Biologisches Monitoring anhand von Leitkomponenten nach standardisierten Expositionen gegenüber einem aromatischen Kohlenwasserstoffgemisch

Abstract

Im Rahmen humanexperimenteller Expositionen gegenüber einem handelsüblichen aromatenreichen Kohlenwasserstoffgemisch erfolgten toxikokinetische Untersuchungen zur zeit- und belastungsabhängigen Erfassung der inneren Schadstoffbelastung durch ein Biomonitoring auf der Basis von Leitkomponenten im Vollblut und im Spontanurin. Ergänzend wurde ein Air Monitoring während der Kammerexpositionen zur Kontrolle der Konstanz einwirkender Schadstoffkonzentrationen durchgeführt. Die Auswahl spezifischer Leitkomponenten erfolgte anhand von Produktanalysen. Hier wiesen die Gehalte des Trimethylbenzols mit einem Massenanteil von 44 48 % sowie der Gehalt an dessen isomerem 1,2,4-Trimethylbenzol mit einem Massenanteil von 29 32 % äußerst geringe Schwankungen auf, was sie als repräsentative Marker im Sinne von Leitkomponenten erscheinen lässt. Der gesamte C9-Alkylbenzol-Volumengehalt betrug in den analysierten Produkten 70 - 96 %. Mit einem der Kohlenwasserstoffgemische erfolgten in einer Expositionskammer achtstündige humanexperimentelle Expositionen in Höhe von etwa 200 mg/m³, die bei jedem der 20 teilnehmenden Probanden jeweils an drei verschiedenen Tagen in Ruhe und bei unterschiedlichen körperlichen Belastungsstufen von 50 W (leichtgradige Belastung) und 75 W (mittelgradige Belastung) intermittierender fahrrad-ergometrischer Belastung von 10 Minuten pro Stunde - stattfanden. Die beiden pro Tag durchgeführten vierstündigen Expositionsabschnitte wurden von einer Pause von 45 Minuten unterbrochen, in der sich die Probanden außerhalb der Kammer aufhielten. Die Probanden spendeten zu acht definierten Zeitpunkten Blut präexpositionell sowie nach 4; 4,75; 8,75; 9; 9,25; 9.5 und 9.75 h und zu drei Zeitpunkten Spontanurin präexpositionell sowie nach 4 und 8,75 h. Für Probenahmezeitpunkte von Blut innerhalb der ersten Stunde post expositionem wie für Spontanurin unmittelbar postexpositionell konnte so ausgiebiges Datenmaterial zur Aufstellung von Referenz- bzw. BAT-Werten gewonnen werden. Als Expositionsmarker in der Luft wie im Blut bieten sich die Konzentrationsbestimmungen der oben genannten Parameter an. Im Vollblut betrugen die mittleren Konzentrationen der Trimethylbenzole unmittelbar postexpositionell unter Ruhebedingungen 214 ± 37 µg/L, unter 50 bzw. 75 W körperlicher Belastung 339 ± 66 bzw. 443 ± 86 µg/L. Im Spontanurin eignen sich als Leitkomponenten die Dimethylbenzoesäuren (DMBA) als Metabolite der Trimethylbenzole. Ferner bieten sich hier erweiterte Summenwerte mit Einbeziehung von Ethyltoluolmetaboliten wie der Methylmandelsäuren und der 4-Ethylbenzoesäure an, obwohl diese erstmalig nachgewiesenen Biotransformations-produkte nur in geringen Konzentrationen auftraten. Die mittleren Konzentrationen der DMBA betrugen nach Expositionen unter Ruhebedingungen 194 ± 54 mg/g Kreatinin, unter 50 bzw. 75 W körperlicher Belastung 248 ± 49 bzw. 268 ± 54 mg/g Kreatinin. Es lassen sich Veränderungen der Verhältnisse bestimmter Isomere der Dimethylbenzoesäure zueinander unter ansteigender Belastung erkennen. Nach 4 h war die 3,4-DMBA quantitativ bedeutendster DMBA-Metabolit und nach 8,75 h die 2,4-DMBA. Deutlich geringer als bisher beschrieben waren die relativen DMBA-Anteile der 1,3,5- und 1,2,3-TMB-Isomere. Insgesamt bieten sich ein Air Monitoring und insbesondere ein Biologisches Monitoring in den Medien Vollblut und Spontanurin anhand von Leitkomponenten als Verfahren zur Evaluation von Expostionen gegenüber komplexen aromatischen Kohlenwasserstoffgemischen mit überwiegenden C9-Alkylbenzolanteilen an. Statistisch signifikante Unterschiede der Einflussfaktoren Expositionsdauer und körperlicher Belastungsgrad auf die Blut- wie Kreatinin-korrigierten Spontanurinkonzentrationen verschiedener Leitkomponenten in der zweifaktoriellen Varianzanalyse und in nachfolgenden multiplen paarweisen Mittelwertsvergleichen dokumentieren die Notwendigkeit der Einführung eines Biologischen Monitorings in die arbeitsmedizinische Praxis. Zudem tritt ein von den Einzeleinflüssen beider o. g. Faktoren zusätzlicher statistisch signifikanter Effekt auf, der durch die Interaktion beider Faktoren auf die Konzentrationen der Messparameter bedingt ist. Mithilfe Biologischen Monitorings anhand von Leitkomponenten können die die innere Belastung deutlich modifizierenden Einflussfaktoren Expositionsdauer und körperliche Belastung einbezogen werden, die letztendlich auch das humantoxische Potenzial dieser Gemische verstärken können und bei einem alleinigen Air Monitoring, wie bisher praktiziert, allenfalls unzureichend erfasst werden würden. The present experimental study of biological monitoring on the basis of leading compounds was carried out to determine the human body burden after chamber exposures to a complex aromatic-rich hydrocarbon mixture (CARHCM) in dependance on the possible influencing factors Physical Activity and Duration of Exposure. Ambient air monitoring took place to guarantee constant air concentrations of the CARHCM in the exposure chamber. In order to select specific leading compounds we initially analysed some commercially available CARHCM of the subclass light aromatic solvent naphtha. Analysed media covered aromatic solvents, ambient air of the exposure chamber and particularly the biological materials blood and urine. In the analysis of commercially available products, especially trimethylbenzene with a mass fraction of 44 48 % and its isomer 1,2,4-trimethylbenzene with a mass fraction of 29 32 % showed the least variability of all contained compounds and extracted sum values. Insofar they may offer themselves as possible representative markers. The percent by volume of the entire C9-alkylbenzene fraction varied from 70 to 96 % among all analysed products. One of the analysed CARHCM was exposed to 20 human volunteers at 200 mg/m³ in an exposure chamber at three different levels of physical activity after informed consent and permission of the local ethic commission.The chamber exposures consisted of two 4-hour-lasting exposure intervals, which were interrupted for a 45-minute break outside the chamber. 20 of these exposures were carried out at each level of physical activity. The different levels of physical activity comprised one at rest and two at intermittent 10-minute physical exercises of 50 and 75 W per hour on a bicycle ergometer, respectively. Blood samples were taken at eight and urine samples at three selected points of time up to one hour after termination of exposure. Extensive data was collected for the implementation of biological action values and reference values with sampling within one hour after termination of exposure. As markers in the ambient air and in the blood the concentrations of trimethylbenzene or its isomer 1,2,4-trimethylbenzene might be utilised. The average concentration of trimethylbenzene in blood directly after termination of exposure was at rest 214 ± 37 µg/L and at 50 and 75 W of intermittent physical exercise 339 ± 66 and 443 ± 86 µg/L, respectively. In urine, the sum value of dimethylbenzoic acids (dmba) as metabolites of trimethylbenzenes could be applied as a leading compound. Furthermore, extended sum values with inclusion of ethyltoluene metabolites like the 4-ethylbenzoic acid and the isomeric methylmandelic acids are possible although these not previously detected metabolites occurred only in small amounts. The average concentration of dmba after exposure yielded at rest 194 ± 54 mg/g creatinine and after exposure at intermittent physical exercises of 50 and 75 W on a bicycle ergometer 248 ± 49 and 268 ± 54 mg/g creatinine, respectively. Alterations in the relation of certain isomeric dmba with increasing physical activity could be seen. After 4 hours of exposure 3,4-dmba was the major dmba-metabolite whereas after 2 x 4 hours of exposure 2,4-dmba was the major dmba. Remarkable marginal amounts accounted for the isomeric dmba-metabolites of 1,2,3- and 1,3,5-trimethylbenzene, which was inconsistent with previously published data. Overall, ambient air monitoring and in particular biological monitoring of blood and urine based on leading compounds are reasonable methods for the evaluation after exposure to CARHCM. Statistically significant differences of the influencing factors Duration of Exposure and Physical Activity on concentrations of various leading compounds in blood and urine in the analysis of variance and subsequent multiple pairwise comparisons of mean values documented the necessity of implementing biological monitoring in occupational medicine for the evaluation of such exposures. Additionally, an effect occurred by interaction of both factors which is independent from their individual influences. It indicates a more complex consideration of exposures to CARHCM by biological monitoring. Biological monitoring based on leading compounds renders possible the use of the body burden modifying factors Physical Activity and Duration of Exposure. These factors may amplify the toxic potential in humans and are presently, at best, insufficiently monitored by ambient air monitoring as currently practised.