Beim humanbiologischen Monitoring werden Proben von Körperflüssigkeiten oder anderem leicht zugänglichem biologischem Material zur Messung der Exposition gegenüber bestimmten oder unspezifischen Stoffen und/oder deren Metaboliten oder zur Messung der biologischen Wirkungen dieser Exposition verwendet. Die biologische Überwachung ermöglicht die Abschätzung der individuellen Gesamtexposition durch verschiedene Expositionswege (Lunge, Haut, Magen-Darm-Trakt) und verschiedene Expositionsquellen (Luft, Ernährung, Lebensstil oder Beruf). Es ist auch bekannt, dass in komplexen Expositionssituationen, wie sie an Arbeitsplätzen sehr häufig anzutreffen sind, unterschiedliche Expositionsmittel miteinander interagieren können, wobei die Wirkung der einzelnen Verbindungen entweder verstärkt oder gehemmt wird. Und da sich Individuen in ihrer genetischen Konstitution unterscheiden, zeigen sie Variabilität in ihrer Reaktion auf chemische Belastungen. Daher kann es sinnvoller sein, direkt bei den exponierten Personen oder Gruppen nach frühen Wirkungen zu suchen, als zu versuchen, potenzielle Gefahren der komplexen Expositionsmuster anhand von Daten zu einzelnen Verbindungen vorherzusagen. Dies ist ein Vorteil des genetischen Biomonitorings für frühe Auswirkungen, ein Ansatz, der Techniken verwendet, die sich auf zytogenetische Schäden, Punktmutationen oder DNA-Addukte in menschlichem Ersatzgewebe konzentrieren (siehe Artikel „Allgemeine Prinzipien“ in diesem Kapitel).

Was ist Genotoxizität?

Die Genotoxizität chemischer Stoffe ist ein intrinsischer chemischer Charakter, der auf dem elektrophilen Potenzial des Stoffs basiert, an solche nukleophilen Stellen in den zellulären Makromolekülen wie Desoxyribonukleinsäure, DNA, dem Träger der Erbinformation, zu binden. Genotoxizität ist somit eine Toxizität, die sich im genetischen Material von Zellen manifestiert.

Die Definition von Genotoxizität, wie sie in einem Konsensbericht (IARC 1992) diskutiert wird, ist weit gefasst und umfasst sowohl direkte als auch indirekte Auswirkungen auf die DNA: (1) die Induktion von Mutationen (Gen, Chromosomen, Genom, Rekombination) auf molekularer Ebene Ereignissen ähneln, von denen bekannt ist, dass sie an der Karzinogenese beteiligt sind, (2) indirekten Surrogatereignissen im Zusammenhang mit Mutagenese (z. B. ungeplante DNA-Synthese (UDS) und Schwesterchromatidaustausch (SCE) oder (3) DNA-Schäden (z. B. die Bildung von Addukten). ), was schließlich zu Mutationen führen kann.

Genotoxizität, Mutagenität und Karzinogenität

Mutationen sind dauerhafte erbliche Veränderungen in den Zelllinien, entweder horizontal in den somatischen Zellen oder vertikal in den Keimzellen (Geschlechtszellen) des Körpers. Das heißt, Mutationen können durch Veränderungen in Körperzellen den Organismus selbst betreffen oder durch Veränderung der Geschlechtszellen an andere Generationen weitergegeben werden. Die Genotoxizität geht somit der Mutagenität voraus, obwohl der größte Teil der Genotoxizität repariert wird und sich nie als Mutationen ausdrückt. Somatische Mutationen werden auf zellulärer Ebene induziert und können sich, falls sie zu Zelltod oder bösartigen Erkrankungen führen, als verschiedene Erkrankungen des Gewebes oder des Organismus selbst manifestieren. Es wird angenommen, dass somatische Mutationen mit Alterungseffekten oder mit der Induktion atherosklerotischer Plaques zusammenhängen (siehe Abbildung 1 und das Kapitel über Krebs).

Abbildung 1. Schematische Darstellung des wissenschaftlichen Paradigmas in der genetischen Toxikologie und Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit

Mutationen in der Keimzelllinie können auf die Zygote – die befruchtete Eizelle – übertragen und in der Nachkommengeneration exprimiert werden (siehe auch Kapitel Geschlechtsorgane). Die wichtigsten Mutationsstörungen bei Neugeborenen werden durch Fehlsegregation von Chromosomen während der Gametogenese (der Entwicklung von Keimzellen) induziert und führen zu schweren Chromosomensyndromen (z. B. Trisomie 21 oder Down-Syndrom und Monosomie X oder Turner-Syndrom).

Das Paradigma der Genotoxikologie von der Exposition gegenüber erwarteten Wirkungen kann vereinfacht werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Die Beziehung zwischen Genotoxizität und Karzinogenität wird durch verschiedene indirekte Forschungsfakten gut unterstützt, wie in Abbildung 2 dargestellt. 

Abbildung 2. Die Wechselbeziehungen zwischen Genotoxizität und Karzinogenität    

Diese Korrelation bildet die Grundlage für die Anwendung von Biomarkern für Genotoxizität, die bei der Überwachung von Menschen als Indikatoren für das Krebsrisiko verwendet werden sollen.

Genetische Toxizität bei der Gefahrenidentifikation

Die Rolle genetischer Veränderungen bei der Karzinogenese unterstreicht die Bedeutung genetischer Toxizitätstests bei der Identifizierung potenzieller Karzinogene. Es wurden verschiedene Kurzzeittestmethoden entwickelt, die in der Lage sind, einige der mutmaßlich krebsentstehungsrelevanten Endpunkte der Genotoxizität zu erfassen.

Es wurden mehrere umfangreiche Erhebungen durchgeführt, um die Kanzerogenität von Chemikalien mit Ergebnissen zu vergleichen, die aus der Untersuchung von Chemikalien in Kurzzeittests gewonnen wurden. Die allgemeine Schlussfolgerung war, dass kein einziger validierter Test Informationen zu allen oben genannten genetischen Endpunkten liefern kann; Es ist notwendig, jede Chemikalie in mehr als einem Assay zu testen. Auch der Wert von Kurzzeittests zur genetischen Toxizität für die Vorhersage chemischer Kanzerogenität wurde wiederholt diskutiert und überprüft. Auf der Grundlage solcher Überprüfungen kam eine Arbeitsgruppe der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) zu dem Schluss, dass die meisten menschlichen Karzinogene in routinemäßig verwendeten Kurzzeittests wie z Salmonellen Assay und die Chromosomenaberrationsassays (Tabelle 1). Es muss jedoch beachtet werden, dass die epigenetischen Karzinogene – wie etwa hormonell aktive Verbindungen, die die genotoxische Aktivität erhöhen können, ohne selbst genotoxisch zu sein – nicht durch Kurzzeittests nachgewiesen werden können, die nur die intrinsische genotoxische Aktivität einer Substanz messen.

Tabelle 1. Genotoxizität von Chemikalien, bewertet in den Ergänzungen 6 und 7 der IARC-Monographien (1986)

Genetisches Biomonitoring

Die genetische Überwachung nutzt Methoden der genetischen Toxikologie zur biologischen Überwachung genetischer Wirkungen oder zur Bewertung der genotoxischen Exposition in einer Gruppe von Personen mit definierter Exposition an einem Arbeitsplatz oder durch Umwelt oder Lebensstil. Somit hat das genetische Monitoring das Potenzial zur Früherkennung genotoxischer Expositionen in einer Personengruppe und ermöglicht die Identifizierung von Hochrisikopopulationen und damit von Interventionsprioritäten. Die Verwendung prädiktiver Biomarker in einer exponierten Population ist gerechtfertigt, um Zeit zu sparen (im Vergleich zu epidemiologischen Techniken) und unnötige Endeffekte, nämlich Krebs, zu verhindern (Abbildung 3).

Abbildung 3. Die Vorhersagekraft von Biomarkern ermöglicht es, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, um Gesundheitsrisiken in der menschlichen Bevölkerung zu verringern

Die derzeit für das Biomonitoring genotoxischer Expositionen und frühen biologischen Wirkungen verwendeten Methoden sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die für das Biomonitoring verwendeten Proben müssen mehrere Kriterien erfüllen, einschließlich der Notwendigkeit, dass sie sowohl leicht erhältlich als auch mit dem Zielgewebe vergleichbar sind.

Tabelle 2. Biomarker bei der genetischen Überwachung der Genotoxizitätsexposition und die am häufigsten verwendeten Zell-/Gewebeproben.

Zu den molekular erkennbaren DNA-Schäden gehören die Bildung von DNA-Addukten und die Reorganisation der DNA-Sequenz. Derartige Schäden können durch Messungen von DNA-Addukten mit verschiedenen Techniken nachgewiesen werden, beispielsweise entweder 32P-Postlabelling oder der Nachweis von monoklonalen Antikörpern gegen DNA-Addukte. Die Messung von DNA-Strangbrüchen wird herkömmlicherweise unter Verwendung von alkalischen Elutions- oder Unwinding-Assays durchgeführt. Mutationen können durch Sequenzieren der DNA eines spezifischen Gens, beispielsweise des HPRT-Gens, nachgewiesen werden.

Es sind mehrere methodologische Berichte erschienen, die die Techniken von Tabelle 2 im Detail diskutieren (CEC 1987; IARC 1987, 1992, 1993).

Die Genotoxizität kann auch indirekt durch die Messung von Proteinaddukten, dh in Hämoglobin anstelle von DNA, oder die Überwachung der DNA-Reparaturaktivität überwacht werden. Als Messstrategie kann die Überwachungsaktivität entweder einmalig oder kontinuierlich sein. In allen Fällen müssen die Ergebnisse für die Entwicklung sicherer Arbeitsbedingungen verwendet werden.

Zytogenetisches Biomonitoring

Eine theoretische und empirische Begründung verbindet Krebs mit Chromosomenschäden. Mutationsereignisse, die die Aktivität oder Expression von Wachstumsfaktorgenen verändern, sind Schlüsselschritte in der Karzinogenese. Viele Arten von Krebs wurden mit spezifischen oder unspezifischen Chromosomenaberrationen in Verbindung gebracht. Bei mehreren erblichen Erkrankungen des Menschen ist die Chromosomeninstabilität mit einer erhöhten Anfälligkeit für Krebs verbunden.

Die zytogenetische Überwachung von Personen, die krebserzeugenden und/oder erbgutverändernden Chemikalien oder Strahlung ausgesetzt sind, kann Auswirkungen auf das Erbgut der betroffenen Personen ans Licht bringen. Chromosomenaberrationsstudien an Personen, die ionisierender Strahlung ausgesetzt waren, werden seit Jahrzehnten für die biologische Dosimetrie verwendet, aber gut dokumentierte positive Ergebnisse liegen bisher nur für eine begrenzte Anzahl chemischer Karzinogene vor.

Mikroskopisch erkennbare Chromosomenschäden umfassen sowohl strukturelle Chromosomenaberrationen (CA), bei denen eine grobe Veränderung der Morphologie (Form) eines Chromosoms aufgetreten ist, als auch durch Schwesterchromatid-Austausch (SCE). SCE ist der symmetrische Austausch von Chromosomenmaterial zwischen zwei Schwesterchromatiden. Mikronuklei (MN) können entweder aus azentrischen Chromosomenfragmenten oder aus nacheilenden ganzen Chromosomen entstehen. Diese Arten von Änderungen sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Menschliche Lymphozytenchromosomen in der Metaphase, die eine induzierte Chromosomenmutation zeigen (Pfeil zeigt auf ein azentrisches Fragment)

Periphere Blutlymphozyten beim Menschen sind geeignete Zellen zur Verwendung in Überwachungsstudien, da sie leicht zugänglich sind und die Exposition über eine relativ lange Lebensdauer integrieren können. Die Exposition gegenüber einer Vielzahl von chemischen Mutagenen kann zu einer erhöhten Häufigkeit von CAs und/oder SCEs in Blutlymphozyten von exponierten Personen führen. Auch das Schadensausmaß korreliert grob mit der Exposition, obwohl dies nur bei wenigen Chemikalien nachgewiesen werden konnte.

Wenn zytogenetische Tests an peripheren Blutlymphozyten zeigen, dass das genetische Material beschädigt wurde, können die Ergebnisse zur Risikoabschätzung nur auf Bevölkerungsebene verwendet werden. Eine erhöhte Häufigkeit von CAs in einer Population sollte als Hinweis auf ein erhöhtes Krebsrisiko angesehen werden, aber zytogenetische Tests erlauben als solche keine individuelle Risikovorhersage von Krebs.

Die gesundheitliche Bedeutung somatischer genetischer Schäden, wie sie durch das schmale Fenster einer Probe peripherer Blutlymphozyten gesehen wird, hat wenig oder keine Bedeutung für die Gesundheit eines Individuums, da die meisten Lymphozyten, die genetische Schäden tragen, absterben und ersetzt werden.

Probleme und ihre Beherrschung in Human-Biomonitoring-Studien

Ein strenges Studiendesign ist bei der Anwendung jeder Human-Biomonitoring-Methode erforderlich, da viele interindividuelle Faktoren, die nicht mit der/den interessierenden spezifischen chemischen Exposition(en) zusammenhängen, die untersuchten biologischen Reaktionen beeinflussen können. Da Human-Biomonitoring-Studien in vielerlei Hinsicht langwierig und schwierig sind, ist eine sorgfältige Vorplanung sehr wichtig. Bei der Durchführung zytogenetischer Studien am Menschen sollte die experimentelle Bestätigung des chromosomenschädigenden Potenzials des/der Expositionsmittel(s) immer eine experimentelle Voraussetzung sein.

In zytogenetischen Biomonitoring-Studien wurden zwei Haupttypen von Variationen dokumentiert. Die erste umfasst technische Faktoren im Zusammenhang mit Diskrepanzen beim Ablesen der Objektträger und mit Kulturbedingungen, insbesondere mit der Art des Mediums, der Temperatur und der Konzentration von Chemikalien (wie Bromdesoxyuridin oder Cytochalasin-B). Außerdem können die Probenahmezeiten die Ausbeute an Chromosomenaberrationen und möglicherweise auch die Ergebnisse der SCE-Inzidenz durch Veränderungen in Subpopulationen von T- und B-Lymphozyten verändern. Bei Mikronukleus-Analysen beeinflussen methodische Unterschiede (z. B. Verwendung von Cytochalasin-B-induzierten zweikernigen Zellen) ganz deutlich die Bewertungsergebnisse.

Die durch chemische Exposition in der DNA von Lymphozyten induzierten Läsionen, die zur Bildung von strukturellen Chromosomenaberrationen, Schwesterchromatidaustausch und Mikrokernen führen, müssen bestehen bleiben in vivo bis das Blut abgenommen wird und dann in vitro bis der kultivierte Lymphozyt mit der DNA-Synthese beginnt. Daher ist es wichtig, die Zellen direkt nach der ersten Teilung (im Fall von Chromosomenaberrationen oder Mikronuklei) oder nach der zweiten Teilung (Schwesterchromatidaustausch) zu punkten, um die beste Schätzung des induzierten Schadens zu erhalten.

Das Scoring ist ein äußerst wichtiges Element im zytogenetischen Biomonitoring. Die Objektträger müssen randomisiert und kodiert werden, um so weit wie möglich eine Voreingenommenheit des Scorers zu vermeiden. Konsistente Bewertungskriterien, Qualitätskontrolle und standardisierte statistische Analysen und Berichterstattung sollten beibehalten werden. Die zweite Kategorie der Variabilität ist auf Bedingungen zurückzuführen, die mit den Probanden verbunden sind, wie Alter, Geschlecht, Medikation und Infektionen. Individuelle Variationen können auch durch genetische Anfälligkeit für Umwelteinflüsse verursacht werden.

Es ist entscheidend, eine gleichzeitige Kontrollgruppe zu erhalten, die so genau wie möglich auf interne Faktoren wie Geschlecht und Alter sowie auf Faktoren wie Raucherstatus, Virusinfektionen und Impfungen, Alkohol- und Drogenkonsum und Exposition gegenüber Röntgenstrahlen abgestimmt ist . Darüber hinaus ist es notwendig, qualitative (Berufskategorie, Expositionsjahre) und quantitative (z. B. Atemzonenluftproben für chemische Analysen und spezifische Metaboliten, falls möglich) Schätzungen der Exposition gegenüber dem/den mutmaßlich genotoxischen Stoff(en) am Arbeitsplatz zu erhalten. Besonderes Augenmerk sollte auf eine ordnungsgemäße statistische Behandlung der Ergebnisse gelegt werden.

Relevanz des genetischen Biomonitorings für die Krebsrisikobewertung

Die Zahl der Mittel, von denen wiederholt gezeigt wurde, dass sie zytogenetische Veränderungen beim Menschen hervorrufen, ist noch immer relativ begrenzt, aber die meisten bekannten Karzinogene verursachen Schäden in Lymphozytenchromosomen.

Das Ausmaß des Schadens ist eine Funktion der Expositionshöhe, wie dies beispielsweise bei Vinylchlorid, Benzol, Ethylenoxid und alkylierenden Antikrebsmitteln gezeigt wurde. Auch wenn die zytogenetischen Endpunkte im Hinblick auf den Nachweis von Expositionen, die in heutigen beruflichen Situationen auftreten, nicht sehr empfindlich oder spezifisch sind, haben positive Ergebnisse solcher Tests oft dazu geführt, dass Hygienekontrollen durchgeführt wurden, selbst wenn kein direkter Hinweis auf somatische Chromosomenschäden vorliegt nachteilige gesundheitliche Folgen.

Die meisten Erfahrungen mit der Anwendung des zytogenetischen Biomonitorings stammen aus beruflichen Situationen mit „hoher Exposition“. Sehr wenige Expositionen wurden durch mehrere unabhängige Studien bestätigt, und die meisten davon wurden unter Verwendung von Chromosomenaberrations-Biomonitoring durchgeführt. Die Datenbank der International Agency for Research on Cancer listet in ihren aktualisierten Bänden 43–50 der IARC-Monographien insgesamt 14 berufsbedingte Karzinogene in den Gruppen 1, 2A oder 2B auf, für die in den meisten Fällen positive humanzytogenetische Daten vorliegen unterstützt durch entsprechende Tierzytogenetik (Tabelle 3). Diese begrenzte Datenbasis deutet darauf hin, dass karzinogene Chemikalien tendenziell klastogen sind und dass klastogene Wirkung tendenziell mit bekannten menschlichen Karzinogenen in Verbindung gebracht wird. Es ist jedoch ganz klar, dass nicht alle Karzinogene bei Menschen oder Versuchstieren zytogenetische Schäden hervorrufen in vivo. Fälle, in denen die Tierdaten positiv und die Humanbefunde negativ sind, können Unterschiede in der Expositionshöhe darstellen. Auch die komplexen und langfristigen Expositionen des Menschen bei der Arbeit sind möglicherweise nicht mit kurzfristigen Tierversuchen vergleichbar.

Tabelle 3. Bewiesene, wahrscheinliche und mögliche Karzinogene beim Menschen, für die eine berufliche Exposition besteht und für die zytogenetische Endpunkte sowohl bei Menschen als auch bei Versuchstieren gemessen wurden

¹ CA, Chromosomenaberration; SCE, Schwesterchromatid-Austausch; MN, Mikronuklei.
(–) = negativer Zusammenhang für eine Studie; – = negative Beziehung;
(+) = positive Beziehung für eine Studie; + = positive Beziehung;
? = nicht schlüssig; leerer Bereich = nicht untersucht

Quelle: IARC, 1987; aktualisiert durch die Bände 43–50 der IARC-Monographien.

Studien zur Genotoxizität bei exponierten Menschen umfassen verschiedene andere Endpunkte als chromosomale Endpunkte, wie z. B. DNA-Schäden, DNA-Reparaturaktivität und Addukte in DNA und Proteinen. Einige dieser Endpunkte können für die Vorhersage einer karzinogenen Gefahr relevanter sein als andere. Stabile genetische Veränderungen (z. B. chromosomale Umlagerungen, Deletionen und Punktmutationen) sind von hoher Relevanz, da bekannt ist, dass diese Arten von Schäden mit der Karzinogenese zusammenhängen. Die Bedeutung von DNA-Addukten hängt von ihrer chemischen Identifizierung und dem Nachweis ab, dass sie aus der Exposition resultieren. Einige Endpunkte, wie SCE, UDS, SSB, DNA-Strangbruch, sind potenzielle Indikatoren und/oder Marker für genetische Ereignisse; ihr Wert wird jedoch in Ermangelung eines mechanistischen Verständnisses ihrer Fähigkeit, zu genetischen Ereignissen zu führen, reduziert. Der relevanteste genetische Marker beim Menschen wäre eindeutig die Induktion einer spezifischen Mutation, die direkt mit Krebs bei Nagetieren in Verbindung gebracht wurde, die dem untersuchten Mittel ausgesetzt waren (Abbildung 5).

Abbildung 5. Relevanz verschiedener genetischer Biomonitoring-Effekte für das potenzielle Krebsrisiko

Ethische Überlegungen zum genetischen Biomonitoring

Schnelle Fortschritte bei molekulargenetischen Techniken, die beschleunigte Sequenzierung des menschlichen Genoms und die Identifizierung der Rolle von Tumorsuppressorgenen und Proto-Onkogenen bei der menschlichen Karzinogenese werfen ethische Fragen bei der Interpretation, Kommunikation und Verwendung dieser Art von Genen auf persönliche Informationen. Sich schnell verbessernde Techniken zur Analyse menschlicher Gene werden bald die Identifizierung von noch mehr vererbten Anfälligkeitsgenen in gesunden, asymptomatischen Personen ermöglichen (US Office of Technology Assessment 1990), die sich zur Verwendung beim genetischen Screening eignen.

Viele Fragen von sozialem und ethischem Interesse werden aufgeworfen, wenn die Anwendung des genetischen Screenings bald Realität wird. Bereits heute werden etwa 50 genetische Merkmale des Stoffwechsels, der Enzympolymorphismen und der DNA-Reparatur für spezifische Krankheitsempfindlichkeiten vermutet, und für etwa 300 genetische Krankheiten steht ein diagnostischer DNA-Test zur Verfügung. Soll überhaupt ein genetisches Screening am Arbeitsplatz durchgeführt werden? Wer entscheidet, wer getestet wird, und wie werden die Informationen bei Einstellungsentscheidungen verwendet? Wer hat Zugang zu den Informationen aus dem genetischen Screening und wie werden die Ergebnisse den betroffenen Personen mitgeteilt? Viele dieser Fragen sind stark mit gesellschaftlichen Normen und vorherrschenden ethischen Werten verknüpft. Das Hauptziel muss die Verhütung von Krankheiten und menschlichem Leid sein, aber der eigene Wille und die ethischen Prämissen des Einzelnen müssen respektiert werden. Einige der relevanten ethischen Fragen, die rechtzeitig vor Beginn jeder Arbeitsplatz-Biomonitoring-Studie beantwortet werden müssen, sind in Tabelle 4 aufgeführt und werden auch im Kapitel diskutiert Ethische Fragen.

Tabelle 4. Einige ethische Grundsätze in Bezug auf die Notwendigkeit des Wissens in berufsgenetischen Biomonitoring-Studien

In die Planungsphase jeder genetischen Biomonitoring-Studie müssen Zeit und Mühe investiert werden, und alle erforderlichen Parteien – die Arbeitnehmer, Arbeitgeber und das medizinische Personal des kooperierenden Arbeitsplatzes – müssen vor der Studie gut informiert und die Ergebnisse bekannt gegeben werden sie auch nach dem Studium. Bei richtiger Sorgfalt und zuverlässigen Ergebnissen kann genetisches Biomonitoring dazu beitragen, sicherere Arbeitsplätze zu gewährleisten und die Gesundheit der Arbeitnehmer zu verbessern.

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