~ ~ O S ~ 14. Metabolism of Xenobiotics

modification of functional groups prior to conjugation, examples are known where conjugation leads to reactive products [4, 5]. Compounds activated by such mechanisms will not be detected or will only be detected with a very low sensitivity, if metabolism is performed under standard conditions, i.e., not supplemented with the necessary cofactor. Furthermore, with compounds which are activated by the commonly used metabolizing systems, it is difficult to distinguish between those for which the reactive metabolites are efficiently inactivated or their precursors seques- tered, and those compounds in which this is not the case. Unfavourable conditions for conjugation may increase the sensitivity of the test towards the majority of compounds and decrease the sensitivity towards those which are activated by conjugation; at the same time quantitative correlation of the test with effects in whole animal may be severely distorted. Thus, in vitro test systems which depend on activation of compounds by post-mitochondrial or microsomal fractions of liver homo- genates have two important limitations to be considered for the rational interpretation of results obtained with such test: (1) differences in enzyme patterns between animal species and organs from which the tissue preparation is derived and (2) groups of enzymes which are little operative or fully inoperative because of dilution or removal of the required cofactors [6].

Diverse mammalian enzymes are involved in the metabolism of various structural elements, which leads to complexity. Especially the important group of enzymes responsible for the control of reactive epoxides has been well studied [1, 3, 7, 8]. Many natural as well as man-made foreign compounds possess olefinic or aromatic double bonds. Such compounds can be transformed to epoxides by microsomal monooxygenases. By virtue of their electrophilic reactivity such epoxides may spon- taneously react with nucleopbilic centres in the cell and thus covalently bind to deoxyribonucleic acid, ribonucleic acid and protein. Such alterations of critical cellular macromolecules may disturb the normal biochemistry of the cell and lead to cytotoxic, allergenic, mutagenic and/or carcinogenic effects. Whether such effects will be manifested depends on the chemical reactivity as well as other properties (geometry, lipophilicity of the epoxide in question) on the one hand, and enzymes controlling the concen-

tration of such epoxides on the other. Several microsomal monooxygenases exist which differ in activity and substrate specificity. With respect to large substrates, some monooxy- genases preferentially attack at one specific site different from that attacked by others. Some of these pathways lead to reactive products; others are detoxification pathways. Moreover, en- zymes metabolizing such epoxides, including epoxide hydrolases and glutathione S-transferases, represent a further determining factor. In some cases they act as co-activating enzymes, whilst usually they play an inactivating role.

These enzymes involved in biosynthesis and further metab- olism of reactive metabolites represent one important contribut- ing factor to differences in susceptibilities, since they differ in quantity and sometimes also in substrate specificity between organs, developmental stages, sexes and animal species. Knowledge of these variables in both situations is therefore required for a rational extrapolation from toxicity data obtained in a short-term test system to a situation of interest.

References

1. Oesch F (1979) Arch Toxicol Suppl 2:215 2. Ames BN, McCann J, Yamasaki E (1976) Mutat Res 31:237 3. Oesch F, Glatt HR (1976) Screening tests in chemical

carcinogenesis. International Agency for Research on Can- cer, Lyon, p 255

4. Rannug U, Sundvall A, Ramel C (1978) Chem Biol Interact 20:1

5. Weisburger JH, Yamamoto RS, Williams GH, Granthan PH, Matsushima T (1972) Cancer Res 32:491

6. Glatt HR, Billings R, Platt KL, Oesch F (1981) Cancer Res 41 : 270

7. Ullrich V, Weber P, Wollenberg P (1975) Biochem Biophys Res 64:808

8. Wood AW, Levin W, Lu AYH, Yagi H, Hernandez O, Jerina DM, Conney AH (1976) J Biol Chem 251:4882

Fresenius Z Anal Chem (1984) 317 : 643 - 644 �9 Springer-Verlag 1984

Einflull der Theorie auf die Praxis bei der Beurteilung von Chemikalien im Zusammenhang yon Magnahmen zum gesundheitlichen Verbraucherschutz

A. G. Hildebrandt, K. E. Appel und A. Basler

Bundesgesundheitsamt, Thielallee 88/92, D-1000 Berlin 33

Influence of Theory on Practice in the Assessment of Chemicals in Connection with Sanitary Consumer Protection

Die Berficksichtigung theoretischer kinetischer und biochemi- scher Oberlegungen bei der Bewertung toxischer Eigenschaften und deren Fortschreibung in der Praxis gesetzlich vorgeschriebe- ner Prfifverfahren zur Sicherheit yon Chemikalien sollte selbst- verstfindlich sein.

BekanntermaBen h~ngen die toxischen Wirkungen eines Stoffes nicht nur yon dessen ,toxikodynamischen' Eigenschaften ab, sondern auch - und zwar in hohem Mage - yon seiner

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Applikationsform sowie m6glichen Hilfs- oder Zusatzstoffen, der Art und dem Ort der Applikation, der Resorbierbarkeit und der Resorptionsgeschwindigkeit, der Verteilung im Organismus, der Bindung und Lokalisation im Gewebe, der Biotransforma- tion und der Ausscheidbarkeit bzw. Ausscheidungsgeschwindig- keit, also yon toxikokinetischen Parametern.

Kenntnisse fiber diese Vorgfinge spielen deshalb eine erheb- liche Rolle bei der Beurteilung toxischer Stoffwirkungen. Bei- spiele besonders wichtiger Fragestellungen sind u. a.,ob der Stoff zur Akkumulation im Organismus f'~ihig ist, wie hoch seine Resorptionsquote ist oder ob eine covalente Bindung an cellul/ire Makromolekiile m6glich ist. Naturgemfig sind bier auch die diesen Vorgfingen zugrundeliegenden molekularen Reaktionen und Mechanismen in Betracht zu ziehen. Biochemische Para- meter, wie z.B. induzierende oder inhibierende Effekte auf metabolisierende Enzym-Systeme oder die Depletion von endo- genem Glutathion, sind deshalb wichtige Indikatoren im Stoff- wechselgeschehen.

Toxikokinetische Studien k6nnen somit die Grundlage liefern zur Evaluierung toxikologischer Daten, wie z.B. zur Dosisfindung in subchronischen, chronischen oder Carcinogeni- t~itsstudien. Sic k6nnen aber auch wertvolle Hinweise zur Interpretation der den toxischen Wirkungen zugrundeliegenden Mechanismen beinhalten, deren Kenntnisse eine wesentliche

14. Stoffwechsel von Xenobiotica

Voraussetzung ffir pr/iventive Mal3nahmen bzw. beh6rdliche Sicherheitsentscheidungen darstellen.

Der Umfang und die Vielfalt toxikokinetischer Untersu- chungen 1/igt jedoch eine starre Fixierung yon Prfifungen und Prfifmethoden in einer Prfifrichtlinie nicht zu, so dab auch grundlegende Untersuchungsmethoden, z.B. fiber Resorption, Verteilung, metabolische Umsetzung und Exkretion ffir den Gesetzesvollzug nut skizziert, aber nicht fixiert werden. Der Regulative steht somit ein relativ breiter Raum an Forderungs- m6glichkeiten often.

Konkrete Beispiele toxikokinetischer Untersuchungen, die ffir die gesundheitliche Beurteilung einzelner Stoffe Bedeutung haben, sollen demonstriert werden. Auf die untrennbare Verbin- dung von Toxikokinetik und Metabolismus wird daher hinge- wiesen.

Eine Sonderstellung innerhalb der Toxikologie nimmt die Prfifung von Chemikalien (einschl. Arzneimittel) auf Mutageni- t/it und Carcinogenit/it ein. Die Besonderheiten sind darin begrfindet, dab

1. ihr biologischer Effekt persistiert und erst mit einer zeitlichen Verz6gerung exprimiert wird (im Fall einer erbgut- verfindernden Wirkung erst in den kommenden Generationen),

2. eine enge Korrelation zwischen der mutagenen und cancerogenen Eigenschaft eines Stoffes besteht und

3. die unterschiedlichsten Mechanismen an der Expression beteiligt sind.

Um die potentielle mutagene und/oder cancerogene Wirk- samkeit einer Substanz zu prfifen und die ihr zugrundeliegenden Mechanismen abzukl/iren, sind zun/ichst unterschiedliche in- vitro-Tests durchzuffihren, in denen die Auswirkung auf ver- schiedene Endpunkte geprfift wird. Von verschiedenen Autoren wurde ein stufenweises Vorgehen beschrieben (decision point approach), das grundsfitzlich auf folgenden Uberlegungen ba- siert:

In einer ersten Stufe wird die genotoxische Wirkung (gleich- zeitig ein Screening auf cancerogene Eigenschaften) in einer Batterie von in-vitro-Tests geprfift (z.B. Untersuchungen an Salmonella typhimurium, E. coli, UDS-Test, Chromosomen- aberrationen). Die Auswahl der Tests wird u.a. vonder Struktur der Prfifsubstanz abh/ingen. Bei positivem Befund sind weiter- gehende Mutagenit/itstests zur Verifizierung heranzuziehen. Ihre Auswahl wird nun vom Mutationstyp abh/ingen, der vonder Substanz induziert wird und in den vorangegangenen Untersu- chungen nachweisbar war. Aufgrund der Korrelation zwischen Mutagenit/it und Cancerogenit/it sind bei positiven Befunden in Mutagenit~itstests des weiteren Kurzzeit-Cancerogenit/itstests in Betracht zu ziehen, z.B. der Nachweis von Papillomen in der Haut, Adenomen in der Lunge, enzymdefekten Inseln in der Leber oder der Transformation yon S/iugetierzellen in Kultur. Im Gegensatz zu den in-vitro-Mutagenit/itstests wird hier nicht eine Batterie von Tests einzusetzen sein. Die selektive Auswahl wird abh/ingig zu machen sein von den bekannten pharmakologi- schen, toxikologischen und toxikonetischen Eigenschaften der Substanz. Die so ermittelten Daten bilden die Grundlage ffir die im Tierexperiment auftretenden Befunde, erleichtern die Extra- polation der Befunde vom S~iugetier auf den Menschen und tragen erheblich zur Risikoabsch/itzung bei.

Die Berficksichtigung von Substanzen, die eventuell fiber epigenetische Mechanismen zu Tumorentstehung und -wachs- turn beitragen, ist yon besonderer toxikologischer Relevanz und hohem wissenschaftlichen Interesse. Die Offenheit der Beh6rde gegenfiber Verfahren, die zur notwendigen Beurteilung hierffir etabliert werden mfissen, aber auch die Beharrlichkeit in der Forderung nach gesicherten Erkenntnissen, werden hier beson- ders deutlich.

Fresenius Z Anal Chem (1984) 317 : 6 4 4 - 645 �9 Springer-Verlag 1984

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