pharmaciens et personnel soignant ;
  • la mise à disposition d’un document d’information destiné aux patients (en cas de stockage à domicile.). »

L'année suivante (2010), la réserve hospitalière s'ouvre à la dentisterie. L’Afssaps lance un suivi national de pharmacovigilance et de pharmacodépendance du N2O ; en particulier, les vols de N2O doivent lui être déclarés[20].

En 2001 (en France), les indications en hospitalisation au domicile pédiatrique ont intégré les trois cas suivants :

  1. Actes médicaux invasifs et répétés, insuffisamment calmés par d’autres moyens antalgiques faibles (Emla, antalgiques palier 1) tels que des injections intramusculaires pour une chimiothérapie, la réfection de pansements sur peau lésée[20] ;
  2. Soins médicaux jugés normalement peu douloureux par les médecins, mais source d’angoisse ou d’anxiété marqués pour un enfant particulier (tels que des pansements de cathéter veineux central, des prélèvements sanguins veineux périphériques itératifs[20] ;
  3. Soins réitérés durant des mois devenant source de difficultés marquées d’acceptation[20].

Sources

Selon l'OMM (2017), ses émissions sont d'origine naturelle pour environ 60 % et humaine pour environ 40 %[26] alors qu'une estimation antérieure (2009) concluait à 30 % d'origine humaine[27].

Sources naturelles

Certains micro-organismes du sol et des océans en sont les principales sources naturelles mais il est également produit par la combustion de matières organiques et de combustibles fossiles, l’industrie ou les stations d'épuration des eaux usées[28], etc. Sa production dans les sols et dans l'air à partir des sols est fortement augmentée par la fertilisation azotée (usage des engrais, y compris d'origine "organique" naturelle, et amendements azotés)[29]. Une partie des émissions des sols cultivés ou prairiaux ayant fait l'objets d'épandages de fumiers et lisiers, de boues d'épuration ou de certains engrais est ainsi d'origine humaine[30].

Les bactéries vivant dans certaines fourmilières en sont une source importante ; les gaz exhalés par vingt-deux nids de fourmis coupeuses de feuilles (du sud-ouest du Costa Rica) a montré, qu'en contexte humide et pauvre en oxygène, ces bactéries produisent des quantités très importantes de méthane et d'oxyde nitreux[31]. Ces grandeurs sont comparables à celles observées dans les stations d'épuration d'eaux usées et des fosses à lisier[31]. Ces fourmis contribuent néanmoins aussi aux fonctions de puits de carbone du sol ; le bilan de leurs effets globaux sur le climat n'est pas encore évalué faute de données suffisantes[31], mais cette production explique pourquoi les études précédentes avaient mesuré des niveaux très variables de méthane et d’oxyde nitreux dans les forêts et régions où ces fourmis construisent leurs nids souterrains[31].

Sources humaines

Un tiers du N2O de l'atmosphère provient de l'épandage de lisier et d'engrais azotés[32],[33]. Une autre grosse contribution est la synthèse d'acide adipique, HO2C(CH2)4CO2H, un précurseur de nombreux polymères de nylon et qui dégage un N2O pour chaque molécule d'acide adipique[34],[35]. En France, l’agriculture contribue à hauteur de 86 % aux émissions de N2O provenant essentiellement de la transformation des produits azotés (engrais, fumier, lisier, résidus de récolte) épandus sur les terres agricoles. Une petite partie des émissions provient de la pollution routière, en particulier des véhicules équipés de pots catalytiques et de quelques procédés industriels[36],[37].

Contribution à l'effet de serre
Contributions aux émissions anthropiques de N2O en 2005 (sous-secteurs).
Les sources de moindre importance (ex. : eaux usées et aquaculture) figurent dans la barre du bas intitulée « Autres ». Les barres rouges correspondent aux marges d'erreur (rouge)[38]. En 2005, le total (dominé par les émissions agricoles) correspond à 30-40 % environ de tout le N2O introduit annuellement par l'Homme dans l'atmosphère.
Évolution temporelle de la teneur en N2O dans l'atmosphère terrestre. Unité : parties par milliard (ppb ).
Ce gaz est stable (121 ans de durée de vie moyenne dans l'atmosphère[39]), à effet de serre et destructeur de la couche d'ozone ; avec 329 ppb en 2016, soit +22 % par rapport au niveau préindustriel, il est responsable de 6 % au forçage radiatif induit par les gaz à effet de serre persistants.
Courbe de teneur de l'atmosphère en N2O (en ppb) sur 260 ans environ, montrant l'accélération du phénomène de la fin du XXe siècle au début du XXIe siècle[40].
Cartouches de N2O pour usage en cuisine, souvent détournées pour un usage comme drogue dite « récréative ».
Bouteilles de N2O à usage médical, ici utilisées en dentisterie.
Reste d'utilisation comme drogue dite « récréative », ici près d'une école aux Pays-Bas en 2017.
Ouvrage de Humphry Davy intitulé Researches chemical and philosophical: chiefly concerning nitrous oxide (1800), sur les recherches chimiques et philosophiques, relatif principalement à l'oxyde nitreux ; vue des pages 556 et 557 (à droite), décrivant les propriétés anesthésiques potentielles de l'oxyde nitreux pour soulager la douleur lors d'opérations chirurgicales.

Le protoxyde d'azote gaz est aussi un puissant gaz à effet de serre[41]. Sa teneur augmente dans l'air au moins depuis le milieu du XVIIIe siècle avec une accélération au début du XXe siècle et une forte accélération depuis les années 1970[42].

Selon le GIEC[43], son potentiel de réchauffement global à cent ans est égal à 298, c'est-à-dire qu'il contribue 298 fois plus au réchauffement climatique qu'une même masse de CO2 émise en même temps pendant les cent ans qui suivent leur émission.

En 2009, dans un article de la revue Science intitulé « Protoxyde d'azote : pas de quoi rire »[44], Donald J. Wuebbles (Département Atmospheric Sciences, School of Earth, Society, and Environment de l'université de l'Illinois) s'étonne qu'en dépit de son importance reconnue depuis longtemps comme gaz à effet de serre et destructeur de la couche d'ozone, l'oxyde nitreux semble parfois encore rester le gaz oublié dans les questions de protection de l'atmosphère, du climat ou de la couche d'Ozone. On continue à principalement se concentrer sur les émissions de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) provenant notamment des combustibles fossiles en oubliant que « les changements futurs du climat et de la répartition de l'ozone stratosphérique dépendent des émissions et de la concentration changeante de N2O dans l'atmosphère […] l'oxyde nitreux mérite beaucoup plus d'attention et de considération pour une action politique visant à contrôler les futures émissions anthropiques »[44].

Sa concentration dans l'atmosphère terrestre a atteint 329 ppb en 2016, soit +22 % par rapport au niveau préindustriel, contribuant pour 6 % au forçage radiatif induit par les gaz à effet de serre persistants (voir graphique ci-contre)[26].

Contribution à la destruction de la couche d'ozone

Le protoxyde d’azote (N2O) en excès contribue à la destruction de la couche d'ozone, en interaction avec d'autres gaz[45]. Il est considéré comme ayant une longue durée de vie dans la haute atmosphère (comme le CO2 et le méthane responsable en excès, à l’effet de serre[46], or le réchauffement peut exacerber le trou de la couche d'ozone et inversement[46]).

Dès le début des années 1970, des météorologues et scientifiques s'inquiètent de l'augmentation du taux de N2O dans la haute atmosphère[47], mais il n'a pas été inclus dans le Protocole de Montréal. Au début du XXIe siècle, à la suite du recul des émissions des gaz soumis au protocole de Montreal, le N2O devient le premier ennemi de la couche d'ozone[17],[27],[38]. Le GIEC prévoit qu'il devrait continuer à s'accumuler dans l'atmosphère[46], tendance confirmée par un article publié près de dix ans plus tard, en 2018 dans Science, et il devrait le rester durant tout le XXIe siècle[27] car la part de protéines animales dans alimentation humaine ne cesse de croître, associée à une production de fumier et de soja également source croissante d'oxyde nitreux. Selon un article de la revue Nature Geoscience, le lisier et le fumier libèrent ainsi dans l'air 2 % environ de l'azote qu'ils contenaient et les engrais azotés 2,5 % ; ces deux sources introduisent dans l'atmosphère 2,8 millions de tonnes de N2O pour les lisiers et 2,2 millions de tonnes pour les engrais synthétiques (dont la production et le transport et l'épandage produisent aussi par ailleurs du CO2 qui aggrave l'effet de serre. L'industrie rejette bien moins de N2O (0,8 million de tonne par an environ) et la combustion de la biomasse (0,5 million de tonne par an). De 1860 à 2005, le taux de N2O dans l'air serait passé de 270 à 319 ppb (parties par milliard, un taux de croissance assez comparable à celui du CO2).

Diverses stratégies d'atténuation des émissions de N2O sont possibles, dont en agriculture, où des changements techniques et de comportements pourraient considérablement réduire les émissions de N2O (et d'autres formes d'azote réactif), mais elles sont peu soutenues par l'industrie et les Etats[38]. Les Parties signataires du régime de l'ozone qui doivent appliquer la Convention de Vienne (1985) au travers de son Protocole de Montréal de 1987 pourraient aussi prendre des mesures pour gérer le N2O à l'avenir[38]. En 2017, par un amendement au protocole elles ont intégré les HFC, mais n'évoquent toujours pas le N2O. Des voies réglementaires claires permettraient pourtant de l'inclure dans le régime de protection de la couche d'ozone, en partageant l'autorité sur le N2O avec les traités internationaux (actuels et futurs) sur le climat. Selon Kanter et al. (2012), ce serait un moyen supplémentaire et précieux dans la gouvernance et diplomatie du développement durable[38].

Polluant de l'air intérieur

Dans certains contextes (certains locaux industriels, salle d'opération dans les hôpitaux, usage « récréatif » dans des locaux ou habitacles mal aérés), il est un polluant de l'air intérieur[48].

Utilisations

Il est utilisé dans le cadre d'anesthésies locales, généralement lors d'opérations hors hôpitaux (cas d'urgence) ou en cas de contre-indications.

Ce gaz est aussi prisé de certaines soirées où ses effets sont détournés pour provoquer chez l'inhaleur des sensations de fous rires incontrôlés.

Usage médical

Le protoxyde d'azote exerce un effet antalgique (apaise la douleur) et potentialise (augmente) l'effet des médicaments anesthésiques administrés en même temps. On l'utilise donc :

  • en anesthésie, comme composante courante de l'anesthésie générale combinée, en association avec des anesthésiques injectables (hypnotiques, morphiniques, curares) ou inhalés ;
  • en médecine d'urgence (réductions de fractures ou luxations), pédiatrie ou en salle d'accouchement, sous forme de mélange équimoléculaire avec du dioxygène (MEOPA) ;
  • pour la pratique de gestes douloureux (MEOPA), en particulier chez l'enfant : prélèvement sanguin difficile, myélogramme, ponction lombaire, etc. Il a ici l'avantage d'induire souvent une amnésie du geste, utile quand celui-ci doit être répété. Pour une efficacité accrue, le protoxyde d'azote est ici associé à la prise préventive d'antalgiques, de type morphinique le plus souvent.

Le protoxyde d'azote (MEOPA) est classé dans la liste modèle des médicaments essentiels de l'Organisation mondiale de la santé (liste mise à jour en )[49], mais il fait en milieu hospitalier « l’objet d’un suivi renforcé de pharmacovigilance et d’addictovigilance »[25].

Mécanisme d'action

Le mécanisme pharmacologique d’action du N2O en médecine n'est pas encore complètement compris.

On sait au moins que le N2O interfère avec des voies de signalisation en modulant directement une large gamme de canaux ioniques commandés par des ligands (récepteurs ionotropes), ce qui jouerait un rôle majeur dans bon nombre de ses effets. Il bloque modérément les canaux du récepteur nicotinique de l'acétylcholine contenant les sous-unités NMDA et la sub-unité β2 (dite CHRNB2 pour Neuronal acetylcholine receptor subunit beta-2). Il inhibe faiblement les récepteurs AMPA, et kaïnate, GABAA-rho (anciennement nommé récepteur GABAC) et le Récepteur 5-HT3. Et il potentialise légèrement les récepteurs GABAA et glycine[50],[51]. Il active le domaine K+ (canal potassique) à deux pores[52].
Bien que le N2O affecte (très rapidement) de nombreux canaux ioniques, ses effets anesthésiques, hallucinogènes et euphorisants sont probablement principalement ou totalement induits par une inhibition des courants médiés par les récepteurs NMDA[50],[53].

Outre ses effets sur les canaux ioniques, le N2O pourrait agir en « mimant » l'oxyde nitrique (NO) dans le système nerveux central ; ceci pourrait expliquer une partie au moins de son caractère analgésique et anxiolytique[53] (remarque : l'oxyde nitreux est 30 à 40 fois plus soluble que l'azote).
Les effets de l'inhalation de doses sous-anesthésiques d'oxyde nitreux : ils varient selon plusieurs facteurs, et avec des différences individuelles[54],[55], cependant selon Jay (2008), il est reconnu pour induire les états et sensations suivants[56] :

Après inhalation de N2O, une minorité de personnes présenteront également des vocalisations incontrôlées et des spasmes musculaires. Ces effets disparaissent généralement quelques minutes après l'élimination de la source d'oxyde nitreux[56].

Effet euphorisant

Chez le rat de laboratoire, le N2O stimule la voie méso-limbique de récompense, en induisant la libération de dopamine et en activant dans le cerveau les neurones dopaminergiques de l'aire tegmentale ventrale et du noyau accumbens, vraisemblablement par antagonisation des récepteurs NMDA localisés dans le système[57],[58],[59],[60]. Cette action expliquerait les effets euphorisants du N2O et semble aussi notamment augmenter ses propriétés analgésiques[57],[58],[59],[60].
Il est remarquable cependant que chez la souris de laboratoire, le N2O bloque la libération de dopamine induite par les transporteurs liés aux amphétamines dans le noyau accumbens et qu’il bloque l’addiction, supprime le conditionnement pavlovien de type PPC (Préférence de place conditionnée / Conditioned place preference) induit par la cocaïne ou la morphine, sans produire d’effet de renforcement ni d'aversion[61],[62].

Les effets du N2O sur le PPC chez les rats sont plus complexes et « mélangés », consistant en un renforcement, une aversion et aucun changement[63].

En revanche, le N2O est un facteur de renforcement positif chez le singe-écureuil[64]. Et il est bien connu pour être addictif chez l'humain[65].

Ces divergences de réponse selon l’espèce à N2O sont mal comprises : Elles pourraient refléter de réelles variation entre espèces proches, voire au sein d’une espèce (ou refléter des différences méthodologiques entre études ?)[62]. Des études cliniques humaines ont conclu que N2O induit chez l’humain des réponses mixtes, similaires à celles décrites chez les rats, reflétant une variabilité subjective qui semble élevée[66],[67].

Effet anxiolytique

Les tests comportementaux d'anxiété montrent qu’une faible dose de N2O est efficacement anxiolytique. Cet effet « anti-anxiété » a été associé à une activité accrue des récepteurs GABAA, car il est partiellement inversé par les antagonistes de ces récepteurs.

Inversement, les animaux qui ont développé une tolérance aux effets anxiolytiques des benzodiazépines sont alors aussi partiellement tolérants au N2O[68]

Des études cliniques ont montré qu’un humain recevant 30 % de N2O dans l’air inhalé, les antagonistes des récepteurs aux benzodiazépines (GABAA) réduisent le nombre de rapports subjectifs de sensation de "sensations fortes", sans toutefois altérer les performances psychomotrices[69].

Effets analgésiques

Ces effets semblent liés à l'interaction entre le « système opioïde endogène » et le « système noradrénergique descendant ». En effet :

  • quand des animaux reçoivent de la morphine de façon chronique, ils développent une tolérance à ses effets antidouleur, et ils se montrent alors également tolérants aux effets analgésiques du N2O[70] ;
  • l'administration d'anticorps qui lient et bloquent l'activité de certains opioïdes endogènes (mai non la β-endorphine) bloque également les effets antinociceptifs (antidouleur) du N2O[71] ;
  • les médicaments qui inhibent la dégradation des opioïdes endogènes potentialisent également les effets antinociceptifs du N2O[71] ;
  • plusieurs expériences ont montré que les médicaments antagonistes des récepteurs opioïdes appliqués directement au cerveau bloquent les effets antinociceptifs du N2O, mais que ces mêmes médicaments n’ont aucun effet s’ils sont injectés dans la moelle épinière. À l'inverse, les antagonistes des récepteurs α2-adrénergiques (adrénorécepteurs) suppriment les effets de réduction de la douleur induits par le N2O s’ils sont administrés directement dans la moelle épinière, mais pas lorsqu'ils sont appliqués directement au cerveau[72].
  • les souris ou les animaux « knock-out » pour l'α2B-adrénocepteurs (ou « récepteur adrénergique alpha-2B ») ne produisant pas de noradrénaline sont rendus presque complètement résistants aux effets antinociceptifs du N2O[73].

Apparemment, la libération d'opioïdes endogènes induite par le N2O provoque la désinhibition des neurones noradrénergiques du tronc cérébral, laquelle libère de la noradrénaline dans la moelle épinière et inhibe le signal de douleur[74]. En 2019, la manière dont le N2O provoque la libération de peptides opioïdes endogènes n’est pas encore comprise. Les progrès de la neurophysiologie et de la cartographie du cerveau et de ses fonctions sensorimotrices, cognitives et langagières pourraient à l’avenir permettre de mieux comprendre ces phénomènes (pour les effets « hilarants » du N2O y compris).

Principe

Du fait de sa teneur en oxygène plus élevée que l'air, le protoxyde d'azote est parfois utilisé comme appoint ou en substitution à ce dernier dans les moteurs à combustion interne[75]. Il permet d'augmenter la charge comburant/carburant dans le cylindre, de favoriser la combustion, et ainsi d'augmenter fortement la puissance du moteur (de 30 % à 100 % environ). On parle alors de moteur à protoxyde d'azote.

Aviation

L'injection de protoxyde d'azote fut utilisée durant la Seconde Guerre mondiale dans certains avions de combat allemands. Un dispositif, nommé GM-1, visait à compenser la diminution du dioxygène de l'air en altitude (gaz prélevé dans l'air, utilisé comme comburant par les moteurs à pistons), ce qui avait comme conséquence de réduire le niveau de comburant dans le moteur par rapport au carburant, et entraînait, ainsi, une baisse de la puissance délivrée par le moteur ainsi qu'une augmentation de la consommation[76]. L'injection de protoxyde d'azote visait donc à pallier le manque de comburant dans le moteur de manière à permettre à celui-ci de fonctionner à haute altitude avec un rendement identique à un fonctionnement à basse ou moyenne altitude. Le pilote disposait ainsi d'une réserve de puissance qu'il pouvait utiliser jusqu'à l'épuisement de la bonbonne contenant le protoxyde d'azote sous forme liquide, soit une dizaine de minutes.

À l'époque, ces systèmes étaient mal maîtrisés et requéraient une grande précaution d'emploi, surtout sur les moteurs très compliqués des appareils allemands. Un pilote souhaitant utiliser le GM-1 devait le faire à une altitude où l'air était déjà raréfié (à partir d'environ 6 000 m d'altitude) et devait réduire les gaz avant de relancer ceux-ci une fois le dispositif mis en route, sous peine de casser le moteur ou, pire, de faire exploser l'avion.

Compétition automobile

Plus tard, et à l'instar des autres procédés de suralimentation tels que le compresseur et le turbo, le principe de l'injection de protoxyde d'azote fut repris en compétition automobile, puis par le particulier puisque l'on trouve sur le marché des kits NOS (Nitrous Oxide Systems) que l'on peut adapter sur à peu près n'importe quelle automobile. Bien que ces kits soient très prisés des amateurs de tuning automobile, leur installation sur des véhicules de série reste illégale dans de nombreux pays. L'utilisation en France reste autorisée du moment que la vanne de sécurité (obligatoire) de la bonbonne est verrouillée et qu'il n'en soit pas fait usage lorsque le véhicule équipé circule sur une voie publique ; cependant les assurances sont en droit de refuser de prendre en charge de tels véhicules.

Usage comme drogue dite « récréative »

Le protoxyde d'azote, légalement vendu dans les commerces de proximité — théoriquement pour des siphons à chantilly — conditionné en bonbonnes ou cartouches d'acier de forme ovale, est (depuis deux décennies au moins) détourné à titre récréatif pour ses propriétés psychodysleptiques.

Selon Garbaz, la toxicomanie au protoxyde d’azote est restée longtemps rare, ne touchant d'abord que des employés du monde hospitalier ou médical, puis un nombre croissant de jeunes adultes et adolescents, voire d'enfants. En s’étendant ainsi au grand public (via la grande disponibilité de cartouches à bas prix), « elle expose à la survenue d’accidents et d’effets indésirables non connus »[77]. Ce détournement du protoxyde d'azote est avéré aux États-Unis et au Royaume-Uni depuis le début des années 1980 et en France depuis 1996/1998 (premiers cas signalés par le centre antipoison de Marseille), dans les milieux étudiant notamment[19]. Il est souvent partagé ou vendu à l'occasion de soirées techno, ou dans les free parties, les technivals, les soirées trance, etc.[78].

S'il est pris seul et très épisodiquement, le protoxyde d’azote ne représente pas un risque d'addiction : le N2O fait rire, son effet est de relativement courte durée et il n'induit généralement pas de dépendance. Ce n'est cependant pas un produit anodin. Il est source d'une forme d'anémie particulière, d'atteintes neurologiques (poly-neuropathies, d'ataxies, c'est-à-dire troubles de l'équilibre, problèmes de coordination motrice) note William Lowenstein, spécialiste en médecine interne et addictologie, président de SOS Addictions[78]. Et selon les statistiques anglaises collectées par un rapport de l'université de Londres (cité par le quotidien The Independant), en six ans de 2006 à 2012, dix-sept jeunes Britanniques sont morts après avoir consommé du gaz hilarant, dont six par asphyxie (hypoxie)[78].

Le protoxyde d'azote semble faire l'objet de modes ; en France, un premier pic de consommation est apparu vers l'an 2000[78] et un regain constaté en 2017-2018, notamment dans les régions proches du Royaume-Uni[79]. Il est le plus souvent inhalé par la bouche via des ballons gonflables de caoutchouc ou des préservatifs gonflés de gaz (vendus à l'unité), selon un rapport français de 2007 commandé par la direction générale de la Santé[80]. Le conditionnement en ballons permet d'éviter des gelures et des embolies pulmonaires ou cérébrales causées par le froid dues à la détente du gaz s'il est « directement aspiré à la cartouche », telles une bombe de gaz dépoussiérant ou un siphon à chantilly, note Drogues Info Service, qui ajoute que « les effets fugaces du protoxyde d'azote incitent parfois l'usager à des inhalations répétées pouvant conduire à la mort par asphyxie »[78].

En France

En 2011, l'Agence nationale de sécurité du médicament et des produits de santé (ANSM) a mis en garde contre l'usage récréatif des substances volatiles en général et du protoxyde d'azote notamment (5,5 % d'entre eux disaient l'avoir déjà expérimenté en 2011)[78].

En 2014, Drogues Info Service avait reçu très peu de demandes d'aide ou d'information (quinze demandes sur 44 000 appels)[78].

À la suite d'une forte recrudescence en 2017, 2018 et 2019 dans le Nord[81],[82], puis en Île-de-France[83] et au reste du territoire[84],[85], une proposition de loi[86] tendant à protéger les mineurs des usages dangereux du protoxyde d'azote est adoptée à l'unanimité le 11 décembre 2019 au Sénat[87]. La mesure phare est l’interdiction de la vente aux mineurs, y compris sur les sites de commerce en ligne. Le texte propose aussi de pénaliser l’incitation d’un mineur à faire un usage détourné d’un produit de consommation courante pour en obtenir des effets psychoactifs. Il prévoit encore d’accompagner la politique de prévention menée à l’école. Le texte devrait être soumis à l’Assemblée nationale en 2020.

Par le biais d'un arrêté, la mairie de Toulouse interdit, le 28 septembre 2020, l'usage récréatif des gaz hilarants sur le domaine public et la vente aux mineurs[88].

Autres usages

Le protoxyde d'azote est utilisé comme gaz propulseur, notamment dans les bonbonnes de crème chantilly. Il est également utilisé dans les bombes "d'air sec" pour l'électronique et les ordinateurs. Son code européen est le E942[89].

Dissous dans l'eau, le protoxyde d'azote a un goût sucré[90].

Il a été utilisé pour la conservation de la viande.

Toxicologie

Les effets d'une exposition chronique à de faibles doses sont mal connus, mais ont été étudiés pour certains métiers exposés (anesthésistes en salles de chirurgie par exemple[91]).

À forte dose, il provoque des effets neurologiques (polynévrite avec spasticité) et une anémie macrocytaire, avec réduction du taux de vitamine B12 circulante. Smith, dans une revue des risques sanitaires chez le personnel hospitalier, rappelle qu'il s'agit d'un poison mitotique, qui a été rendu responsable de tumeurs du système lymphoïde et du système réticulo-endothélial chez le personnel intervenant en salle d'opération (avec échanges entre chromatides sœurs selon Saras et al. 1992, Eroglu et al.) chez lequel on a décrit diverses atteintes cytogénétiques (problèmes également posés par l'exposition à d'autres anesthésiques).

Le protoxyde d'azote à haute concentration peut tuer par asphyxie (due à un manque d'oxygène) ; le mélange anesthésique contient toujours au moins 21 % d'oxygène (soit la proportion d'oxygène de l'air ambiant, et jusqu'à 50 % dans le cas du MEOPA).

L'usage détourné et prolongé de protoxyde d'azote présente, outre des risques d'asphyxie, des risques de complications médicales pour le nouveau-né en cas d'usage durant une grossesse[92].

Effets et conséquences, toxicité

Les effets de court terme sont rapides et fugaces. Ils commencent de quinze à trente secondes après l'absorption et se terminent au bout de deux à trois minutes.

À forte dose, le protoxyde d'azote devient narcotique avec comme effets possibles[réf. souhaitée] :

  • euphorie, sensation de bien-être et fous rires ;
  • désinhibition ;
  • effet de flottement ;
  • distorsions visuelles et auditives ;
  • sensation d'alourdissement des membres ;
  • modification de la voix, qui devient très grave (effet inverse de l'hélium) ;
  • pertes de mémoire ;
  • spasmes ;
  • hypersalivation[réf. nécessaire].

Effets de doses importantes à court terme

Effets de doses importantes ou répétées à long terme

Les effets toxiques ou indésirables connus à long terme d'une exposition répétée au protoxyde d’azote sont de plusieurs ordres : hématologiques, neurologiques (cf. démyélinisation), psychiatriques et tératogènes[77].

Les professionnels ne sont pas les seuls concernés. Un usage récréatif intense et/ou régulier du protoxyde d'azote peut provoquer des symptômes et maladies que les médecins ne sont pas accoutumés à suspecter ou diagnostiquer :

  • une carence en vitamine B12 (cobalamine)[94] car le N2O oxyde les ions cobalt de cet oligoélément essentiel[95],[96] ;
  • une réduction du taux de vitamine B12 circulante[97] par inhibition de la méthionine synthase hépatique[98], entraînant chez les gros consommateurs de N2O des neuropathies (troubles neurologiques) telles que des tremblements ou des difficultés à coordonner ses mouvements ;
  • des complications neurologiques sont possibles et méconnues (même des médecins[96]), dont atteintes de la moelle osseuse et de la moelle épinière se traduisant par une faiblesse symétrique et progressive des membres inférieurs, des troubles de l’équilibre et une difficulté croissante à marcher, soulignée par plusieurs études récentes[99],[100],[101],[102],[103] chez des personnes habitués à inhaler de fortes doses de N2O. C'est le déficit en vitamine B12 qui entraîne la neurotoxicité du N2O à forte dose ou en cas d'usage récréatif chronique[104] : une démyélinisation des fibres nerveuses, ce qui finit par interrompre la transmission nerveuse (en l'absence de B12, le recyclage de l’homocystéine en méthionine est interrompu, empêchant la méthylation des protéines de la gaine de myéline, ce qui entraine une démyélinisation)[1]. Une sclérose de la moelle se combine à une atteinte dégénérative de la moelle épinière (visibles sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM), où une coupe sagittale montre comme conséquence d'une dégénérescence subaiguë de la moelle un hypersignal en séquence pondérée T2 localisé préférentiellement au niveau des cordons postérieurs de la moelle cervicale ou dorsale[1]). Cette démyélinisation dégrade la sensibilité profonde[1]. En , à Londres des urgentistes et neurologues de divers hôpitaux ont rapporté dix cas de « sclérose combinée de la moelle » (SCM) chez des jeunes de 17 à 26 ans dont la plupart ne consommaient pas d’autres drogues (et pas d'alcool)[1],[105]. La concentration sanguine en vitamine B12 peut être normale, mais la vitamine non fonctionnelle. Une augmentation anormale du taux d'acide méthylmalonique (AMM) et d’homocystéine peuvent alors orienter le diagnostic[1] ;
  • la supplémentation rapide en vitamine B12 inverse la dégénérescence, mais la récupération neurologique peut être incomplète, surtout si la personne continue à inhaler du N2O[106] ;
  • un pneumothorax. Les cas liés au protoxyde d'azote ont d'abord été décrits en tant qu'accidents d’anesthésie ou de coelioscopie (diffusion du N2O dans la cavité péritonéale, puis vers la cavité pleurale)[77]. L'inhalation de N2O peut révéler un pneumothorax asymptomatique et l'aggraver (« Les conséquences peuvent être dramatiques lors de son utilisation frauduleuse en milieu extra-hospitalier par méconnaissance de ses effets secondaires ») ;
  • une anémie, dite mégaloblastique, car associée à des globules rouges anormalement grands[1] ;
  • une dépendance psychologique.

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Voir aussi

Bibliographie

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