La valutazione tossicologica per la salute umana delle ... · cadmio nei ratti da parte dell’etanolo (Kershaw e Coll., 1990) Etanolo + cadmio 200 300 Cadmio 2200 2150 (3 mg/kg ev)

Centro Internazionale per gli Antiparassitari e la Prevenzione Sanitaria

Ospedale “Luigi Sacco” - Milano

Giornata di Studio del Laboratorio diApprofondimento Rischio Clinico

17 Marzo 2009

Angelo MorettoDipartimento di Medicina del Lavoro, Università di Milano

ICPS, Ospedale Luigi Sacco, Milano

La valutazione tossicologica per la salute

umana delle sostanze chimiche



PROBLEMI DI VALUTAZIONE

DEL RISCHIO

1. Linee guida armonizzate a livello

internazionale

2. Rischio da miscele

3. Concetto di potenza relativa (TEQ, RPF)

4. Quantitative Structure – Activity Relationship

(QSAR)

5. Threshold of Toxicological Concern (TTC)

6. Benchmark dose (BMD)



LINEE GUIDA

Nel corso degli anni sono state sviluppate

numerose linee guida (“guidelines” e

“guidance documents”)

Conduzione di studi tossicologici e di

esposizione

Valutazione degli studi

Interpretazione degli effetti

Determinazione dei valori di riferimento



LINEE GUIDA

L’adozione di linee condivise

favorisce l’armonizzazione delle

decisioni (vedi GHS)



LINEE GUIDA

PRINCIPALI ORGANISMI COINVOLTI

WHO / IPCS

OECD / OCSE

EU

EPA / FDA /Health Canada

Australia



MISCELE

La maggior parte dei dati tossicologici si

riferiscono a singole sostanze. Però nella

realtà raramente si ha esposizione ad una sola

sostanza. In teoria, l’azione di ogni sostanza

chimica può essere alterata dalla presenza di

una o più sostanze chimiche differenti



MISCELE

In generale l’effetto dell’esposizione a molte

sostanze chimiche contemporaneamente

NON differisce dall’effetto totale perché ogni

sostanza interferisce in modo modesto o

nullo sugli effetti delle altre sostanze.

Però, in un significativo numero di casi,

l’esposizione combinata a più sostanze può

risultare in reazioni diverse da quelle attese

dalla semplice somma degli effetti.



MISCELE

Negli Stati Uniti il 26% delle reazioni avverse da

farmaci sono dovute interazioni fra farmaci

N.B.: il 28% dei ricoveri ospedalieri negli Stati

Uniti sono dovuti a reazioni avverse da

farmaci.



MISCELE

Combinazioni possibili con “N” composti

N! - N

esempio:

2 composti = 1 combinazione

5 composti = 115 combinazioni

10 composti = 3.628.790 combinazioni



MISCELE

Interazioni chimiche

assorbimento

Interazioni biologiche

assorbimento

distribuzione

metabolismo

escrezione

al bersaglio

con il meccanismo



Types of combined actions

Simple similar action

Simple dissimilar action

Interaction

Stronger than expected effect

Weaker than expected effect



– Synonyms

Similar joint action

Dose additivity

Relative dose additivity

Non-interactive (i.e. the chemicals in the mixture do

not influence each other’s toxicity)

All chemicals in the mixture act by the same

mechanism/mode of action (MOA) and differ only in

their potencies

SIMPLE SIMILAR ACTION



– Synonyms

Simple independent action

Independent joint action

Response additivity

Non-interactive

The MOA and, possibly, the nature and site of the

toxic effect differ among the chemicals in the mixture

SIMPLE DISSIMILAR ACTION



INTERACTION

All forms of combined action deviating from

the former two types of action

The combined effect may be

stronger (synergy, potentiation, supra-addition)

weaker (antagonism, inhibition, sub-addition)

than that expected on the basis of dose-

addition



Effetto additivo dell’esposizione di ratti a

due idrocarburi alogenati epatotossici

(Charbonneau e Coll., 1991)

1437CCI 4 + 1,1,2-tricloroetano

4151,1,2-tricloroetano

1061CCI 4

ALT nel plasma

(U/ml)

Trattamento

(0.1 mg/kg ip)



Riduzione della tossicità epatica del

cadmio nei ratti da parte dell’etanolo

(Kershaw e Coll., 1990)

300200Etanolo + cadmio

21502200Cadmio

(3 mg/kg ev)

4026Etanolo

(7g/kg po)

AST

(U/L)

ALT

(U/L)

Trattamento



Potenziamento della tossicità epatica del

CCI 4 nei ratti da parte del clordecone

(Mehendale, 1994)

4210 ppm di

clordecone nella

dieta per 15 giorni

2800Dieta normale

DL 50 del CCI 4

(μ/kg)

PRETRATTAMENTO



Effetto sinergico dell’esposizione di ratti

a due idrocarburi alogenati epatotossici

(Charbonneau e Coll., 1991)

4667CCI 4 + tricloroetilene

36tricloroetilene (0.5)

51CCI 4 (0.1)

ALT nel plasma

(U/ml)

Trattamento

(mg/kg ip)



Effects of Mixtures (1)

Type of

compounds

Effect seen

ReferenceBELOW

effect level

ABOVE

effect level

OPs Not done synergy* Moser et al., 2005

OPs additivity** synergy Gordon et al., 2006

Nephrotoxicants

Same MOA

Different MOA

no effect

no effect

additivity

antagonism/

synergy

Jonker et al., 1993a; 1996

Jonker et al., 1993b

PAHs additivity**additivity/

synergyCrofton et al., 2005

Dioxins additivity** additivity Walker et al., 2005

Unrelated no effectAntagonism/

synergyJonker et al., 1990

Unrelated no effect Not done Heindel et al., 1994; 1995



Effects of Mixtures (2)

Type of

compounds

Effect seen

ReferenceBELOW

effect level

ABOVE

effect level

Aldehydes additivityAdditivity or

synergy*Cassee et al., 1996

unrelated No effect unclear Groten et al., 1997

Heavy metals Additivity Antagonism Yang and Denison, 2007

Mycotoxins additivity**antagonism/

synergyTajima et al., 2001

Xenoestrogens additivity** Additivity Rajapakse et al., 2002

Unrelated

pesticidesno effect Synergy Olgun et al., 2004



I dati disponibili indicano che

l’interazione NON AVVIENE a

dosi al di sotto o a livello del No-

Observable-Adverse-Effect-Level

(NOAEL)

CONCLUSIONI



Quindi nella valutazione del rischio

solo l’additività di dose sembra

essere prioritaria

Ovvero solo l’esposizione a

sostanze con lo stesso modo

d’azione deve essere cumulata



Toxic Equivalency Factor/Potency Equivalency

Factor/Relative Potency (TEF) Factor (RFP)

a) Identification of the so-called “index compound” (IC)

b) Normalisation of the potencies of all chemicals to the potency of the IC

c) Derivation of the potencies from

Dose response curves taking the same benchmark response (BMD)

NOAELs

d) Sum of the potency normalised concentrations to yield a total

equivalent exposure expressed as the IC

e) Comparison of the IC equivalent exposure with the Reference Value of

the IC



Example of Use of RPF

COMPOUNDBMD10

(mg/kg)

RPF relative to

compound I (A)

I (index compound) 100 100/100 = 1

II 500 100/500 = 0.2

III 25 100/25 = 4

IV 5 100/5 = 20

Exposure

(mg/kg) (B)

Exposure in terms

of compound I

(A B)

I 0.5 0.5

II 0.5 0.1

III 0.01 0.04

IV 0.01 0.2

TOTAL

0.84 mg/kg

IC equivalents



ESEMPI DI APPLICAZIONE DI TEF / RPF

Diossine, furani e

policlorobifenili-diossino-simili

Esteri organofosforici

Triazine

Carbammati

Dicloroacetanilidi

(solventi con effetti sul

sistema nervoso centrale)



QSAR: è una relazione matematica tra le proprietà intrinseche della molecola e la sua attività biologica

Quantitative Structure-Activity Relationships

QSAR ?

QSAR: strumento predittivo per valutare l’attività di nuovi composti

TOSSICITA’ = f ( Proprietà

Chim-Fis; Descrittori

molecolari)



QSAR

Sostanze chimiche + attività biologica

Nuove sostanze con

perfezionata

attività biologica

QSAR



Caratteristiche necessarie per un modello QSAR

A. Dati input: dati sperimentali di buona qualità

B. Buona rappresentazione della struttura molecolare : descrittori molecolari

C. Validazione del modello



BenchMark Dose (BMD) approach

BMD = Dose level derived from the fitteddose-response model, associated with aspecified change in response (BenchMarkResponse, BMR).

BMDL: lower confidence bound of the BMD =dose level.

Suggested so far by EFSA and JECFA toderive the RP for calculating the MoE forgenotoxic and carcinogenic substances butapplicable to all effects.





BMD vs. NOAEL (1)

NOAEL: poor or limited data may result in

high NOAELs. The acceptability of the data

depends upon expert judgement.

The BMD approach provides a formal

quantitative evaluation of the data quality;

poor dataset will lead to a low BMDL. The

quality of the data does not therefore play as

important a role as it does in the NOAEL

approach



The NOAEL reflects dose level where effectsare too small to be detected. The size of thepossible effect at the NOAEL is unknown

The NOAEL is not a no effect dose; onaverage the size of the effect at the NOAEL isclose to 10% (quantal responses) or 5%(continuous responses)

In the BMD approach, the size of the effect(BMR) is by definition known

The NOAEL and BMDL being expected onaverage to be similar, there is no need to re-evaluate all previous data

BMD vs. NOAEL (2)



The BMD approach uses all information in thedataset. The NOAEL approach is making pair-wise comparisons, using only a subset of thedataset

The BMD approach can interpolate betweenapplied doses; the NOAEL is restricted tothese doses

The BMD approach evaluates the uncertaintyin the calculated BMD ( confidence interval);the uncertainty in the NOAEL is not quantifiedand usually not taken into account.

Advantages of BMD over NOAEL (1)



The BMD analysis quantifies the quality of

the data, taking into account the specifics of

a dataset, e.g. scatter in the data. It therefore

provides a higher level of confidence in the

conclusions.

By taking into account all data of the dose-

response curve, the BMD approach provides

a better basis to quantify the risk in

situations where the health-based guidance

value is exceeded, and thus a better basis for

risk communication.

Advantages of BMD over NOAEL (2)



Threshold of Toxicological Concern

(TTC)Il principio suppone che una dose soglia di pericolo,

“Threshold of Toxicological Concern” (TTC), possa

essere individuata per sostanze o gruppi di sostanze, in

base alla classe strutturale di appartenenza.

Al di sotto del TTC non dovrebbe presentarsi un rischio

apprezzabile per la salute umana; esclusi da questo

approccio i metalli pesanti, le sostanze persistenti

(es.diossine), gli allergeni ed i distruttori endocrini.

Prevede un processo decisionale (“flow chart“)

comprendente diverse soglie di rischio tossicologico a

seconda delle diverse caratteristiche strutturali



from Murno et al. Food and Chemical Toxicology !996



1. La sostanza é un metallo non-essenziale o un composto

contenente metalli non-essenziali, un polialogenato di dibenzo-

diossina, dibenzo-furano o bifenile ?

2. Esistono sospetti riguardo al

potenziale genotossicità della

sostanza ?

La valutazione del rischio richiede

informazioni tossicologiche composto-

specifiche

5. La dose assunta stimata eccede il

TTC di 1,5 µg/giorno ?

La sostanza

verosimilmente

non pone un

rischio per la

salute umana

6. Il composto è un orgonofosforico ?

NO SI

SINO

NO

SI

NO

NO

SI

SI

3. La sostanza ha una struttura simile alle

aflatossine, agli azossi- o ai N-nitroso-

composti?

4. La dose assunta stimata eccede il TTC

di 0,15 µg/giorno ?

Rischio trascurabile (bassa probabilità

che il rischio cancerogeno per tutta la vita

ecceda 1 su 106)

(adattato da R.Kroes e coll. 2004)



7. La dose assunta

stimata eccede il TTC di

18 µg/giorno ?

8. Il composto è

incluso nella classe

strutturale III di Cramer

?

NO SI

SI

La sostanza

verosimilmente non pone

un rischio per la salute

umana

NO

SI

9. La dose assunta

stimata eccede 90

µg/giorno ?

10. Il composto è incluso

nella classe strutturale II

di Cramer ?

NO

NOSI

12. La dose assunta

stimata eccede 1800

µg/giorno ?

SI

11. La dose

assunta stimata

eccede

540 µg/giorno ?

La sostanza verosimilmente non

pone un rischio per la salute

umana

NO

La valutazione del rischio

richiede informazioni

tossicologiche composto

specifiche

NO

La valutazione del rischio richiede

informazioni tossicologiche

composto-specifiche

SI

SI

6. Il composto è un orgonofosforico ? (adattato da R.Kroes e coll. 2004)



Cohort of Concern

High potency carcinogens, identified by structural

alerts and not suitable for the TTC approach

Aflatoxin-like compounds

Azoxy-compounds

Nitroso-compounds

2,3,7,8-dibenzo-p-dioxin and its

analogues (TCDD)

Steroids

Heavy metals

Documents

La valutazione tossicologica per la salute umana delle ... · cadmio nei ratti da parte dell’etanolo (Kershaw e Coll., 1990) Etanolo + cadmio 200 300 Cadmio 2200 2150 (3 mg/kg ev)