Allgemeine Toxikologie II - Institut für Analytische Chemie

Allgemeine Toxikologie II
a.o. Univ. Prof. Dr. Wilfried Bursch
Medical University of Vienna
Depart. Medicine I
Institute of Cancer Research
- Chemical Safety and Cancer Prevention
Tel. ++43-1-40160-57615
e-mail: wilfried.bursch@meduniwien.ac.at
STUFEN DER TOXIKOLOGISCHEN
RISIKOANALYSE
Naturwissenschaftliche Ebene
1. Ermittlung der Exposition von Mensch und Umwelt Umwelt.. Umwelt
Chemische Analyse Analyse, Analyse , Bioindikation
Bioindikation,
Bioindikation , Modellrechnungen
2. Wirkungsanalyse (hazard identification)
- Identifikation der Schadwirkung einer Substanz (qualitativ)
- Ermittlung einer Dosis-Wirkungsbeziehung (Wirkungsstärke, -schwelle)
3. Extrapolation des Risikos (risk assessment)
Risiko Risiko= Risiko = Wahrscheinlichkeit des Eintritts einer Sch Schädigung
Sch digung
sowie Art und Gr Größ Größ
öße der betroffenen Population ( (Mensch ( Mensch Mensch) )
bzw bzw. bzw . Umweltkompartimente
Umweltkompartimente.
Umweltkompartimente .
Verkn Verknüpfung
Verkn pfung von Exposition und Wirkung
Gesellschaftspolitische Ebene
Risiko Risiko-Nutzen
Risiko Nutzen Nutzen-Vergleich Vergleich
Risikomanagement
Risikokommunikation
1
2
1

WIRKUNGS-IDENTIFIZIERUNG
(hazard identification)
Charakterisierung der Giftwirkung
Toxizität:
Die einem Stoff immanente, potentielle gefährliche Wirkung
Toxische Substanz / Schadstoff / Gefahrstoff
(mit toxischer Gefährdung; engl.: hazard)
Herkömmliche Annahme:
Gift = Schädigung = "pathologische" Reaktion
Das stimmt so nicht generell !!
Eine toxische, schädliche Wirkung
tritt nur unter bestimmten Bedingungen ein.
3
4
2

Charakterisierung der Giftwirkung
Ein Gefahrstoff kann in niedriger Dosis
Veränderungen innerhalb der physiologischen Bandbreite
auslösen
zu einer Adaptation führen:
Beispiel: Kohlenmonoxid
niedrige Dosis wenig Carboxyhämoglobin Hb
hohe Dosis viel Carboxyhämoglobin
Sauerstoffmangel
Tod
Charakterisierung der Giftwirkung
Substanzeigenschaften:
- chemische Struktur (Identität, Nomenklatur, Synonyme, CAS-No)
Expositionsgrößen:
(1) Dosis (bzw. Konzentration)
(2) Einwirkungsdauer, Einwirkungshäufigkeit (akut / chronisch)
(3) Einwirkungsort (lokal / systemisch bzw. Aufnahmeweg)
Disposition:
- individuelle Empfindlichkeit
(Kinder, alte Menschen, Kranke, genetische Besonderheiten)
5
6
3

Zielorgan
Zentralnervensystem
(ZNS)
Knochenmark
Kongener
Strukturbedingte Toxizität
BENZOL
+
Pancytopenie*
Chromosomenschäden
Leukämie
TOLUOL
++
-
-
-
* verminderte Zahl aller Blutzellen
Toxizität von PCDD-Kongeneren
(Meerschweinchen)
2378 - TCDD 1
12378 - PeCDD 3
12478 – PeCDD 1.125
237 - Tri-CDD 30.000
2 8 – Di-CDD > 300.000
LD 50 (µg/kg)
relativ zu 2,3,7,8-TCDD
Cl
Cl
8
7
9
6
O
O
5
CH3
Cl
Cl
2,3,7,8-TetrachlorDibenzo-p-dioxin (TCDD
1
4
2
3
7
8
4

Säureverätzungen
Koagulationsnekrose
Oberflächenproteine
werden denaturiert
Oberflächenwirkung
Einwirkungsart lokal
Laugenverätzungen
Kolliquationsnekrose
Proteine und Bindegewebe
werden aufgelöst
Tiefenwirkung
Zell- und Gewebsschäden Nekrosen Narben
pH-Abhängigkeit der ätzenden Wirkungen
pH-Wert
11,5
Wirkung
ätzend
reizend
keine Ätz- /Reizwirkung
reizend
ätzend
9
10
5

Verätzung:
Bei Kontakt, Zerstörung von lebendem Gewebe
Beispiele
Ätznatron,
Salzsäure > 25%,
Essigsäure 25-90%,
Silbernitrat (Warzenmittel)
Global Harmonisiertes System (GHS) / CLP-Verordnung
(EG) Nr. 1272/2008 zur Einstufung, Kennzeichnung und
Verpackung von Stoffen und Gemischen.
Beispiel „Hautätzende Wirkung“
11
12
6

Beispiel „Hautätzende Wirkung“
H-Satz (Gefahrenhinweise): H314=Verursacht schwere
Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden
(H=hazard-statement, ehemals R-Sätze)
SICHERHEITSHINWEISE (P-Sätze; P=precautionary statements; ehemals S-Sätze)
P200-
Prävention
260
Staub/Rauch/Gas/Nebel/
Dampf/Aerosol nicht einatmen
264
Nach Gebrauch…gründlich
waschen
P300-
Reaktion
301+330+331
BEI VERSCHLUCKEN:
Mund ausspülen,
kein Erbrechen herbeiführen
303+361+353
BEI KONTAKT MIT DER HAUT
(oder dem Haar):
Alle beschmutzten, getränkten
Kleidungsstücke sofort ausziehen.
Haut mit Wasser abwaschen/duschen
363
kontaminierte Kleidung vor erneutem
Tragen waschen
Beispiel „Hautätzende Wirkung“, fortgesetzt
SICHERHEITSHINWEISE (P-Sätze)
P200-
Prävention
P300-
Reaktion
304+340
BEI EINATMEN:
Bei Atembeschwerden an die frische Luft bringen
und in einer Position ruhigstellen, die das Atmen
erleichtert.
310
Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder
Arzt anrufen
321
Besondere Behandlung
(siehe ... auf diesem Kennzeichungsetikett).
305+351+338
BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN:
Einige Minuten lang behutsam mit Wasser
spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach
Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
P400-
Lagerung
405
Unter
Verschluß
aufbewahren
P400-
Lagerung
P500-
Entsorgung
501
Inhalt/Be
-hälter…
zuführen
P500-
Entsorgung
13
14
7

Reizend:
Stoffe, die - ohne ätzend zu sein - durch kurzfristigen, längeren
oder wiederholten Kontakt mit der Haut oder den Schleimhäuten
Entzündungen hervorrufen können.
Beispiele
Haut- und
Augenreizung
Salzsäure 10-25%
Formalin 5-25%
Methylisocyanat
Sensibilisierend :
Stoffe und Zubereitungen, die durch Einatmen oder durch Hautkontakt
Überempfindlichkeitsreaktionen hervorrufen können, so dass bei zukünftiger
Exposition gegenüber dem Stoff oder der Zubereitung charakteristische
Störungen auftreten. Allergische Reaktion.
Sensibilisierung der Haut
Sensibilisierung der Atemwege
Beispiele
Chromtrioxid,
Cyanamid
Isocyanate
15
16
8

Einwirkungsart systemisch
Wirkung an bestimmten Zielorganen
unabhängig vom Einwirkungsort
Beispiel:
Benzol (chronisches Einatmen)
Knochenmark Blutkrebs
Theophrast von Hohenheim,
genannt Paracelsus
(geboren 1493 bei Maria Einsiedeln in der
Schweiz, gestorben 1541 in Salzburg )
"Der Gift verachtet, der weiß um das nit,
das im Gift ist.
Denn das arcanum, das im Gift ist,
ist gesegnet dermaßen,
daß ihm das Gift nichts nimmt noch schad't,"
(aus: Paracelsus, Reclam 8448, 1960)
A.Hirschvogel, 1540, Kupferstich,
(Albertina, Wien)
Alle Dinge sind Gift, und nichts ohn Gift.
Allein die Dosis macht, daß ein Ding kein Gift ist.
17
18
9

KURIER.at Artikel vom 17.01.2007, 09:09:
Kündigungen nach Toter bei Trinkbewerb
Die US-Radiostation feuerte nach dem tödlichen Ausgang ihrer Show zehn Angestellte, die Morgensendung wurde
eingestellt.
USA: Frau starb nach Wasser-Wetttrinken
Eine 28-Jährige, die eine Spielkonsole für ihre Kinder gewinnen
wollte, ist nach dem Bewerb an einer Wasservergiftung gestorben.
Nach dem Tod einer 28-Jährigen bei einem Wassertrink-Wettbewerb hat eine kalifornische
Radiostation Tägliche am Dienstag Aufnahme: zehn Angestellte 2 l entlassen. Wasser Darunter pro sindPerson auch die drei Moderatoren
der Sendung "Morning Rave" auf KDND-FM. Die Show wurde eingestellt. Die Frau war eine von
- Sicherheitsabstand nicht mehr als Faktor 3-5
18 Teilnehmern eines Wettbewerbs, bei dem eine etwa 250 Dollar (193 Euro) teure
Spielkonsole (Wii von Nintendo) zu gewinnen war. Sie mussten möglichst viel Wasser trinken,
ohne auf die Toilette zu gehen.
"Hold your Wee für a Wii"
Mitarbeiter der Show nannten den Wettbewerb "Hold your Wee for a Wii" (etwa: Halte es auf für
eine Wii-Konsole). Die 28-Jährige soll nach Berichten von Augenzeugen
etwa sieben Liter getrunken haben. Stunden später wurde sie tot in ihrer Wohnung
gefunden. Nach ersten Ergebnissen einer Obduktion starb sie an einer Wasservergiftung. Dabei
gerät der Elektrolythaushalt durcheinander, weil zu wenig Natrium im Körper vorhanden ist.
50
40
30
20
10
0
Welche Kenntnisse können wir aus einer Dosis-
Wirkungs-Beziehung gewinnen?
% Wirkung
100
90
80
70
60
X
NOAEL
X
LOAEL
X
LOAEL
ED 50
Kontrollbereich
10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2
Dosis (logarithmisch)
NOAEL = No-Observed-Adverse-Effect-Level
LOAEL = Lowest-Observed-Adverse-Effect-Level
ED50 = Einzeldosis mit 50% der Maximalwirkung
19
20
10

Akute Toxizität und LD 50 als Maßzahl
Eigenschaft einer Substanz,
bei einmaliger oder kurzdauernder Einwirkung
Gesundheitsschäden oder Tod hervorrufen zu können.
Ursprünglicher Zweck der LD 50 (Trevan 1927):
Vergleich und Standardisierung medizinischer
Präparate, für die ein chemisch-analytisches
Verfahren nicht zur Verfügung stand.
Heutige Verwendung
vielfach als numerischer Wert für akute Toxizität,
um Substanzen zu klassifizieren.
Der klassische LD 50 - Test ist verboten
Heute müssen schonendere Methoden eingesetzt werden
OECD Guideline 420: "Fixed Dose Procedure"
5; 50; 300; 2000 mg/kg
Je nach Ausgang einer Vorstudie: Beginn mit jener Dosis,
die klare Anzeichen von Toxizität hervorruft.
OECD Guideline 423: "Acute Toxic Class Method"
5; 50; 300; 2000 mg/kg
nach einem vorgegebenen Schema (s. nächstes Blatt) werden
weibliche Ratten dosiert und die Toxizitätsklasse bestimmt.
OECD Guideline 425: "Up-and Down-Procedure"
Limit – Test
gilt für alle Guidelines
2000 mg/kg soll die höchste zu prüfende Dosis sein,
in Ausnahmefällen auch 5000 mg/kg
21
22
11

OECD Guideline 423: "Acute Toxic Class Method
Gefahrenkategorie/
LD50/ H-Satz
Acute Tox Cat. 1
(≤5 mg/kg KG)
H300= Lebensgefahr bei
Verschlucken
Acute Tox Cat. 2
(>5- ≤50 mg/kg KG)
H300= Lebensgefahr bei
Verschlucken
Acute Tox Cat. 3
(>50- ≤300 mg/kg KG)
H301= Giftig bei Verschlucken
Acute Tox Cat. 4
(>300- ≤2000 mg/kg KG)
H302=Gesundheitsschädlich bei
Verschlucken
Beispiele für Giftigkeit
toxische Substanz
Botulinustoxin
Quecksilber-II-chlorid
Parathion (E605)
Natriumcyanid
Arsenik (Arsenoxid)
Dieldrin
DDT
Barbiturate
Natriumnitrit
Morphin
LD50 mg/kg
(bei oraler Applikation)
0,000 004 – 0,000 16
1
2
3 - 6
15
38
87-135
125 – 162
180
335 – 525
23
24
12

Therapeutische (A) und toxische (B) Wirkung
NOEL
Wirkung A
ED 50
NOAEL
Therapeutische Breite: ED 50 B / ED 50 A
ED 50
Wirkung B
Dosis-Wirkungsbeziehungen unterschiedlicher
Steilheit
% Wirkung
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2
Dosis (logarithmisch)
25
26
13

Einwirkungsdauer, -häufigkeit: akut / chronisch
Akut:
kurze Einwirkungsdauer der Noxe: Sekunden bis Stunden
hohe Dosen; Ursache gut erkennbar; Symptome dramatisch
Beispiel: Blausäure Lähmung der Zellatmung
Zentralnervensystem (systemisch) Krämpfe Tod
Chronisch:
lange Einwirkungsdauer der Noxe: Wochen bis Jahre/Jahrzehnte
niedrige Dosen; Ursache schwer erkennbar;
Symptome zunächst schwach oder lange fehlend
Beispiel:
Alkohol Magen (lokal) chronische Magenschleimhautentzündung
Leber (systemisch) Leberzirrhose Krebs
MEHRSTUFENKONZEPT DER KREBSENTSTEHUNG
Normale Körperzellen wandeln sich in mehreren Schritten in Krebszellen um. Jeder Schritt
basiert auf Mutationen, die zu einer zunehmenden Störung der Kontrolle des Zellverhaltens
einschl. Wachstum führen. In den betroffenen Organen lassen sich histologisch
Turmorvorstufen nachweisen.
(Aus: Pharmazie in unsrer Zeit, 1980, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, D.; mit freundlicher Genehmigung)
27
28
14

MEHRSTUFENKONZEPT
DER KREBSENTSTEHUNG
MEHRSTUFENKONZEPT DER KREBSENTSTEHUNG
INITIATION PROMOTION PROGRESSION
Gentoxische Karzinogene
(z.B. Benz(a)pyren)
Nicht-Gentoxische Karzinogene
(„Tumorpromoter“, z.B. PCDD/F)
DNA-Schädigung/Mutation Wachstum
Gesunde
Zelle
Reparatur
„initiierte“
Zelle
Krebsvorstufe
(„Präneoplasie“)
Weitere Mutationen,
Wachstumsreize
„Mutator-Phänotyp“
Adenom Karzinom
29
30
15

Gentoxische Kanzerogene
(z.B. polyaromatische
Kohlenwasserstoffe, PAK)
Toxikologisch bedeutende Wirkungen
gentoxischer Substanzen:
Schädigung des Erbgutes (DNS)
Mutation
KEF-Substanzen:
kanzerogen, erbgutschädigend, fortpflanzungsgefährdend
CMR: carcinogenic, mutagenic, toxix to reproduction
Gentoxische Kanzerogene
(z.B. PAK)
Mutationen werden an folgende Zellgenerationen weiterverbt
(Irreversiblität)
wiederholte Exposition:
Wirkungen addieren sich: „Summationsgifte“
Wirkungsstärke gentoxischer Kanzerogenen nimmmt mit fallender Dosis zwar
ab
ABER
wegen der Irreversibilität der DNS-Schädigung keine Dosis anzugeben,
unterhalb derer eine kanzerogene Wirkung mit hinreichender Sicherheit
ausgeschlossen werden kann:
Keine Schwellendosis („No-threshold-Konzept“)
Wirkung "0" erst bei Dosis "0“ (?)
Extrapolation in niedrige Dosisbereiche, z.B. Exposition Mensch,
aber keine Beobachtungen („Niemandsland“)
31
32
16

Experimentelle und mechanistische Daten führen zu
folgender Erkenntnis:
Die Dosis-Wirkungs-Beziehung für Stoffe mit
irreversiblen Wirkungen
(z.B. erbgutverändernd oder krebserzeugend) ist linear
Wirkung
log Dosis
Folgerung: Wirkung "0" erst bei Dosis "0"
Beziehungen zwischen Dosis, Wirkung und Zeit
bei Stoffen mit irreversibler Wirkung
c(d)
Wirkung:
proportional dem Produkt von
Konzentration c (Dosis, d) und Zeit t .
Einwirkungszeit, t
- aktiver Export
- metabolische Inaktivierung
- (DNA) Reparatur
praktische Wirkungsschwelle, e
33
34
17

Beispiel: Dosisabhängigkeit der
Tumorerzeugung durch Tabakrauchen
relatives
Bronchialkrebsrisiko
12
(nach Smith and Phillips, BMJ, 313, 929, 1996)
10
8
6
4
2
0
0 5 15 25 35 45
Zahl der gerauchten Zigaretten pro Tag
> 45
35
Carcinogens in
unfiltered mainstream
cigarette smoke
(„Hoffmann list“, modified)
IARC 83, 2004
36
18

Carcinogens in
unfiltered mainstream
cigarette smoke
Carcinogens in unfiltered mainstream cigarette smoke
(„Hoffmann list“, modified)
IARC 83, 2004
IARC 83, 2004
37
38
19

POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS (PAH)
–
GENOTOXIC CHEMICALS
MEHRSTUFENKONZEPT
DER KREBSENTSTEHUNG
gentoxische Mechanismen
(„no-threshold-concept“)
a.o. Univ. Prof. Dr. Wilfried Bursch
Medical University of Vienna
Depart. Medicine I
Institute of Cancer Research
- Chemical Safety and Cancer Prevention
Tel. ++43-1-40160-57615
e-mail: wilfried.bursch@meduniwien.ac.at
39
40
20

Incomplete Combustion Processes (examples)
( formation of PAH)
Industry, workplace Coke oven
Production of Aluminium
Iron / steel melting
Combustion motor vehicles Diesel exhaust
Agriculture Straw incineration
House fire Coal>Oil>Gas
Food Grilling, Smoking
Tobacco Tobacco smoke
Structure and relative carcinogenic potency of some PAH
carcinogenic potency = log
0
0
Naphthalin Phenanthren
Pyren
0
1,4
Benzo(e)pyren
Anthracen
tumor incidence %
average latency period (days)
0
1,9
Benzo(a)pyren
Determinants of carcinogenic potency:
- „right“ size of molecule
- „bay-Region“
1,38
Benz(a)anthracen
(aus Zhang et al. CBI, 81, 149, 1992)
1,41
Dibenzo(a,h)anthracen
CH3
2,18
41
CH3
7,12-Dimethylbenz(a)anthracen
42
21

14
12
10
8
6
4
2
0
PAH-concentration in ambient air
[Berlin (West), 1982]
ng/m 3 comparison: summer - winter
summer winter
PAH-concentration relative to B(a)P
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
BFT
[B(a)P=1]
B(a)P IP
Benzo(x)fluoranthen
Benzo()pyren
PAH emissions: PAH profile
Perylen
B(g,h,i)P
ANT
Benzo(g,h,i)perylen
B (a) P
Coronen
Anthracen
IP = Indeno(1,2,3,c,d)pyren
43
44
22

A
D
M
E
Response
Toxikokinetics: "ADME"
Exposure
external dose
Absorption
Distribution
Internal dose
(active
metabolite)
Metabolisms
Elimination
45
46
23

XENOBIOTICS:
MAJOR METABOLIC PATHWAYS
Phase I: Functionalization
Conversion of apolar, lipophilic substances
by introduction or liberation of polar
functional groups.
Prerequisite for phase II
siehe ppt-Folien:
5Metabolismus
Phase II: Conjugation
Conjugation of functional groups
with endogenous substrates.
Products usually readily water
soluble and easily excretable.
blocking / inactivation
of functional groups
(methylation, acetylation)
METABOLIC ACTIVATION OF Benz(a)pyrene
Bucht-Region
N
Benz(a)pyren (BP)
O
NH
N N N
DNA H
OH
OH
CYP 1A1
OH
N 2 -Desoxyguanosin-Benz(a)pyren-Addukt
H
O
H
Benz(a)pyren-7,8-epoxid
HO
O
Epoxidhydrolase
HO
OH
BP-Dihydrodiolepoxid
OH
CYP 1A1
INAKTIVIERUNG
GSTM1
GSTT1
UGT
Glutathion- und
Glucuronsäure-
Konjugate
47
48
24

PAH - DNA Adducts* in leucocytes
of exposed persons (Schlesien)
Adducts/10
30
8 Nukleotides
20
10
( * 32 P-postlabelling)
0
Coken oven
Controls
workers Close to plant rural
µg PAH / m³ Air: 0,1-50 0,057-0,01
(Jan. - Mai)
no data
(Hemminki et al., Carcinog., 11(7), 1990)
Genotoxic activity of B(a)P, B(a)A und DBA
in short-term assays
Mutagenicity in bacteria
Chromosomal aberrations
in mammalia
Micronucleus test
DNA-binding
DNA-repair
in target tissue
Chromosomal aberrations in
exposed persons
IARC, Vol. 3, 1973; Vol. 32, 1983
in vitro
in vitro
in vivo
in vivo
in vitro
in vivo
In vitro
in vivo
B(a)P
B(a)P, Benz(a)pyrene; B(a)A,Benzanthracene; DBA: Dibenzanthracene
+
+
+
+
+
+
+
+
+
B(a)A
+
+
+
+
+
+
DBA
+
+
+
+
+
49
50
25

Mutationen
Punktmutation: THE NUN SAW OUR CAT EAT THE RAT
Rückwärtsmutation
Rasterverschiebungsmutation (frame shift):
Deletion:
Insertion:
Vorwärtsmutation
THE SUN SAW OUR CAT EAT THE RAT
THE NNS AWO URC ATE ATT HER AT
THE NUN SAW OUR CAT EAT THE RAT
THE NUN NSA WOU RCA TEA TTH ERAT
TESTING OF PAH FOR CARCINOGENICITY IN MICE 1,2
(repeated oral application)
Substance
Benz(a)anthracene
Benzo(a)pyrene
Dibenz(a,h)
anthracene
Dose
within 5 weeks
22,5 mg/mouse
30 mg/kg Food
40 mg/kg Food
5 – 250 mg/kg Food
150 – 170 mg/mouse
1,2 ) IARC Vol 3, 1973; Vol 32, 1983
Time (days) until
diagnosis
547-600
110
110
122 – 197
200
Female mice:
Liver
Lung
Organ
Forestomach
Lung
Hemangiosarcoma
Mammary-
Tumors
Incidence
%
64
95
0
10
70
100
59
92
51
52
26

PAH:
Estimation of cancer risk by extrapolation
Lung cancer risk %
100
10
1
0.1
0.01
0,001
(nach Pott,F.: Staub, Reinh.d.Luft, 45,369,1985)
Oven side 1 3 5 µg/m³
x x
General population
(2 ng/m³; 17 m³/day;
50 years)
0.1 1 10 100 1000
Lifetime-Dose of Benzo(a)pyrene (mg)
Coke oven worker
Oven top
(30 µg/m³)
10 m³/day
240 days/year
12 years
Summary of unit risk estimates for B[a]P and for PAHs with
B[a]P as the indicator substance
(life-time risk per ng/m 3 of B[a]P)
Boström et al. EHP, 110, Suppl.3,451.2002
53
54
27

Response
Exposition
Mensch
?
?
Unsicherheiten bei der Extrapolation von
hoher auf niedrige Exposition
?
experimental data
high doses in animal experiments
Linear extrapolation: „life time cancer risk“, e.g. 1:1.000.000
Dose
Abschätzung der Beobachtungszahlen zur
Feststellung eines toxischen Effektes
(Saracci, 1970)
Häufigkeit des Anzahl der notwendigen Beobachtungen
toxischen Effektes (z.B. Zahl der einzusetzenden Tiere)
in einem Kollektiv
Wahrscheinlichkeitsgrad
95% 50%
10:100 28 7
1:100 298 69
1:1000 3000 693
1:10000 30000 6900
1:100000 300000 69000
1:1000000 3000000 690000
55
56
28

Response
Exposition
Mensch
?
Margin of Exposure (MOE) / Benchmark- Concept
?
?
MOE
experimental data
high doses in animal experiments
Linear extrapolation: „life time cancer risk“, e.g. 1:1.000.000
X Reference point
e.g. T 25 ; T 10 , BMD(L) 10
MOE > 10.000 / 25.000*
Riskmanagement: substance of low priority
(low carcinogenic risk)
MOE < 10.000 / 25.000*
Riskmanagement: substance of high priority
* depending on data (quality, quantity)
Dose
Margins of exposure (MOE) for selected food-borne
carcinogens
O`Brien et al , Food Chem Toxicol 44 (2006), 1613–1635
57
58
29

MEHRSTUFENKONZEPT
DER KREBSENTSTEHUNG
Nicht-gentoxische
Mechanismen
Verwendung von Saccharin (E 954)
E 954: Saccharin und seine Na-, K- und Ca-Salze
O
C
S
O O
N Na
Saccharin-Natrium
Süßstoff in Speisen und Getränken
Zahnpasta
Mundwässer
Lippenstift
Kautabak
59
60
30

Kanzerogenität von Saccharin-Na
Spezies Tumorigenese
Maus negativ
Hamster negativ
Affe negativ
Ratte, weiblich kaum empfindlich
Ratte, männlich positiv
Kanzerogenität von Saccharin-Na
% Tumore
Blasenkarzinom-Induktion
in männlichen Ratten
durch Saccharin-Na (2,5 Jahre)
% Saccharin im Futter
(Ellwein LB, Crit.Rev.Tox. 20,311,1990)
61
62
31

SACCHARIN:
MECHANISMUS DER KANZEROGENESE
IM BLASENEPITHEL MÄNNLICHER RATTEN
Gentoxizität: nicht nachweisbar
keine Aktivierung zu reaktiven Metaboliten
keine DNA-Bindung
nicht mutagen in diversen Tests
Tumor-promovierende Wirkung: nachweisbar
Hyperplasie des Urothels (nur bei kanzerogenen Dosierungen)
Die Urothelproliferation wird durch Kristalle hervorgerufen
Kristallbildung benötigt:
Silkikat, große Mengen 2u -Globulin, pH-Wert 6,5
Estradiol unterdrückt 2u -Globulin-Bildung
Proteingehalt im Urin:
männliche Ratten weibliche Ratten Menschen
Nur das Na-Salz des Saccharin wirkt kanzerogen
Azidifizierung des Urins unterdrückt die Kanzerogenese
% Wirkung
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
63
(Cohen and Ellwein, Cancer Res. 51, 6493, 1991)
Ableitung eines ADI / TDI -Wertes
Besonderes Gefährdungspotenzial oder mangelhafte Datenlage
USF 3=10
für besonders empfindliche Individuen
USF 2=10
Mensch Tier
NOAEL
USF1=10 Kontrollbereich
10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 Dosis (mg/kg KG)
64
32

Das ADI / TDI Konzept der WHO (WHO 1961)
Ableitung eines
ADI (Acceptable Daily Intake)
bei absichtlich eingesetzten Stoffen
z.B.: Konservierungsmittel, Farbstoffe
(Beispiel für Vorlesung: Saccharin)
Ableitung eines
TDI (Tolerable Daily Intake) oder des
PTWI (Provisionable Tolerable Weekly Intake):
bei Kontaminanten
z.B.: Phthalate (Beispiel für Vorlesung)
SACCHARIN:
ADI-WERT
Tierexperimentelle Daten
Dosis-Wirkungsbeziehung:
NOAEL: 1% im Futter ~ 500 mg/kg Körpergewicht
Extrapolation auf den Menschen
NOEL (Blasentumore männliche Ratte): 1% im Futter
entspricht
Mensch (70 kg): 25 000 mg/Tag (ca. 360 mg/kg)
USF: 100, angewendet auf NOAEL Ratte
ADI: 0-5 mg /kg (Saccharin einschl. Na-, K- und Ca-Salze)
WHO/FAO Joint Expert Committee an Food Additives (JECFA),
EU Scientific Committee for Food (SCF); 1995
65
66
33

Human Relevance Framework Concept:
mode of action (MOA)
1.Sind die experimentellen Ergebnisse hinreichend
gesichert („weight of evidence“), um eine gegebene
Schadwirkung im Tier durch einen oder mehrere
„mode(s) of action “ zu erklären?
2. Sind die im Tier beobachteten Schlüsselmechanismen
prinzipiell auch im Menschen
wirksam? Bei dieser Frage stehen qualititative
Aspekte im Vordergrund.
3. Unter Berücksichtigung von toxikokinetischen und –
dynamischen Faktoren, ist der MOA im Tier relevant
für den Menschen? Bei dieser Frage stehen
quantitative Aspekte im Vordergrund.
Sources of food contamination:
PHTHALATES
- ubiquitous occurrence in enviroment
- food processsing: conveyors, tubes, storage tanks
- packaging material: colourants, adhesives, sealants
- uses not in accordance with regulations: PVC-gloves, -foils
67
68
34

PHTHALATES
DEHP Toxicological Evaluation (SCF 1994)
Repeated dose toxicity, oral, rats
- target organs: liver, kidney, testis
- increase in liver weight: at 50 mg/kg/day
peroxisome proliferation, NOEL: 5 mg/kd/day
Carcinogenicity
- not genotoxic
- heptacellular adenoma/carcinoma (rat, mouse),
tumor promotion
Developmental/reproductive toxicity
- embryo-fetotoxic and/or teratogenic in rodents
Proposed mode of action (MOA) with key events
of rodent liver tumors induced by PPARα ligands
NPC
Kupffer cells
Klaunig et al.
Crit.Rev.Tox,
33(6),655,2003, modified
Non-peroxisome
lipid gene
expression
GJIC
c
PPAR agonist
c
Preneoplastic foci
Clonal expansion
PPAR-receptor
Cell cycle, growth
and apoptosis
gene expression
c
Apoptosis
Cell proliferation
Tumors
Peroxisome gene
expression
Peroxisome
proliferation
Oxidative
stress
DNA damage
HEPATOCYTE
Weight of key events leading to
hepatic tumor.
C, causal: required step for
PPAR MOA, based on
empirical evidence
69
70
35

Human Relevance Framework Concept:
mode of action (MOA)
Die Bewertung von Phthalaten („Peroxisomenproliferatoren“)
auf Basis dieses Konzepts:
Peroxisomenproliferation für den Menschen nicht mehr
als relevant einzustufen, weil:
quantitative Vergleiche von Tier und Mensch:
Rezeptorprotein beim Menschen liegt (a) in wesentlich
geringerer Konzentration und (b) in einer weniger aktiven
Form vor (Klaunig et al. 2003).
Die älteren toxikologischen Bewertungen der Phthalate im Hinblick
auf ihre Verwendung in Materialien, die mit Lebensmitteln in
Berührung kommen, wurden deshalb re-evaluiert.
Hierbei wurden von dem Rezeptormechanismus unabhängige
Wirkungen wie Leber- und Hodentoxizität sowie
reproduktionstoxikologische Wirkungen zugrunde gelegt
(EFSA 2005).
Scientific Level
STEPS IN TOXIKOLOGICAL RISK ASSESMENT
1. Exposure assessment
chemical analysis, bioindication
bioindication, bioindication , model calculation
2. Hazard identification
- identification of effect / type of disease (qualitative)
- dose-response relationship (quantitative, threshold)
3. Risk assessment
risk= propability of manifestion of disease as well as
type and size of affected population (man)
or environmental compartment, resp.
interconnection of exposure and effect
Sociopolitical Level
Risk Risk-Benefit
Risk Benefit Benefit-Analysis Analysis
Risk Management
Risk Communication
71
72
36

Substance
DEHP
DBP
BBP
Key studies for toxicological re-evaluation of phthalates
for use as food contact materials
Structure
Key study
developmental- and
testis toxicity (rat)
developmental toxicity
(rat)
testis toxicity (rat)
developmental toxicity
(rat)
Endpoint
germ cell depletion
testis weight ()
germ cell
development
epididymal spermconcentration
()
anogenital distance
()*** male rat, F1dnd
F2-generation
NOAEL/
LOAEL
(mg/kg KG/day)
5 (NOAEL)
5 (NOAEL)
2 (LOAEL)
20 (NOAEL)
200 (LOAEL)
50 (NOAEL)
Assessmentfactor
0,01
0,02
0,01
reduced fertility and
histopathological findings in testis,
but only at 2200 mg/kg. Study not
used for TDI-derivation
0,01
TDI-value
(mg/kg KG/day)
EFSA 2005
Key studies for toxicological re-evaluation of phthalates
for use as food contact materials
Substance
DINP*
DIDP**
Structure
Key study
liver- and kidney
toxicity (rat),
independent of
peroxisome
proliferation
liver toxicity (dog),
independent of
peroxisome
proliferation
developmental
toxicity (rat)
Endpoint
Spongiosis hepatis
microskopic lesions
(enlarged and
vacuolized
hepatocytes)
survival of F2generation
NOAEL/
LOAEL
(mg/kg KG/day)
15 (NOAEL)
15 (NOAEL
33 (NOAEL)
Assessment
factor
0,01
0,01
0,15
0,05
0,5
TDI-value
(mg/kg KG/day)
EFSA 2005
0,15
lowest NOAEL used for TDI-derivation
*DINP: mixture of esters of ortho-phthalic acid with C8-C10 alkylalkoholes (R1 and R2, C9 rich); two types DINP, different mixtures of isomers
(CAS-Nr. 68515-48-0 und CAS-Nr. 28553-12-0).
**DIDP:two types of C9-C11 (R1 und R2, C10-rich) branched alkylesters (CAS-Nr. 68515-49-1 und CAS-Nr. 26761-40-0); : reduction
Ref.
Wolfe
and
Leyton
2003
Lee et
al.
2004
NTP
1997
Tyl et
al.
2001,
2004
73
EFSA, 2005
Ref.
Aristech
1994,
Exxon
1996a,b
Hazelton
Lab. 1968
Exxon
2000
74
EFSA, 2005
37

ALLOCATION OF A GROUP TDI
A group TDI for health protection should be employed if:
i) exposure to several members of a structurally related series of chemicals is likely to occur
frequently, and
ii) several members of the series have been demonstrated to have a common target organ(s) cellular
target(s) and the same mode of action.
If these criteria are met, individual members of the series should be assumed to have an additive effect.
PHTHALATES:
i) DBP and DEHP have pivotal effects on germ cell development/depletion,
ii) BBP has pivotal effects on epididymal spermatozoa concentration,
iii) DINP and DIDP have pivotal effects on the liver.
While it may appear that three phthalates (DBP, DEHP and BBP) act on the same target organ
(the testis), their profile of effects at the hormonal and cellular level are not identical and their
individual modes of action have not yet been demonstrated. Moreover, the two others, DIDP
and DINP, primarily affect the liver rather than the testis. But even in this case, the end-points
indicate that different mechanisms are involved.
Consequently a group-TDI cannot be allocated for butylbenzylphthalate (BBP),
dibutylphthalate(DBP), bis(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), di-isononylphthalate (DINP) and
di-isodecylphthalate (DIDP).
EFSA Journal 244, 245, 2005, modified
STEPS IN TOXIKOLOGICAL RISK ASSESMENT
Scientific Level
1. Exposure assessment
chemical analysis, bioindication
bioindication, bioindication , model calculation
2. Hazard identification
- identification of effect / type of disease (qualitative)
- dose dose-response dose response relationship (quantitative, threshold threshold) threshold
3. Risk assessment
risk= propability of manifestion of disease as well as
type and size of affected population (man)
or environmental compartment, resp.
interconnection of exposure and effect
Sociopolitical Level
Risk Risk-Benefit
Risk Benefit Benefit-Analysis Analysis
Risk Management
Risk Communication
75
76
38

UK (1996/98)
nursling
DENMARK (2003)
adults
children 1-6 y
children 7-14 y
CSTEE (2004)
nursed
not nurse
EFSA (2005)
worst case
TDI-values
Phthalate uptake via food (Europe)
Phthalate uptake (mg/kg body weight/day)
DEHP
0,006 – 0,023
0,0045
0,026
0,01
0,021
0,013
0,05
DINP
0,0024
0,05
0,063
0,01
0,01
0,15
DIDP
0,0024
0,03
0,053
0,007
0,007
0,15
Gesundheitliche Bewertung Nr. 042/2005 des BfR vom 11. Oktober 2005
Phthalate uptake via food packed in glasses closed with
twist-off caps
NVS-all interviewees
NVS-consumer
Nationale Verzehrs-Studie (D)
national consumption survey 1985-1988
ES-all interviewees
ES-consumer
Ernährungs-Survey (D)
nutrition survey, 1995
TDI-values
95%ile Phthalate uptake *
(mg/kg body weight/day)
DEHP
DINP
0,04
0,052
0,086
0,091
0,05
*assuming empirical distribution of phthalate contamination of food
0,034
0,042
0,058
0,59
0,15
Gesundheitliche Bewertung Nr. 042/2005 des BfR vom 11. Oktober 2005
77
78
39

PHTHALATES
summary + risk management
Phthalate burden of adults mainly via food (generally below TDI).
Phthalate burden of children is higher than that of adults.
Additional phthalate sources may be of relvance.
Multiple phthalate sources
TDI should not be exploited by a single source.
Restriction of phthalate uses
new EU-regulations concerning toys, food contact material.
19. Century
Industrial Revolution in Europe
Endangering of fundamental resources of life (water, air)
Das Walzwerk (steel-mill)
bei Neustadt-Eberswalde
Karl Blechen, 1835
79
80
40

Verteilung von Fremdstoffen in der Umwelt
Schicksal
in der Umwelt
Exposition
Effekte
Emissionsquellen
Wasser
Luft
Organismen
Boden
UMWELTCHEMIKALIE
Biogeochemische
Transportwege
Umweltkonzentrationen
Aufnahme, Metabolismus
Elimination
Bioakkumulation
Molekül
Zelle
Organe
Organismus
Population
Ökosystem
Umweltchemie
Toxikologie
Ökologie
81
82
41

Kriterien zur Bewertung des ökochemischen
Verhaltens von Substanzen
Produktionsmenge
Anwendungsmuster
Dispersionstendenz
(Löslichkeit, Dampfdruck, Mobilität)
Persistenz / Akkumulation
(Adsorptionskoeffizient,
Verteilungskoeffizient: Grenze für Anreicherung: log Kow ≥ 3)
Umwandlung unter Umweltbedingungen
(Stabilität, Abbaubarkeit)
Wirkung auf Organismen und Systeme
GEMEINSCHAFT ÖKOSYSTEM
Weitere Stufe der Komplexität:
Berücksichtigung von Organismen verschiedener trophischer Ebenen
Algen Fisch
Zooplankton
Mikroorganismen
Makrophyten
Räuberische
Invertebraten
Herbivore
Invertebraten
Detrivore
Makroinvertebraten
Aus: Fent, K. „Ökotoxikologie“ (1998, G. Thieme Verlag)
83
84
42

Bewertung der Umweltgefährlichkeit von Chemikalien
1. Expositionsanalyse
Predicted Environmental Concentration (PEC)
Monitoring Daten (soweit vorhanden), Modellrechnungen
2. Wirkungsanalyse
No Effect Concentration (NOEC)
Ersatzweise: EC 50 , LC 50
Predicted No-Effect Concentration (PNEC)
Einzelspezies, Mesokosmosstudien
(EC50 , Konz., die eine bestimmte Wirkung in 50% der Spezies erzeugt)
LC50 , niedrigste Konzentration, die zum Tod von 50% der Spezies führt)
Assessment factors to derive a PNEC aquatic
Available data
At least one short-term L(E)C50 from each of
three trophic levels of the base-set (fish,
Daphnia, algae)
One long-term EC10 or NOEC (either fisch or
Daphnia)
Two long-term results (e.g. EC10 or NOECs)
from species representing two trophic levels
(fish and/or Daphnia and/or algae)
Long-term results (e.g. EC10 or NOECs) from at
least three species (normally fish, Daphnia and
algae) representing three trophic levels
Species-Sensitivity-Distribution (SSD)-method
(statistical method)
Field data or model ecosystems
Assessment factor
1000
100
50
10
5-1
(to be fully justified case by case)
Reviewed on a case by case basis
GUIDANCE ON INFORMATION REQUIREMENTS AND CHEMICAL SAFETY ASSESSMENT
Chapter R.10: Characterisation of dose/concentration-response for environment
85
86
43

RISIKOBEWERTUNG (ÖKOTOXIKOLGIE)
PEC/PNEC < 1: kein Risiko für die Umwelt erkennbar,
kein Handlungsbedarf
PEC/PNEC >1: Schädigung der Umwelt zu erwarten,
Risikomanagement erforderlich
BEISPIEL
ERMITTLUNG VON HANDLUNGSBEDARF
Bis(4-aminophenyl)methan
BEACHTEN: Der folgende Datensatz zu 4,4 MDA gibt den
Stand des Wissens der frühen 1990er Jahre wieder. Dieses
Beispiel soll das Prinzip einer ökotoxikologischen
Risikobewertung sowie die Konsequenzen von Datenlücken
für die Feststellung von Handlungsbedarf illustrieren, nicht
jedoch den Kenntnisstand betreff 4,4 MDA im Jahr 2012.
87
88
44

Generelle Stoffinformation
Stoffidentität
IUPAC-Name: Bis(4-aminophenyl)methan
Gebrauchsname: 4,4`-Methylendianilin
CAS-Nr.: 101-77-9
EINECS-Nr.: 202-974-4
Struktur: H 3 N– Ø-CH 2 –Ø-NH 2
Verhalten in der Umwelt
Bioabbau: potentiell biologisch
abbaubar
Hydrolyse: kein Abbau
Photolyse in Oberflächengewässern aufgrund des
UV-Spektrum wahrscheinlich
Exposition
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Wasserlöslichkeit (20°C): 1,25 g/l
Dampfdruck (20°C): 2,8x10 -6 Pa
Henry-Konstante (20°C): 4,4x10 -7 Pa.mol/m 3
Log Pow: ca. 1,6
Koc (geschätzt): 86 l/kg
Geringes Geo- und Bioakkumulationspotential
Rascher photochemisch-oxidativer
Abbau in der Atmosphäre (•OH)
Produktionsmenge: 1990/91 (D): 160.000-190.00 t/a Isomerengemisch
Verwendungszweck: Zwischenprodukt in der chemischen Industrie (mehrere
Standorte) Folgeprodukt: Methylyendiphenyldiisocyanat (MDI),
das weiter zu Polyurethan verarbeitet wird.
Einträge: alle Hersteller u. Weiterverarbeiter zusammen:

Wirkung -“Hazard identification“
- PNEC-Bestimmung
Hydrosphäre
Vertebraten:
Brachydanio rerio 96h-LC50 65 mg/l
Oryzias latipes 48h-LC50 32 mg/l
Invertebraten:
Daphnia magna
Immobilisation 24h-EC50 2,3 mg/l
Reproduktionshemmung 14d-NOEC 0,15 mg/l
Mikroorganismen:
Pseudomonas putida (O 2 -Verbrach) 30min-EC0 1: Handlungsbedarf
RISIKO MANAGEMENT
Werk 2: z.B. Kläranlage
PEC local /PNEC 0,005 / 1,5 = 0,0033
PEC local /PNEC 13,6 / 1,5 = 9,1
91
92
46