BG BAU Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft

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2 Diskussion des vorherrschenden Wirkprinzips

2.1 Wirkprinzip als Leitidee zur Risikoquantifizierung

(1) Erkenntnisse zu dem vorherrschenden Wirkprinzip ("mode of action") oder den vorherrschenden Wirkprinzipien bei der beobachteten krebserzeugenden Wirkung einer Substanz sind sowohl für die Ermittlung des "point of departure" (Abschnitt 3) wie für die Durchführung der Extrapolation in den Bereich niedriger Risiken (Abschnitt 5) hilfreich. Entsprechend sind vor allem zu charakterisieren: a) die Art einer ggf. vorliegenden gentoxischen Wirkung, b) die Art nichtgentoxischer Ereignisse als Einflussgrößen auf den multifaktoriellen Prozess der Kanzerogenese, c) die jeweilige Bedeutung dieser Faktoren für das Wirkprinzip der Kanzerogenese und die Unsicherheit der entsprechenden Schlussfolgerung. Die Ergebnisse sind in geeigneter Weise zu dokumentieren (Abschnitt 9).

2.2 Mutagenität und Gentoxizität

Vorbemerkungen: Die Begriffe Mutagenität und Gentoxizität werden für Schadwirkungen am Erbgut der Zellen verwendet, sind aber nicht synonym: Mutagenität bezieht sich auf permanente vererbbare Veränderungen (Mutationen) in Nachkommen oder in Menge und Struktur der DNA von Zellen. Der breitere Begriff Gentoxizität umfasst auch Schäden, die selbst noch keine Mutationen darstellen, aber bei weiterer Prozessierung ein Potential zu deren Bildung haben. Definitionen (Mutagenität, Klastogenität, Aneugenität und Gentoxizität) vgl. auch Glossar (Abschnitt 10.1).

Im regulatorischen Kontext werden Befunde aus genetischen Toxizitätstests als Indiz für mögliche Kanzerogenität für die Einstufung genutzt, wenn (noch) keine Tierversuchsdaten zur Kanzerogenität vorliegen. Bei Vorliegen positiver Kanzerogenitätsstudien spielen sie zudem eine wichtige Rolle bei der Evaluierung des Wirkprinzips (MoA; "Mode of Action") in Hinblick auf die Extrapolation von Dosis-Wirkungs-Zusammenhängen für Tumor-Risiken.

Regulatorische Leitfäden ("Guidance Documents", u. a. (ECHA, 2012a; EFSA, 2005; SCHER/SCCP/SCENIHR, 2009)) betonen die Bedeutung mechanistischer Informationen im "cancer risk assessment". Für nicht-gentoxisch wirkende Krebsrisikofaktoren ("Tumorpromotoren") wird davon ausgegangen, dass es Wirkschwellen gibt, unterhalb derer sie keine (adversen) Effekte auslösen. Für nicht-gentoxische Kanzerogene sowie bei Formen der Gentoxizität, die über proteinvermittelte Mechanismen induziert werden (z. B. einige Ursachen der Aneuploidie) kann – gestützt durch entsprechende MoA-Evidenz – von einer linearen Extrapolation in den Niedrigdosisbereich abgewichen werden (ECHA, 2012a; EFSA, 2005).

Frühere Bewertungskonzepte gingen davon aus, dass jede von DNA-reaktiven Substanzen bzw. Metaboliten ausgelöste Mutation das Risiko der Krebsentstehung erhöht und daher eine lineare Extrapolation in den Niedrig-Dosis-Bereich begründet sei. Inzwischen wird aber von ECHA (2012a) und SCHER/SCCP/SCENIHR (2009) auch diskutiert, ob einzelne DNA-Veränderungen gänzlich ohne Konsequenz bleiben könnten, wenn ihre Häufigkeit geringer ist als die, mit der dieselben Veränderungen auch als Hintergrundschäden auftreten, oder wenn Reparatursysteme die zusätzlichen Schäden eliminieren können und hierfür "eine Vollständigkeit angenommen werden kann". Auch in diesen Fällen könnte, soweit sie durch experimentelle Befunde gestützt werden, von einer linearen Extrapolation in den Niedrigdosisbereich abgewichen werden (ECHA, 2012a; EFSA, 2005).

Ein solches Abweichen von einer linearen Extrapolation ist nur dann gerechtfertigt, wenn konkrete (z. B. experimentelle) Daten vorliegen, die eine solche Abweichung auch quantitativ stützen (zur Vorgehensweise vgl. Abschnitt 5).

Für die Annahme einer Nichtlinearität oder einer Schwelle bei mutagenen Substanzen reicht in der Regel eine phänomenologische Begründung allein nicht aus (etwa: "keine Mutagenität bei niedrigen Konzentrationen gesehen"; "sublinearer Verlauf bei Mutationen durch Modellierung der Daten bestätigt"). In diesem Fall sind umfassendere Analysen zur Plausibilität vollständiger Reparaturen oder zur konsequenzlosen DNA-Veränderung im Rahmen der Begründung darzulegen. Dies dürfte jedoch nur im Ausnahmefall möglich sein, so dass eine Nichtlinearität (Sublinearität) eher als Dosis-Wirkungsmodell zugrunde zu legen ist als eine Wirkschwelle.

Ferner ist zu bedenken, dass Wirkschwellen nicht notwendigerweise im Hochdosisbereich liegen, sondern sich bereits in so niedriger Dosis befinden können, dass für den relevanten Extrapolationsbereich die Linearitätsannahme noch immer angemessen sein kann.

Schließlich ist der häufige Fall hervorzuheben, dass mehrere Wirkprinzipien gleichzeitig und in Kombination auftreten können (zur Vorgehensweise vgl. Abschnitt 5).

Beispiele

Für Arsen ist zwar aufgrund des beobachteten Wirkprinzips eine Wirkschwelle anzunehmen7 . Da eine solche angenommene Wirkschwelle derzeit aber nicht quantifiziert werden kann und da diese bei sehr niedrigen Expositionshöhen zu liegen scheint, erfolgte eine lineare Extrapolation der ERB für kanzerogene Effekte.

Eine Nichtlinearität der Dosis-Wirkungs-Beziehung im niedrigen Konzentrationsbereich (in vitro) bei Mutationen durch alkylierende Substanzen wurde z. B. von Doak et al. (2007) gefunden. In der Studie handelt es sich um Substanzen, die sehr gut untersucht wurden. Bei einigen dieser Substanzen wurde jedoch auch die Linearitätsannahme bestätigt. Die Autoren nehmen eine Homöostase aufgrund von DNA-Reparaturen bei niedriger Exposition an, die unterschiedlich effektiv sein könne.

Auch bei Ethylmethansulfonat (Verunreinigung in einem AIDS-Medikament) wurde eine Nichtlinearität für mutagene Effekte beschrieben (Gocke und Müller, 2009; Gocke und Wall, 2009; Müller und Gocke, 2009).

Für weitere Hinweise vgl. z. B. Greim und Albertini (2012).

(1) Es ist zu prüfen, ob eine wirkmechanistisch direkte (primäre) Interaktion der Substanz mit dem Erbgut belegt oder aufgrund anderer Informationen anzunehmen ist. Wirkmechanistisch indirekte (sekundäre) Gentoxizität (z. B. über oxidativen Stress, Interferenz mit dem mitotischen Prozess, Inhibition der Topoisomerase, Inhibition der DNA-Reparaturenzyme usw.) ist von der primären Gentoxizität (direkte DNA-Interaktion wie Interkalation oder Adduktbildung und Mutationen durch Muttersubstanz bzw. Metaboliten) zu unterscheiden. Bei indirekter (sekundärer) Gentoxizität kann mit höherer Wahrscheinlichkeit eine Nichtlinearität der Expositions-Risiko-Beziehung begründet werden.

Bei primär gentoxischen Substanzen wird auch zwischen solchen, die direkt DNA-reaktiv sind und solchen, die es erst nach Bioaktivierung sind, differenziert. Gemäß neuerem internationalem Sprachgebrauch wird der Begriff "indirekt" hier aber nicht in Bezug auf eine Bioaktivierung verwendet, sondern synonym für sekundäre Gentoxizität. Diese Unterscheidung in primäre und sekundäre Mechanismen der Gentoxizität ist auch in der Fachliteratur gebräuchlich. Es werden Substanzen mit "direct DNA reactive versus non-direct DNA reactive mechanisms" differenziert (Dearfield et al., 2011; ECHA, 2012a), also Substanzen mit der DNA selbst als Target oder mit Nicht-DNA-Zielmolekülen.
Beispiele

- für primär (direkt) gentoxische Stoffe sind Aflatoxine, Alkylantien, Nitrosamine und PAKs, die entweder selbst oder nach Bioaktivierung die DNA modifizieren und mutagen wirken.

- für sekundär (indirekt) gentoxische Stoffe sind (Hydro-)Chinone und Redoxaktive Metalle, die oxidativen Stress auslösen, Spindelgifte (Vincristin) oder Topoisomerase-Hemmer (Doxorubicin, Etoposid) und Inhibitoren von DNA-Reparaturenzymen (u. a. Arsen, Cytosinarabinosid).

Die Qualität und die Absicherung der Einschätzung gentoxischer Eigenschaften ist zu charakterisieren (Differenzierung nach In vivo-, In vitro-Befunden, Kompatibilität der vorliegenden Studienergebnisse, Einfluss des Dosisbereichs in vorliegenden Tests, Information über Lücken).

In-vivo- und in-vitro-Tests mit mehreren Dosen sind in der Regel nicht dazu ausgelegt, "no effect levels" abzuleiten, sondern dienen der Identifizierung eines gentoxischen Potentials ("hazard"). Doch die Größenordnung, bei der gerade noch messbare Effekte auftreten, kann in Einzelfällen eine hilfreiche Information für eine Risikoableitung sein, u. a. bei der Frage, inwieweit im Niedrigdosisbereich noch Gentoxizität erwartet wird (oder nicht), und ggf. die Art der Extrapolation stützen. Bei manchen Formen der Gentoxizität (z. B. Aneuploidien) können Mindestschadstoffkonzentrationen angenommen werden, die erforderlich sind, um Krebs zu erzeugen. Befunde aus validen In-vivo-Gentoxizitätstests sind für Rückschlüsse auf das Wirkprinzip besonders wertvoll.

(2) Informationen zur Gentoxizität (Art der Gentoxizität, Qualität und Absicherung der Erkenntnisse) können im Hinblick auf eine Spezifität am Zielorgan, in dem Tumorigenität beobachtet wurde, wesentlich sein.

Bei der Bewertung von Gentoxizitätstests ist zu bedenken, dass bis zu 80 % der Stoffe, die negativ in Kanzerogenitätstests an Nagern sind, in einem oder mehreren In-vitro-Tests positiv sind (Kirkland et al., 2005; Matthews et al., 2006). Vor allem zytogenetische Tests mit Säugerzellen (Chromosomen-aberrationstests, Mikrokerntests und Maus-Lymphom-Tests) zeigen eine hohe Sensitivität, aber nur eine geringe Spezifität (irrelevant positiv), und haben daher nur begrenzte Aussagekraft in Hinblick auf die Übertragbarkeit der Befunde auf die zu bewertende In-vivo-Situation. Hierfür gibt es in Abhängigkeit vom verwendeten In-vitro-Testsystem und von der Substanzklasse verschiedene Gründe, die in Übersichtsarbeiten dargelegt sind (Dearfield et al., 2011; Kirkland und Müller, 2000). Eine deutlich bessere Spezifität für Nagerkanzerogene zeigen Mutagenitätstests in Bakterien (Ames-Test) und Säugerzellen (HPRT-Test).

(3) Die Relevanz der Ergebnisse von In-vitro-Gentoxizitätstests ist anhand der in den Tests verwendeten Bedingungen (z. B. Vergleich der Dosis-Wirkungs-Beziehungen von Gentoxizität und Zytotoxizität, Hochdosiseffekte) und der Struktur des untersuchten Stoffs zu prüfen. Gegebenenfalls sollten Struktur-Wirkungs-Beziehungen miteinbezogen werden. Bei systemisch wirkenden Kanzerogenen geben im Zweifelsfall die Ergebnisse von validen In-vivo-Tests den Ausschlag. Bei lokal wirkenden Kanzerogenen sind negative In-vivo-Tests nur dann aussagekräftig, wenn gezeigt wird, dass das Zielorgan erreicht werden kann.

2.3 Bedeutung von Keimzellmutagenität

(1) Das Thema "Keimzellmutagenität" selbst ist nicht Gegenstand des Leitfadens. Doch kann bei Vorliegen von Keimzellmutagenität auch Somazellmutagenität vorausgesetzt werden.

Alle bislang bekannten Keimzellmutagene sind auch in somatischen Zellen in vivo mutagen wirksam. Substanzen, die in somatischen Zellen mutagen sind, können vererbbare Schäden auslösen, wenn sie selbst oder ihre aktiven Metabolite das Erbgut in Keimzellen erreichen. Umgekehrt darf gefolgert werden, dass Substanzen, die in somatischen Zellen in vivo keine Mutationen auslösen, auch keine Keimzellmutagene sind.

Eine Nichteinstufung nach Muta 1A, 1B oder 2 (gemäß CLP-Verordnung (EG) Nr. 1272/2008) hat für die Frage des Wirkprinzips bei der Kanzerogenität keine Relevanz.

2.4 Nichtgentoxische Ereignisse

(1) Informationen zu nichtgentoxischen Effekten mit möglicherweise ursächlichem Einfluss auf den Prozess der Kanzerogenese sind zu erfassen und zu beschreiben sowie der ermittelte Dosisbereich mit den krebsauslösenden Dosierungen zu vergleichen. Zu nennen sind insbesondere Zytotoxizität (z. B. Reizung, Entzündung, Nekrose), induzierte Zellproliferation, rezeptorvermittelte Prozesse, Proteinbindung, direkte hormonelle Wirkung, indirekter Einfluss auf Hormonregelkreise, Organspezifität und Geschlechtsspezifität. Auch toxikokinetische Informationen (z. B. Enzyminduktion, Sättigung bzw. neue Metaboliten spezifisch bei hoher Dosis) sind in diesem Sinne für den Prozess der Kanzerogenese relevant.

(2) Die Qualität und die Absicherung der Einschätzung nichtgentoxischer Eigenschaften ist zu charakterisieren (Differenzierung nach In-vivo-, In-vitro-Befunden, Kompatibilität der vorliegenden Studienergebnisse, Einfluss des Dosisbereichs in vorliegenden Tests, Information über Lücken).

(3) Informationen zu nichtgentoxischen Ereignissen (Art des Effekts, Qualität und Absicherung der Erkenntnisse) sind insbesondere in Bezug auf die Relevanz im Zielorgan, in dem Tumorigenität beobachtet wurde, zu bewerten.

(4) Die Überlegung, ob die Gentoxizität bei einem kanzerogenen Prozess "keine" oder "eine untergeordnete" Rolle spielt, beinhaltet eine nicht eindeutig abgrenzbare Abwägung. Als qualitative Kriterien, zumindest eine untergeordnete Gentoxizität anzunehmen, gelten:

  • Es liegen positive Befunde zu primärer Gentoxizität in vivo vor,
  • es liegt sekundäre (oder auch primäre) Gentoxizität bei niedrigen Konzentrationen in vitro vor (im Vergleich zur Zytotoxizität; mikromolarer und evtl. nanomolarer Bereich),
  • die vorliegenden Daten mit negativem Befund zur Gentoxizität besitzen keine hohe Qualität (als Defaultannahme, weil dann Relevanz der positiven Hinweise nicht auszuschließen ist).

Andererseits kann eher keine Gentoxizität (statt untergeordnete Gentoxizität) angenommen werden oder ein gentoxischer Einfluss bei dem kanzerogenen Prozess als "nicht hinreichend wahrscheinlich" angesehen werden, wenn

  • die Gentoxizität nur in vitro und nicht in geeigneten In-vivo-Studien gefunden wurde (negative In-vivo-Studien),
  • keine in vitro Daten mit (primären oder sekundären) gentoxischen Effekten aus qualifiziert durchgeführten Studien in sehr niedrigen Dosierungen vorliegen,
  • nur sekundäre Gentoxizität nur in höheren Konzentrationen/Dosierungen in vivo beobachtet wurde,
  • die Annahme einer fehlenden Gentoxizität zu den Erkenntnissen zum Wirkprinzip passt,
  • die Datenlage gut ist und nicht für einen Mechanismus spricht, der durch Gentoxizität beeinflusst ist.

Dieser Abwägungsprozess kann im Zweifelsfall bei Verdachtsstoffen (Kanz. Kat. 2 gemäß CLP-Verordnung (EG) Nr. 1272/2008) eher in Richtung "keine" Gentoxizität entschieden werden, während bei eindeutigen Kanzerogenen (Kanz. Kat. 1A oder 1B gemäß CLP-Verordnung) das Bewertungsergebnis: "keine Gentoxizität" durch eine unzweifelhafte Datenlage gestützt sein sollte.

Hintergrund für diese Entscheidungshilfe ist der Hinweis in der Begründung der MAK-Werte für Kanzerogene der Gruppe III, 4, nach der dort Kanzerogene zusammengefasst sind, bei denen "gentoxische Effekte … keine oder nur eine untergeordnete Rolle spielen" (DFG, 2012). Abweichend von DFG differenziert dieser Leitfaden das weitere Vorgehen (z. B. mögliche Schwelle bei "keine Rolle" oder Knickfunktion bei "untergeordnete Rolle").

2.5 Bedeutung einzelner Einflüsse im multifaktoriellen Geschehen

(1) Im Sinne eines "weight of evidence" sind die Bedeutung der primären und/oder sekundären Gentoxität (siehe 2.2) und nichtgentoxischer Ereignisse (siehe 2.4) auf den Prozess der Kanzerogenese abzuschätzen. Der oder die zentralen Einflussfaktoren auf das Krebsgeschehen sind darzustellen und deren vermutete Bedeutung für den Menschen zu begründen.

(2) Ergebnis kann auch eine, je nach Tumorlokalisation und/oder Dosisbereich differenzierte, Unterscheidung der anzunehmenden Wirkprinzipien sein. Das Vorliegen mehrerer (möglicher) Wirkmechanismen ist kenntlich zu machen.

(3) Das Vorliegen prämaligner Effekte (wie die Bildung von Foci in der Leber) ist zu prüfen und deren Dosis-Wirkungs-Beziehung nach Möglichkeit zu beschreiben.

(4) Hintergrundraten und das Auftreten spontaner Tumoren in der Kontrollgruppe sind bei der Diskussion des Wirkprinzips einzuordnen.

2.6 Zielgerichtete Schlussfolgerung

(1) Die Erfassung des Informationsstands mündet in folgenden Aussagen:

  • postuliertes Wirkprinzip
  • Schlüsselereignisse (beobachtete, Übereinstimmung mit Wirkprinzip)
  • Dosis-Wirkungs-Zusammenhang
  • zeitliche Assoziation
  • Stärke des Zusammenhangs, Konsistenz der Daten für diese Schlussfolgerung, Spezifität der Assoziation
  • biologische Plausibilität
  • andere mögliche Wirkprinzipien
  • Vertrauen in die Einschätzung
  • Datenlücken, Unsicherheiten

(2) Es ist insbesondere zu beantworten:

  • Ist die Beweiskraft ausreichend, um im Tierexperiment ein Wirkprinzip zu benennen?
  • Sofern von einer grundsätzlichen Annahme der Übertragbarkeit der Versuchstierbefunde auf den Menschen abgewichen werden soll: Kann die Humanrelevanz des Wirkprinzips auf Basis grundsätzlicher qualitativer Unterschiede in den Schlüsselereignissen zwischen Tier und Mensch mit hinreichender Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden?
  • Und: Kann die Humanrelevanz des Wirkprinzips mit hinreichender Wahrscheinlichkeit auf Basis quantitativer toxikokinetischer und/oder toxikodynamischer Unterschiede zwischen Tier und Mensch ausgeschlossen werden?
  • Wie groß ist das Vertrauen in die abgegebene Einschätzung zum Wirkprinzip (Unsicherheiten sind zu benennen)?
Auch bei gentoxischen Ereignissen kann eine Sublinearität oder (in Ausnahmefällen) eine Wirkschwelle auftreten. Gentoxische Ereignisse sind unter diesem Blickwinkel zu differenzieren (vgl. TGD, Risk Characterisation, Abschnitt 4.14.3.4; Butterworth (2006)).

Auch nicht gentoxische Ereignisse können nicht immer mit einer Wirkschwelle verknüpft werden, z. B. ist bei einigen Rezeptor-vermittelten Prozessen die Angabe eines Wertes für eine solche Wirkschwelle nicht immer möglich (vgl. TGD, Risk Characterisation, Abschnitt 4.14.3.3; Butterworth (2006)).

Soweit für die Ermittlung der Bedeutung der verschiedenen Aussagen Angaben zur Expositions-Risiko-Beziehung im experimentellen Bereich erforderlich sind, besteht eine Sachinterdependenz zwischen Aufgaben nach Abschnitt 3 (Risikoquantifizierung) und Aufgaben nach Abschnitt 2 dieses Leitfadens (insbesondere 2.5 und 2.6: Expositions-Risiko-Beziehung). Entsprechend können die Positionen dieses Leitfadens nicht in strenger zeitlicher Abfolge bearbeitet werden.

Die angesprochenen Punkte unter 2.6 basieren auf Überlegungen der WHO (International Program on Chemical Safety, IPCS) und sind im Detail in Boobis et al. (2006) erläutert. Beispiele für die Vorgehensweise bei der Diskussion des Wirkprinzips finden sich z. B. in Kirman et al. (2004), Cohen et al. (2003), Preston and Williams (2005). Die grundsätzliche methodische Vorgehensweise, um den "mode of action" zu erfassen, ist in Meek et al. (2003) und Seed et al. (2005) erläutert.

In verschiedenen Veröffentlichungen (z. B. Streffer et al.,(2004), Hengstler et al.,(2006), Bolt und Huici-Montagud,(2008), Foth et al., (2005) wurden ähnliche Differenzierungen des Wirkprinzips wie in der hier zugrunde gelegten Vorgehensweise gefordert. Sie werden in Abschnitt 5.1 dieses Leitfadens näher ausgeführt.

Neumann (2006a; b; c) begründet die Unmöglichkeit, bei krebserzeugender Wirkung eine eindeutige Schwelle zu finden und schlägt vor, den Begriff gänzlich zu vermeiden. Wegen der nicht vorliegenden besser kommunizierbaren Alternativen (Dieter und Konietzka, 2006) wird jedoch im vorliegenden Rahmen und mit den oben ausgeführten Einschränkungen im Verständnis der Begriff weiter geführt.

 

 


7 Es liegt eine ERB-Begründung als Entwurfsfassung vor, in der das Wirkprinzip erläutert wird. Das Dokument war bei Verabschiedung dieses Leitfadens noch nicht durch den AGS verabschiedet.

 

 

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