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Teil B - Einstufung von anorganischen glasigen Faserstäuben aufgrund von Daten zur Biopersistenz in der Lunge

Ausgabe Mai 1988
(BArbBl. 5/88 S. 73)
(Stand: November 1997)

1 Einleitung und Problemstellung

In Teil A wird ausgeführt. daß unter Berücksichtigung der gesamten gegenwärtigen Datenlage die langgestreckte Gestalt von Staubteilchen ein krebserzeugendes Agens darstellt, sofern die Teilchen hinreichend lang, dünn und biobeständig sind. Außerdem wird darauf hingewiesen, daß die Verweildauer verschiedener Fasertypen in der Lunge von Versuchstieren mit der jeweiligen kanzerogenen Potenz assoziiert ist (1). Aufgrund der damaligen Datenlage war es jedoch nicht möglich zu entscheiden, welche Verweildauer zu welcher Einstufung in die Kategorien der krebserzeugenden Stoffe des Anhangs I der GefStoffV führt. Zwischenzeitlich sind weitere Untersuchungen zur Verweildauer (Biopersistenz) von anorganischen Fasern in der Lunge von Versuchstieren durchgeführt worden (2,3,4,5).

Bei diesen Biopersistenzuntersuchungen wird der Faserstaub den Versuchstieren inhalativ oder intratracheal verabreicht und nach serieller Sektion die in der Lunge verbliebenen Faserzahlen und ihre Größenverteilung bestimmt.

Insbesondere in den Versuchen mit intratrachealer Instillation zeigte sich, daß die Faserelimination näherungsweise einer Kinetik 1. Ordnung folgt. In diesem Fall ist es üblich, die Geschwindigkeit der Faserelimination durch Berechnung der Halbwertzeit zu charakterisieren, d.h. der Zeit, die erforderlich ist, um die anfängliche Lungenbelastung auf die Hälfte zu reduzieren. Bei den Inhalationsuntersuchungen ließen sich die erhaltenen Daten in vielen Fällen besser beschreiben, wenn eine schnelle und eine langsame Elimination zugrundegelegt wird, für die jeweils getrennt Halbwertzeiten berechnet werden können. Auch die Angabe einer gewichteten Halbwertzeit für den gesamten Eliminationsprozess ist möglich.

Grundsätzlich ist von drei Mechanismen der Faserelimination aus der Lunge auszugehen:

1. Abtransport intakter Fasern durch mucociliäre und Makrophagen vermittelte Clearance (physikalische Elimination)
2. Brechen und Zerfall von Fasern
3. Auflösung von Fasern

Insbesondere bei der physikalischen Elimination bestehen beträchtliche Unterschiede zwischen der üblicherweise verwendeten Ratte (vergleichsweise schnell) und dem Menschen (vergleichsweise langsam) (6). Bei den übrigen Mechanismen ist dagegen von ähnlichen Geschwindigkeiten bei Mensch und Ratte auszugehen. Beachtet werden sollte jedoch, daß die Auflösungsgeschwindigkeit von Fasern in verschiedenen Kompartimenten der Lunge unterschiedlich sein kann (Schleimschicht der Bronchien, Wände der Bronchien und Bronchioli; Alveolarmakrophagen, Gewebe zwischen den Alveolen) und letztendlich unbekannt ist, welchem der Kompartimente bei der Tumorentstehung die größere Bedeutung beizumessen ist.

Diese Unterschiede sind bei der Bewertung von Biopersistenzdaten zu berücksichtigen.

Um aus Daten zur Biopersistenz einen Maßstab für die kanzerogene Wirkungsstärke zu entwickeln, muß ein Abgleich mit den Kanzerogenitätsdaten erfolgen.

2 Datenbasis zur Biopersistenz

Da die Auswertemethodik dazu führen kann, daß unterschiedliche Halbwertzeiten für den gleichen Fasertyp berechnet werden, wurden im Auftrag des European Chemicals Bureau (Ispra) publizierte und nicht publizierte Untersuchungen zur Biopersistence nach einer einheitlichen Methodik ausgewertet (7). Die in diesem Bericht berechneten Halbwertzeiten sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 zusammengefaßt.

Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich, konnten die nach intratrachealer Instillation erhaltenen Retentionsdaten in der Regel mit einer einphasigen Eliminationskinetik beschrieben werden, während nach inhalativer Verabreichung (Tabelle 2) in der Regel eine bessere Kurvenanpassung mit einer biphasigen Eliminationskinetik erreicht wurde. Außerdem waren nach Inhalation in der Regel kürzere Halbwertzeiten als nach intratrachealer Instillation zu verzeichnen und die Fraktion der WHO-Fasern wurde langsamer eliminiert als die Fraktion der Fasern länger als 20 µm.

Obwohl entsprechende Nachweise nicht vorliegen, könnten die versuchsabhängigen systematischen Unterschiede einen oder mehrere der folgenden Gründe haben:

• Intratracheal und inhalativ wurden beim gleichen Fasertyp Proben mit unterschiedlichen Dicken
• und Längenverteilungen geprüft.

Mit steigenden Dicken und Längen steigt auch der aerodynamische Durchmesser und somit die Depositionswahrscheinlichkeit im oberen Respirationstrakt, in dem die vergleichsweise schnelle mucociläre Clearance wirksam werden kann.

In Tabelle 3 sind die bekannten Dimensionen der jeweiligen Fasertypen, die inhalativ und intratracheal geprüft wurden, einander gegenübergestellt:

Tabelle 3: mittlere Länge und mittlerer Durchmesser von intratracheal und inhalativ geprüften Fasersuspensionen sowie zugehörige Halbwertzeiten.

t_{1, 2} [Tage]

Mit Ausnahme der Daten zu MMVF-11 wurden in dem Testsystem kürzere Halbwertzeiten ermittelt, in dem dickere und längere Fasern des gleichen Typs geprüft wurden. Die gleiche Argumentation kann verwendet werden, um die in der Regel kürzere Halbwertzeit der Faserfraktion L > 20 µm im Vergleich zur Halbwertzeit der WHO-Fraktion zu erklären. Bei letzterer ist anzunehmen, daß ein größerer Anteil in den Alveolarbereich gelangt, in dem die vergleichsweise langsame Makrophagen-vermittelte Clearance wirksam ist. Eine quantitative Beziehung zwischen der Halbwertzeit und den Faserdimensionen bei gleicher chemischer Zusammensetzung kann jedoch nicht hergestellt werden.

- Aus Untersuchungen mit vergleichsweise unlöslichen Partikeln ist bekannt, daß mit steigender Lungenbelastung die Eliminationsgeschwindigkeit abnimmt (8). Ähnliches wurde mit faserförmigem Asbest beobachtet (9). Intratracheal wurde in den meisten Fällen eine Dosis von insgesamt 2 mg verabreicht. Inhalativ wurden die Versuchstiere meistens gegenüber ca. 30 mg/m³ exponiert. Nur in wenigen Fällen wurden in den inhalativen Biopersistenzprüfungen nach Beendigung der Exposition die Massenbelastung der Lunge bestimmt (4). Es ist jedoch davon auszugehen, daß nach inhalativer Biopersistenzprüfung die Massenbelastung der Lunge deutlich niedriger ist im Vergleich zur intratrachealen Prüfung, so daß nach rehalativer Prüfung eine schnellere Elimination zu erwarten ist. In der Literatur wird zwar ein generelles Verfahren zur Berücksichtigung der Dosisabhängigkeit der Halbwertzeit beschrieben, aber es bestehen erhebliche Zweifel, ob dies so generalisierbar ist (10).

3 Vergleich von Biopersistenzdaten mit Ergebnissen von Kanzerogenitätsprüfungen

Ebenfalls im Auftrag des European Chemicals Bureau (Ispra) wurde eine Korrelationsanalyse zwischen den berechneten Halbwertzeiten und den Ergebnissen von inhalativen und intraperitonealen Kanzerogenitätsprüfungen durchgeführt (11). Danach wurden folgende Ergebnisse erhalten:

• Die inhalative Halbwertzeit während der langsamen Elimination der Fasern mit L >20 µm korreliert mit der Lungenbeladung durch diese Fasern nach chronischer Inhalation der Fasertypen MMVF21/11/10/22 und dem Ausmaß der Kollagenablagerungen an den Bifurkationen.
• Mit den Parametern Länge und Anzahl der injizierten Fasern und der intratrachealen Halbwertzeit der WHO-Fasern oder der Fasern mit L > 20 µm oder der inhalativen Halbwertzeit während der langsamen Elimination der Fasern L > 20 µm kann die Tumorhäufigkeit im i.p.-Test berechnet werden.
• Eine gute Korrelation besteht zwischen den intratrachealen und inhalativen Halbwertzeiten der Fasern mit L > 20 µm sowie zwischen den intratrachealen Halbwertzeiten der WHO-Fasern und der Fasern mit L > 20 µm.

Es ist plausibel, daß die inhalative Halbwertzeit während der langsamen Elimination (T₂-Wert der Tabelle 2) mit den Ergebnissen chronischer Versuche korreliert, da die inhalative Halbwertzeit während der schnellen Elimination (T₁-Wert der Tabelle 2) insbesondere das Ergebnis der schnellen mucociliären Clearance darstellt, die für chronische Effekte von untergeordneter Bedeutung ist. Aus dem gleichen Grunde ist auch die gewichtete Halbwertzeit (Tw-Werte der Tabelle 2) nicht verwendbar, da zu ihrer Berechnung die inhalative Halbwertzeit während der schnellen Elimination mit verwendet wurde. Bei den intratrachealen Halbwertzeiten ist eine derartige Differenzierung nicht erforderlich, da wie erwähnt, in der Regel die Eliminationsgeschwindigkeit ausreichend genau durch eine Halbwertzeit charakterisiert werden kann. Möglicherweise ist in diesem Versuchsmodell die vergleichsweise schnelle mucociliäre Clearance nur von untergeordneter Bedeutung. Dieser Wert entspricht dem T₁-Wert der Tabelle 1, wenn für den jeweiligen Fasertyp keine T₂- und T_W-Werte berechnet wurden. Sind T₂- und T_w-Werte berechnet worden, ist wie bei der inhalativen Halbwertzeit der T₂-Wert heranzuziehen.

Bezüglich der Korrelation zwischen der inhalativen Halbwertzeit während der langsamen Elimination der Fasern L > 20 µm und der Kollagenablagerung an den Bifurklationen ist kritisch anzumerken, daß die Kollagenablagerung eine "Alles- oder-Nichts-Antwort" darstellt, so daß die Bedeutung der gefundenen Korrelation zweifelhaft ist. Da keine Tumoren in den inhalativen Kanzerogenitätsprüfungen induziert wurden, konnte außerdem dieser eigentlich interessierende Endpunkt nicht betrachtet werden.

Aus den in tabellarischer Form wiedergegebenen Berechnungen zur Tumorhäufigkeit im i.p-Test ergibt sich, daß bei sonst gleichen Parametern mit steigender Halbwertzeit die Tumorhäufigkeit zunimmt. Eine Rangfolge der kanzerogenen Potenz einzelner Fasertypen kann hieraus jedoch nicht abgeleitet werden.

In dem Bericht an das European Chemicals Bureau (11) wurde für die Beziehung der intratrachealen Halbwertzeiten der WHO-Fasern und der Fasern mit L > 20 µm ein Korrelationskoeffizient von 0,98 berechnet, und für die Beziehung zwischen der inhalativen Halbwertzeit während der langsamen Elimination und der intratrachealen Halbwertzeit der Fasern mit L >20 µm ein Korrelationskoeffizient von 0,93. In diese Berechnung wurden jedoch nicht alle verfügbaren Datenpaare der Tabellen 1 und 2 einbezogen. Eine lineare Regressionsanalyse (mit dem Programm WinSTAT-Version 3.1) ergab die in Tabelle 4 aufgeführten Korrelationskoeffizienten (siehe auch Abbildungen 1 bis 3):

Tabelle 4: Korrelationskoeffizienten von intratrachealen und inhalativen Halbwertzeiten

Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, konnte der Korrelationskoeffizient von 0,98 bestätigt werden, nicht jedoch der Wert von 0,93. Aus den Korrelationskoeffizienten der Tabelle 4 kann gefolgert werden:

• Zwischen den intratrachealen Halbwertzeiten der WHO-Fasern und der Fasern L > 20 µm besteht ein hochsignifikanter Zusammenhang, der bei den entsprechenden inhalativen Halbwertzeiten zwar immer noch signifikant, aber deutlich weniger ausgeprägt ist.
• Der Zusammenhang zwischen inhalativen und intratrachealen Halbwertzeiten (WHO-Fasern oder Fasern mit L 20 µm) ist noch schwächer bzw. nicht mehr statistisch signifikant.

Dies bedeutet letztendlich, daß Rückschlüsse von intratrachealer auf inhalative Halbwertzeiten (und umgekehrt) mit beträchtlichen Unsicherheiten verbunden sind.

4 Einstufung aufgrund von Biopersistenzdaten

Im Grundsatz erfolgt in der TRGS 905 die Einstufung von anorganischen Faserstäuben durch Abschätzung der jeweiligen kanzerogenen Potenz im i.p.-Test und Vergleich mit der Wirkungsstärke des Asbest. Ein derartiger Vergleich ist mit den Ergebnissen der für das European Cbemicals Bureau (Ispra) erstellten Korrelationsanalyse nicht möglich. In Tabelle 5 sind daher die TD₂₅-Werte aus Teil A der Fasertypen aufgeführt, mit denen auch intratracheale und/oder inhalative Biopersistenzuntersuchungen durchgeführt wurden:

Tabelle 5: TD₂₅-Werte und zugehörige intratracheale und inhalative Halbwertzeiten in Tagen mit 95 % Vertrauensbereich (VB) T-i.tr.( VB)

Wie ersichtlich, ist insbesondere bei den intratrachealen Halbwertzeiten ein Zusammenhang mit den TD₂₅-Werten erkennbar, während bei den inhalativen Halbwertzeiten die Unterschiede zwischen stark und weniger stark wirksamen Fasertypen nur relativ klein sind, die jeweiligen Vertrauensbereiche sich zum Teil beträchtlich überlappen und bei den Fasertypen RCF1 und M-475 einander widersprechende Halbwertzeiten erhalten wurden, die möglicherweise auf Unterschiede in den geprüften Faserdimensionen zurückgeführt werden können. Aus diesen Gründen ist es derzeit zu unsicher, mit Hilfe von inhalativen Halbwertzeiten eine Einstufung in die Kategorien der krebserzeugenden Stoffe vornehmen zu können.

Bei den intratrachealen Halbwertzeiten sind die Unterschiede in den Halbwertzeiten von stark und weniger stark wirksamen Fasern deutlich größer und bei den WHO-Fasern besteht praktisch keine Überlappung der Vertrauensbereiche bei unterschiedlicher kanzerogener Potenz im i.p-Versuch. Unter Berücksichtigung des Einstufungssystems der TRGS 905 und der in quantitativer Hinsicht eingeschränkten Vergleichsmöglichkeit zwischen kanzerogener Potenz und zugehöriger Halbwertzeit kann derzeit mit Hilfe von Biopersistenzdaten nur zwischen einer Einstufung in die Kategorie 3 und einer Nichteinstufung unterschieden werden. Die Frage der Einstufungsgrenze zwischen Kategorie 2 und 3 aufgrund von Biopersistenzdaten ist noch Gegenstand intensiver Diskussion im BK-Toxikologie und kann erst bei entsprechender Datenlage erarbeitet werden. Eine Einstufung in die Kategorie 3 der krebserzeugenden Stoffe erfolgt, wenn die Halbwertzeit der WHO-Fasern nach intratrachealer Verabreichung von 2 mg einer Fasersuspension mehr als 40 Tage beträgt.

Die Bezugnahme auf die Dosis von 2 mg ist erforderlich, da in der Regel mit dieser Dosis die bisherigen Versuche durchgeführt wurden und eine Variation der Dosis auch zu Veränderungen der Halbwertzeiten führen kann. Eine quantitative Berücksichtigung des Dosiseffektes ist derzeit jedoch noch nicht möglich (Die intratrachealen Halbwertzeiten des Fasertyps B-01/0,9 wurden mit einer Dosis von 0,35 mg erhalten).

Literatur

1. TRGS 906 "Begründung zur Bewertung von Stoffen der TRGS 905" Teil II lfd. Nr. 1 "Anorganische Faserstäube (ausgenommen Asbest)" Teil A "Einstufung von anorganischen glasigen Faserstäuben auf Basis von Serosa-Test und chemischer Zusammensetzung", BArbBl. 10, 46-51 (1995)

2. Hesterberg W. et al.: Biopersistence of man-made vitreous fibers and crocidolite asbestos in the rat lung following inhalation. Inh. Toxicol 29, 267-279 (1996)

3. Bernstein D.M. et aL: Evaluation of soluble fibers using the inhalation biopersis-tence model, a nine-fiber comparison.Inh. Toxicol 8, 345-385 (1996)

4. Muhle H. et al.: Persistenzuntersuchungen von Mineralfasem in vivo und in vitro und Entwicklung von Beurteilungskriterien für die Biobeständigkeit; Endbericht für Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn, und Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Sankt Augustin, Mai 1997 siehe auch: BIA-Report "Fasern - Tests zur Abschätzung der Biobeständigkeit und zum Verstaubungsverhalten"

5. Bellmann B; Muhle H.: Untersuchungen der in-vivo Löslichkeit von glasigen silicatischen Faserstäuben. Abschlußbericht (Entwurf) für Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, August 1997

6. Schlesinger R.B.: Deposition and clearance of inhaled particles.in: Concepts in inhalation toxicology (eds: McClellan R.O.; Henderson R.F.), Hemisphere Publ. New York, pp 163-192 (1989)

7. Bernstein D.M.: Data analysis of i.t. and inh. biopersistence data. Report of 4 March 1997 to European Chemicals Bureau of the Joint Research Centre, Ispra; ECB/TM/l1(97)

8. Morrow PE. et al.: Chronic inhalation study findings as a basis for proposing a new occupational dust exposure limit. J. Am. Coll. Toxicol. 10(2), 279-290 (1991)

9. Bolton R.E. et al: An overload hypothesis for pulmonary clearance of UICC amosite fibres inhaled by rats Br. J. Ind. Med. 40, 264-272 (1983)

10. Jensen S.L; Guldberg M.: The influence of retained mass (lung burden) on die results of intratracheal tests Occup. Environm. Med. 54(5), 358-359 (1997)

11. Bernstein D.M.: Correlation between short term biopersistence and chronic toxicity studies Report of 11 June 1997 to European Chemicals Bureau of the Joint Research Centre, Ispra; ECB/1TM/15(97)

weiter.