Přestup chemických látek přes biologické membrány a jeho vliv na interní expozici a rizika u člověka

Mgr. Katarína Bányiová, Ph.D.

Doctoral thesis

Permeation of chemical compounds through biological membranes and its impact on the internal human exposure and risks

Abstract:

Předložená dizertační práce si dává za cíl hodnocení dermální absorpce vybraných environmentálních polutantů, u kterých byla sledována významná expozice s potenciálem škodlivého působení na zdraví člověka. Konkrétně se jedná o pesticidy, organické UV filtry v přípravcích osobní péče, bromované zpomalovače hoření a perzistentní organické polutanty (POPs). Toxikokinetické parametry těchto látek jsou klíčové pro hodnocení expozice a rizik pro člověka. Nicméně, až do doby řešení práce nebyly tyto parametry studovány či nebyly dostupné. V současné době jsou pro hodnocení toxikokinetických procesů, jako je absorpce, distribuce, metabolismus a exkrece (ADME), dostupné různé nástroje in vitro, in vivo a in silico. Přesto se hodnotitel rizik potýká s limitacemi pro hodnocení některých environmentálních polutantů, které mají širokou škálu fyzikálně-chemických vlastností a vyžadují specifické metodické přístupy hodnocení. Kromě stanovení dermální absorpce sledovaných látek se proto tato práce zaměřuje i na zlepšení a vývoj komplexní metodologie pro zpřesnění hodnocení dermální expozice a zdravotních rizik u člověka. Práce je rozdělena na teoretickou a experimentální část. Teoretická část se věnuje cílům studie, její podstatě, teoretickému pozadí řešené tématiky, včetně přehledu hlavních faktorů ovlivňujích dermální absorpci, a dostupné metodiky pro její studium. V závěru teoretické části jsou uvedeny možnosti dalšího využití experimentálně měřeních parametrů dermální absorpce. Experimentální část je členěna na 5 studií, které byly realizovány v rámci této práce. První dvě studie se zabývají dermální absorpcí tří pesticidů a hodnocením rizik plynoucích z dermální expozice těmto látkám. V rámci studie byly měřeny dermatotoxikokinetické parametry (permeační koeficient, tok látky membránou v ustáleném stavu a lag čas – čas potřebný pro dosažení ustáleného toku) s využitím automatizovaného systému difúzních cel. Tyto parametry byly použity pro výpočet absorbované dávky pesticidů dermální cestou v rámci reálných scénářů expozice v kontaminovaných povrchových vodách a pro následné hodnocení zdravotních rizik. Zatímco v první studii byla pro hodnocení dermální absorpce aktivní látky chlorotoluron využita prasečí kůže a deterministický přístup hodnocení rizik, v druhé studii zaměřené na simazin a karbendazim byla použita lidská kůže a probabilistické hodnocení rizik, což umožnilo zpřesnění hodnocení expozice člověka pesticidům a rizik z toho plynoucích. V rámci třetí studie byla experimentálně měřena dermální absorpce organického UV filtru Ethylhexyl methoxycinamátu (EHMC) používaného v přípravcích osobní péče, kdy byla zvolena technika slupování rohovinové vrstvy kůže pomocí adhezivních pásek (anglicky termín Tape stripping). Cílem bylo zjistit, zda dochází k rozdílnému přestupu kůží sledovaných izomerů trans- a cis- EHMC, u kterých byla determinována významná expozice. Pro cis-EHMC, který vzniká působením UV záření na trans-izomer, byl v předchozích studiích zjištěn rozdílný genotoxický potenciál v porovnání s trans-EHMC. Třetí studie (prezentována v dizertační práci) tak vůbec poprvé přinesla toxikokinetická data o přestupu kůží člověka obou izomerů. Pro výpočet toxikokinetických parametrů byl použit matematický model využívající rovnici druhého Fickovho zákona difuze. Cílem čtvrté studie bylo měření dermální absorpce polybromovaných diphenyl étherů (PBDEs) pomocí nově vyvinutého přístupu. Jelikož využití difuzní cely se ukázalo jako nevhodné pro studování dermální absorpce lipofilních látek, v případě PBDEs bylo využito elastomerů jako donorov

Abstract:

ého i receptorového média. Tento nový přístup umožňuje realističtější modelování dermální expozice u látek s nízkou rozpustností ve vodných roztocích. Poslední, pátá studie, je příkladem využití toxikokinetického modelování pro hodnocení rizik u člověka. V této studii byl hodnocen příjem POPs dietární expozicí na základě biomonitoringových dat Státního zdravotního ústavu (SZÚ) s využitím toxikokinetického modelu. Vypočítané příjmy byly porovnány s nezávislým souborem dat z monitoringu dietární expozice probíhajícím na SZÚ. Význam této studie spočívá v jejím celistvém přístupu k hodnocení lidské expozice a rizik pomocí propojování dat interní a externí expozice člověka s využitím toxiokokinetického modelu. Data získaná díky studiím realizovaných v rámci dizertační práce jsou využitelná pro hodnocení expozice a rizik studovaných látek. Aplikované metodické přístupy mohou být v případě jednoduchých modifikací použity i pro hodnocení jiných látek. Dizertační práce tak obohacuje stávající metodiky pro hodnocení expozice člověka a rizik o inovativní metody a přístupy. V závěru práce jsou uvedena doporučení pro další výzkum a studie, které jsou důležité pro neustálé zpřesňování hodnocení expozice a rizik environmentálním polutantům v lidské populaci.

Abstract:

This dissertation thesis aims to assess the dermal absorption of selected environmental pollutants to which there is significant human exposure and potential deleterious effects. For these compounds, specifically current use pesticides, organic UV filters in personal care products, brominated flame retardants and legacy persistent organic pollutants (POPs), the information on the dermal absorption and other toxicokinetic parameters was not available, or it was very limited prior to this study. This information is crucial for the risk and exposure assessment. In vitro, in vivo and in silico tools are available to assess the chemical-specific toxicokinetic processes, such as absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME)., but often these are not sufficient to realistically assess the population level dermal exposure to environmental pollutants that represent a wide range of physico-chemical properties. Therefore, this work aims also to enhance the available methodology to offer holistic and complex approaches towards the refinement of the dermal exposure and human health risks assessment. The thesis itself is divided into two sections, theoretical, and experimental. The theoretical part of the study explains the justification for such a study, the background and the objectives of the thesis, as well as main factors playing role in the dermal absorption processes. The current methodologies in dermal absorption assessment are presented and the possible use of experimentally determined dermal absorption data is outlined. The experimental section is divided into 5 experimental studies. The first two studies deal with the dermal absorption and risk assessment of three currently used pesticides. The dermatotoxicokinetic parameters (permeability coefficient, steady-state flux and lag time) were measured in infinite dose conditions with the use of the automatic system of diffusion cells. The parameters were further used for the calculation of dermally absorbed doses during realistic exposure events in the surface waters and potential risk of such exposure. In the first study with chlorotoluron, a pig skin and deterministic risk assessment approach were used, in the second study human skin and probabilistic risk assessment were used. The switch from pig skin to human skin models, and from deterministic to probabilistic modelling, led towards more realistic modelling of the human exposure of pesticides. In the third study dermal absorption experiments with an organic UV filter used in personal care products (Ethylhexyl methoxycinnamate) were carried out in vivo using tape stripping technique. The aim was to observe the difference between the absorption of two isomers (cis- and trans-), as previous studies showed that the dermal exposure to both isomers can be significant, and the two isomers differ in their genotoxicity potentials. This was the first time that the toxicokinetic absorption parameters through Stratum corneum were calculated from the experimental data and mathematical solution of Fick´s second law for both isomers. In the fourth study, the dermal uptake of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) was investigated with the use of newly designed approach. Because the use of diffusion cell was not feasible with these lipophilic compounds, elastomers were used as the donor and receptor compartment. This approach leads to more realistic modelling of dermal uptake of PBDEs and offers a new approach for other compounds of low aqueous solubility. The last (fifth) study represents an example of the use of toxicokinetic modelling in human health risk assessment. In this study, human intake of POPs was calculated from long-term biomonitoring data provided by National Institute of Public Health (NIPH) for the Czech Republic. The calculated intakes were compared to the independent data set of dietary exposure data from NIPH dietary exposure monitoring. The importance of this study lies in the holistic approach towards human ri

Abstract:

sk assessment by linking the external exposure data with the biomonitoring data using toxicokinetic modelling. The obtained data from all these studies can be further used in the models for exposure and risks assessment of these compounds. The methodological approaches used in this study can be applied (with modifications, if needed) for other environmental pollutants. The methods for the dermal absorption assessment of environmental pollutants available prior to this study, were enriched by new approaches towards the human dermal exposure and risks assessment. There are also recommendations for further studies that could be carried out with the aim of constant exposure and risk assessment refinement.

Keywords

Dermální absorpce, permeační koeficient, dermatotoxikokinetika, lidská expozice, externí expozice, interní expozice, hodnocení rizik, in vitro modely, Franzova cela, toxikokinetické modelování

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Čupr, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Miroslava Beklová, CSc., Ing. Jiří Slabotinský, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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