Hodnocení genotoxicity chemických látek u dermální, inhalační a dietární expozice

Mgr. Anežka Sharma, Ph.D.

Doctoral thesis

Genotoxicity assessment of chemical compounds in dermal, inhalation and dietary exposure

Abstract:

Lidská populace je exponována řadě chemických látek obsažených v prostředcích denní potřeby. Přitom některé z nich mohou způsobovat poškození DNA, která mohou vyústit v nevratné změny v lidských buňkách a zapříčinit tak řadu onemocnění. Proto je zcela zásadní se cíleně věnovat studiem fyzikálně-chemických vlastností, mechanismů účinku genotoxických látek, identifikaci zdrojů těchto látek, transportu do lidského těla, možné transformaci či degradaci, a to nejen v lidském těle, ale také při jejich aplikaci a používání. Tyto sledované parametry mají za cíl identifikovat zdravotní rizika pro člověka a snížit či zcela omezit expozici genotoxickým látkám. Tato disertační práce se zabývá hodnocením potenciálně genotoxických látek, jejich zdroji a faktory, které ovlivňují expozici člověka. Práce popisuje metody, biomarkery expozice pro studium genotoxicity a jejich použití pro hodnocení externí a interní expozice, přístupy používané pro extrapolaci experimentálních dat a nástroje pro měření dalších parametrů, které jsou nezbytné pro hodnocení expozice člověka a toxikokinetiky, s následným hodnocením zdravotních rizik. Teze sestávají ze čtyř publikací (dále označovaných jako Studie) publikovaných ve vysoce impaktovaných časopisech. Tři z těchto studií se zaměřují na hodnocení jednoho z nejpoužívanějších UV filtrů, ethylhexyl metoxycinamátu (EHMC). Tato látka se vyskytuje ve dvou isomerních formách, kdy isomer cis-EHMC vzniká po expozici slunečnímu záření. V současné době zcela chybí dostatečné informace o toxických efektech a dermálním přestupu cis-EHMC. Studie I a II přináší informace týkající se toxikologických biotestů, které byly použity pro hodnocení genotoxického potenciálu EHMC. V rámci prezentovaných studií byly identifikovány rozdíly v genotoxické odpovědi cis- a trans-EHMC u bakteriálních testů a testů na lidských buňkách. Experimentálně získaná data byla poté využita pro hodnocení zdravotních rizik nejvíce exponované populace. Disertační práce popisuje expoziční cesty, jako jsou inhalace, dietární a dermální expozice s cílem identifikovat cesty vstupu, které jsou relevantní pro látky cis- a trans-EHMC. Pravděpodobnostní hodnocení humánních rizik je vyjádřeno porovnáním agregované denní dávky třemi expozičními cestami a referenční dávky. Referenční dávky cis- a trans-EHMC byly determinovány z experimentálně získaných dat s využitím přístupu kvantitativní extrapolace z in vitro na in vivo. Tyto dvě studie se zaměřují na nejvíce exponovanou populační skupinu identifikovanou na základě pohlaví, věku a četnosti použití přípravků obsahujících EHMC, dále se věnují transformaci EHMC při vystavení slunci a transportu prvotního trans-EHMC a vznikajícího cis-EHMC do lidského těla. Studie I a II identifikovaly dermální expoziční cestu jakožto nejzásadnější pro celkovou expozici cis- a trans-EHMC. V návaznosti na tyto studie se Studie III zabývá dermálními transportními mechanismy isomerů EHMC a kvantifikuje vybrané dermatotoxikokinetické parametry, které jsou zásadní pro toxikokinetické modelování a hodnocení zdravotních rizik pro člověka. Pro hodnocení dermálního transportu cis- a trans-EHMC byly vybrány nejvhodnější metody na základě charakteru a fyzikálně-chemických vlastností cis a trans isomerů s cílem kvantifikovat difúzní, permeační a rozdělovací koeficienty. Studie IV se zabývá biodostupností chemických látek (z nichž některé působí jako genotoxikant), která je jedním z nejdůležitějších parametrů ovlivňující expozici. Studie prezentuje nový přístup ekotoxikologického hodnocení, který využívá expozice stejného organismu třem frakcím testovaných vzorků a umožňuje tak hodnocení c

Abstract:

elkové toxicity, hodnocení toxicity frakce rozpustné ve vodě a biologicky dostupné frakce kontaminantů. Veškeré prezentované metody a přístupy disertační práce jsou aplikovatelné pro hodnocení genotoxického potenciálu chemických látek a kontaminantů, kterým jsme denně exponování ve vnitřním i venkovním prostředí. Výsledky disertační práce přinášejí překvapivé informace týkající se genotoxicity a hodnocení zdravotních rizik po expozici cis- a trans-EHMC a zdůrazňuje tak nutnost detailního přehodnocení aplikace EHMC v prostředcích denní potřeby a celkové přezkoumání bezpečnosti EHMC se zaměřením na oba isomery této látky a jejích degradačních produktů.

Abstract:

Humans are regularly exposed to a range of toxic chemicals present in the environment and consumer products. Many of these chemical compounds may cause DNA damage, which can result in non-reversible changes in human cells and cause several human health issues. Concerning this, it is important to study their physico-chemical properties, mechanisms of action, chemical fate and sources, and their possible degradation and transformation products which can occur not only during metabolization in human body but also during application and use of consumer products containing genotoxic chemicals. These parameters help to identify the human health risks with an aim to safeguard human population. This PhD thesis accentuates on potentially genotoxic compounds, their sources, and factors influencing their exposure pathways to humans. It describes methods, biomarkers of exposure, used for genotoxicity evaluation and their use for external and internal exposure evaluation, the approaches used for extrapolation of experimentally obtained data, and tools for measuring other important parameters that are needed for human exposure assessment and toxicokinetics, followed by human health risk assessment. This thesis consists of four original scientific research articles (hereafter mentioned as Studies) published in peer-reviewed journals. Out of these included studies, three of them focus on a most commonly used UV filter in personal care products, i.e. ethylhexyl methoxycinnamate (EHMC) and its isomers. Despite its widespread use, the toxicological information and dermatotoxicokinetic parameters of cis-EHMC are scarce in the literature. To this regard, Study I and II bring information regarding toxicological bioassays which were used for genotoxicity evaluation of EHMC. In these two studies, the differences in the genotoxicity responses of the two EHMC isomers were identified in bacterial and cellular assays. Experimentally obtained data were used to assess human health risks for the most exposed population groups through inhalation, ingestion, and dermal exposure routes in order to identify the most relevant human exposure pathways for cis- and trans-EHMC. Probabilistic human health risks are also assessed by comparing daily aggregated intakes through three exposure routes and the reference doses. These reference doses were calculated from experimentally-obtained data using the Quantitative in vitro to in vivo extrapolation approach. These two studies highlight the most exposed population groups (based on gender, age and the use frequency of consumer products containing EHMC), the transformation of EHMC and the transport of cis- and trans-EHMC to the human body. Following the outcomes of Study I and II on the most important exposure pathway, Study III focuses on the dermal transport mechanisms of EHMC isomers to determine the selected dermatotoxicokinetic parameters which are crucial for toxicokinetic modelling and human health risk assessment. This study uses the most suitable methods to determine EHMC’s dermal transport, diffusion and permeability coefficients. Study IV focuses on toxic chemical compounds’ (where most of them has genotoxic effects) bioavailability which is one of the most important parameters in exposure assessment. The study presents the new approach of three-step ecotoxicological evaluation, which uses exposure of the same test organism to three fractions and allows evaluation of the total toxicity and the toxicity of the water-soluble fraction and biologically available fraction of solid sample contaminants. Overall, methods and approaches presented in this thesis are applicable for genotoxicity evaluation and human health risk assessment for a range of toxic chemicals present in ambient and indoor environment. Outcomes of studies included in this thesis open a range of possibilities for further detailed assessment on EHMC and other similar chemicals’ application in consumer and personal care products, and their heal

Abstract:

th risks.

Keywords

Genotoxicita, Poškození DNA, Lidský biomonitoring, Interní a externí expozice, Biomarkery expozice, Biodostupnost, Etylhexyl metoxycinamát (EHMC), cis trans isomerizace, Kosmetické přípravky, Kvantitativní extrapolace dat in vitro – in vivo, Probabilistické hodnocení zdravotních humánních rizik Genotoxicity, DNA damage, Human biomonitoring, Internal and external exposure, Biomarkers of exposure, Bioavailability, Ethylhexyl methoxycinnamate (EHMC), cis trans isomerisation, Personal care products, Quantitative in vitro to in vivo extrapolation, Probabilistic human health risk assessment

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Čupr, Ph.D.
• Reader: prof. MVDr. Zdeňka Svobodová, DrSc., RNDr. Mária Dušínská, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ekotoxicology