Hoofdstuk 1: Toxicologische basisprincipes
Toxicologie is de leer van vergiftigen, chemische stoffen die via het water, voedsel of
drinkwater de mens kunnen bereiken kunnen toxisch zijn afhankelijk van de dosis. Dit kan
de fysiologie van het lichaam bedreigen van nadelige effecten op het metabolisme tot de
dood.
Geschiedenis
Toxicologie is ontwikkelt uit kennis door mensen opgedaan uit gebruik van giftige stoffen van
planten en dieren voor jacht, oorlogsvoering of het berechten van misdadigers. De Ebers
Papyrus stamt uit 1550 B.C. en spreekt over de gevlekte scheerling (staatsgif), opium (als gif
en antidotum), aconitine (pijlgif) en metalen.
Giftigheid van stoffen (acute toxiciteit)
De dosis-effect-relatie die hedendaags wordt gebruikt om de giftigheid
van een stof te bepalen is ontwikkelt door Paracelsus. Zelfs water kan in
een te hoge dosis (>10L) levensbedreigend zijn. De mediane letale
dosis (LD50) is de mate waarin de hoeveelheid stof de helft van een
groep proefdieren laat overlijden na eenmalige toediening via de mond,
uitgedrukt per kg lichaamsgewicht. In de tabel worden een aantal
waardes van bekende stoffen weergegeven, dit zijn opvallend genoeg
vooral verbindingen van natuurlijke oorsprong.
Als het zo is dat het proefdier getal onveranderd geëxtrapoleerd kan worden naar de mens,
kunnen uit de tabel op basis van lichaamsgewicht ook de LD50 waardes voor de mens
worden gehaald.
Acute en chronische toxiciteit
In de tabel wordt slechts de acute toxiciteit weergegeven; de toxiciteit na inname van
eenmalige dosis. Dit kan relevant zijn voor eenmalige vergiftiging met medicatie of
ongelukken. We spreken echter van chronische toxiciteit bij langdurige, herhaalde of
continue blootstelling aan relatief lage hoeveelheden van de stof. Dit kan dan weer relevant
zijn voor voeding of milieu stoffen.
Giftigheid van stoffen (chronische toxiciteit)
Om chronische toxiciteit te bekijken worden sub-lethale effecten zoals gedragsverandering,
groeivermindering, verlies van reproductiecapaciteit, en storingen in het immuunsysteem
bekeken. Het gaat meestal om stoffen die langzaam in het lichaam accumuleren en pas
schade veroorzaken als de concentratie in een bepaald orgaan een kritische waarde heeft
bereikt. Bij alcohol is er sprake van accumulatie van het effect, bij
een dagelijkse inname van 100 milliliter zullen levercellen
afsterven. Het lichaam kan wel nieuwe cellen aanmaken, maar bij
voortdurende blootstelling kan levercirrose ontstaan (bindweefsel).
Xenobiotica en van nature voorkomende stoffen
Giftige stoffen die de gezondheid van de mens kunnen bedreigen
worden onderverdeeld in xenobiotica en van nature
voorkomende stoffen. Xenobiotica zijn ‘vreemd van het leven’,
door de mens gesynthetiseerd en niet in de natuur gemaakt. Het
,menselijk lichaam heeft geen specifieke mechanismen tegen deze stoffen, maar vaak wordt
gebruik gemaakt van mechanismen die eigenlijk voor lichaamseigen stoffen zijn om de
stoffen te metaboliseren. De van nature voorkomende stoffen zijn op te delen in; stoffen die
niet nodig zijn voor het metabolisme van de mens en stoffen die wel nodig zijn voor het
metabolisme van de mens. De stoffen die wel nodig zijn (vitamines vb), kunnen giftig zijn bij
hoge doseringen, maar veroorzaken deficiëntie bij lage doseringen.
Risicobeoordeling
Toxicologische gegevens worden toegepast bij risicobeoordeling van stoffen. Dit wordt
gebruikt voor wet- en regelgeving rondom bepaalde stoffen aan de hand van de volgende
vragen:
1. Heeft de stof een intrinsieke gevaarlijkheid (hazard assessment)?
2. Wat is de dosis waarbij nadelige effecten op de gezondheid ontstaan (effect
assessment)?
3. Wat is de dosis waaraan mensen blootgesteld kunnen worden (exposure
assessment)?
4. Is er een redelijke marge tussen blootstelling en effect (risk evaluation)?
5. Welke maatregelen kunnen genomen worden om de marge zo groot mogelijk te
maken of te houden (risk management)?
Stap 1: De gevaarlijkheid wordt beoordeeld aan de hand van fysisch chemisch gedrag of
gelijkenis met andere stoffen. Er wordt ook meegenomen of het in een minuscule
hoeveelheid afgesloten wordt geproduceerd of in tonnen. Volgens de Europese regelgeving
voor chemische stoffen (REACH = Registration, Evaluation and Authorisation (and
restriction) of Chemicals) is de chemische industrie verplicht om nieuw geproduceerde
stoffen te melden. De beoordeling van het risico volgt een gestandaardiseerd protocol
(EUSES = European Uniform System for the Evaluation of Substances).
Stap 2: De nadelige effecten van een stof worden veelal met proefdieren getest. Nieuwe
vormen van testen zijn met cellijnen, organoïden of organen-op-een-chip (in vitro testen). De
eerste manier om de toxiciteit te bepalen is aan de hand van read across, het vergelijken
van stoffen met andere stoffen die een vergelijkbare chemische structuur hebben (en dus de
aanname dat het werkingsmechanisme ook hetzelfde is). De tweede manier om toxiciteit te
bepalen is aan de hand van QSARs, wiskundige verbanden tussen toxiciteit en
stofeigenschap zodanig dat de toxiciteit van de stof voorspelt kan worden zonder een
experiment. In het kader van REACH wordt gestreefd naar meer gebruik maken van dit
soort in-silico methoden en minder van proefdieren.
De effectbeoordeling leidt tot een LD50 (mediane letale dosis), LC50 (mediane letale
concentratie in het milieu of de voeding), EC50 (concentratie in het milieu of de voeding die
leidt tot een afname van een gemeten parameter, vb krijgen van aantal nakomelingen t.o.v.
controle zonder behandeling) of een NOEC (no observed effect concentration, de hoogste
concentratie die (nog) geen negatieve (sub-letale) effecten oproept). Deze eindpunten
worden geschat uit een dosis-effect-relatie, een kwantitatief verband tussen dosis en effect,
meestal in de vorm van een S-kromme. LD50 en LC50 worden vooral
bij acute toxiciteit gebruikt, EC50 en NOEC worden vooral bij
chronische toxiciteit gebruikt, gebaseerd op sub-letale effecten.
,Stap 3: De blootstellingsroute wordt beoordeeld, directe blootstelling (voeding/medicatie) of
indirecte blootstelling (milieu). Voor indirecte blootstelling moet een schatting gemaakt
worden van de emissie naar het milieu, berekening van de concentraties in
water/lucht/bodem/voeding en vervolgens schatten hoeveel de mens dan binnen krijgt.
Stap 4: Over het algemeen wordt 100 als veiligheidsfactor gebruikt, ook wel dat de
blootstelling moet een factor 100 onder de giftigheid drempel liggen. Bij geneesmiddelen
wordt een kleinere marge gebruikt, bepaalde neveneffecten worden als onvermijdelijk
gezien.
Stap 5: Er worden maatregelen geformuleerd die de veiligheidsmarge aanvaardbaar maken.
Denk aan maatregelen voor vervoer of aanduiding op de verpakking. Dit wordt ook
regelmatig gemonitord.
Toxicologie in Nederland
Nederland heeft een actieve Vereniging voor Toxicologie (NvT), die toxicologen met een
Postdoctorale Opleiding toxicologie erkend en ook erkend door het EUROTOX. Het draagt
bij aan inzichten in werkingsmechanismen, biotransformatie en risicobeoordeling van
stoffen.
Milieutoxicologie en ecotoxicologie
Milieutoxicologie bestudeert de negatieve effecten van stoffen in het milieu
(bodem/water/lucht/voeding) op de mens. Ecotoxicologie bestudeert de effecten van stoffen
op het milieu zelf (dieren/planten/micro-organismen). Dankzij deze twee vormen van
onderzoek is de blootstelling van de mens aan chemicaliën (1980-2000) sterk
teruggedrongen. Er duiken regelmatig situaties op waar toxicologische expertise nodig is, zo
ook met nieuwe stoffen zoals nanoplastics.
, Hoofdstuk 2: Stofeigenschappen bepalend voor lotgevallen en opname
De manier waarop een stof zich in het milieu gedraagt (de lotgevallen van de stof) wordt
bepaald door basale stofeigenschappen zoals wateroplosbaarheid, vluchtigheid en binding
aan de bodem. Hierdoor kan een schatting worden gemaakt hoe de mens wordt
blootgesteld. Vaak worden stofeigenschappen weergegeven als verdelingscoëfficiënten; hoe
een bepaalde hoeveelheid stof zich verdeelt over twee media. De verdelings- of
partitiecoëfficiënt geeft dan aan wat (in evenwicht) de verhouding is tussen de
concentraties in de twee media.
De Henry-Coëfficiënt
De Henry-Coëfficiënt (H) geeft de verhouding tussen dampdruk van een stof in de lucht en
oplosbaarheid in water. Een groot getal (0,2) heeft meer baat bij blootstelling via de lucht
dan een klein getal (0,0001) die meer blootstelling zal hebben via het water.
De wateroplosbaarheid
De wateroplosbaarheid is een parameter die weergeeft hoeveel van de stof er maximaal in
water oplost (de concentratie in een verzadigde oplossing). Een groot getal heeft meer baat
bij blootstelling via water (600) mg per liter dan een klein getal (0,001) mg per liter.
De sorptiecoëfficiënt
De sorptiecoëfficiënt (Kd) bepaalt de verdeling over de bodem (of sediment) en water.
Deze constante hangt niet alleen af van de stof maar ook van de bodemeigenschappen.
Een zandbodem heeft voor dezelfde stof een kleinere Kd dan een veenbodem (met
organisch materiaal en kleimaterialen wat veel stoffen sterk kan binden). Om te corrigeren
voor
de invloed van het organisch stofgehalte op de sorptie gebruikt men ook wel de Koc. Dit is de
verdelingscoëfficiënt tussen de organische fractie van een bodem of sediment, uitgedrukt
als organisch koolstof, en water.
De octanol-water-verdelingscoëfficiënt
De octanol-water-verdelingscoëfficiënt (Kow) beschrijft de verdeling van een stof over n-
octanol en water. N-octanol stimuleert biologische lipiden, de Kow is dus een maat voor de
affiniteit van de stof voor vet (lipofiliteit) ten opzichte van water (hydrofiel). Er wordt meestal
gewerkt met een logaritme omdat het verschil heel groot is. Stoffen met een hoge Kow komen
bij de mens vooral binnen via de (vette) voedingsmiddelen en binden sterk aan organisch
materiaal dat betekent dat ze niet in grondwater terecht komen. Het bereikt de mens dus niet
via het drinkwater, maar kan wel als er grond oraal wordt ingenomen. Er is bij organische
stoffen een sterke relatie tussen de log Koc en de log Kow, dit maakt het mogelijk om ze op
basis van elkaar te schatten.
Lipofiliteit
De lipofiliteit wordt bepaald door de polariteit van een stof (elektronenverdeling in een
molecuul). Bij een ongelijke ladingsverdeling kan een molecuul positief of negatief geladen
zijn. Dit maakt de stof goed oplosbaar in water (een polair oplosmiddel), maar slecht in vet.
Groepen die een stof polair (hydrofiel) maken zijn; -COOH (carboxyl), -OH (hydroxyl), -NO2
(nitro). Groepen die een stof apolair (lipofiel) maken zijn CH3 (methyl), -Cl (chloride) en
aromatische ringen (C6H6).
Toxicologie is de leer van vergiftigen, chemische stoffen die via het water, voedsel of
drinkwater de mens kunnen bereiken kunnen toxisch zijn afhankelijk van de dosis. Dit kan
de fysiologie van het lichaam bedreigen van nadelige effecten op het metabolisme tot de
dood.
Geschiedenis
Toxicologie is ontwikkelt uit kennis door mensen opgedaan uit gebruik van giftige stoffen van
planten en dieren voor jacht, oorlogsvoering of het berechten van misdadigers. De Ebers
Papyrus stamt uit 1550 B.C. en spreekt over de gevlekte scheerling (staatsgif), opium (als gif
en antidotum), aconitine (pijlgif) en metalen.
Giftigheid van stoffen (acute toxiciteit)
De dosis-effect-relatie die hedendaags wordt gebruikt om de giftigheid
van een stof te bepalen is ontwikkelt door Paracelsus. Zelfs water kan in
een te hoge dosis (>10L) levensbedreigend zijn. De mediane letale
dosis (LD50) is de mate waarin de hoeveelheid stof de helft van een
groep proefdieren laat overlijden na eenmalige toediening via de mond,
uitgedrukt per kg lichaamsgewicht. In de tabel worden een aantal
waardes van bekende stoffen weergegeven, dit zijn opvallend genoeg
vooral verbindingen van natuurlijke oorsprong.
Als het zo is dat het proefdier getal onveranderd geëxtrapoleerd kan worden naar de mens,
kunnen uit de tabel op basis van lichaamsgewicht ook de LD50 waardes voor de mens
worden gehaald.
Acute en chronische toxiciteit
In de tabel wordt slechts de acute toxiciteit weergegeven; de toxiciteit na inname van
eenmalige dosis. Dit kan relevant zijn voor eenmalige vergiftiging met medicatie of
ongelukken. We spreken echter van chronische toxiciteit bij langdurige, herhaalde of
continue blootstelling aan relatief lage hoeveelheden van de stof. Dit kan dan weer relevant
zijn voor voeding of milieu stoffen.
Giftigheid van stoffen (chronische toxiciteit)
Om chronische toxiciteit te bekijken worden sub-lethale effecten zoals gedragsverandering,
groeivermindering, verlies van reproductiecapaciteit, en storingen in het immuunsysteem
bekeken. Het gaat meestal om stoffen die langzaam in het lichaam accumuleren en pas
schade veroorzaken als de concentratie in een bepaald orgaan een kritische waarde heeft
bereikt. Bij alcohol is er sprake van accumulatie van het effect, bij
een dagelijkse inname van 100 milliliter zullen levercellen
afsterven. Het lichaam kan wel nieuwe cellen aanmaken, maar bij
voortdurende blootstelling kan levercirrose ontstaan (bindweefsel).
Xenobiotica en van nature voorkomende stoffen
Giftige stoffen die de gezondheid van de mens kunnen bedreigen
worden onderverdeeld in xenobiotica en van nature
voorkomende stoffen. Xenobiotica zijn ‘vreemd van het leven’,
door de mens gesynthetiseerd en niet in de natuur gemaakt. Het
,menselijk lichaam heeft geen specifieke mechanismen tegen deze stoffen, maar vaak wordt
gebruik gemaakt van mechanismen die eigenlijk voor lichaamseigen stoffen zijn om de
stoffen te metaboliseren. De van nature voorkomende stoffen zijn op te delen in; stoffen die
niet nodig zijn voor het metabolisme van de mens en stoffen die wel nodig zijn voor het
metabolisme van de mens. De stoffen die wel nodig zijn (vitamines vb), kunnen giftig zijn bij
hoge doseringen, maar veroorzaken deficiëntie bij lage doseringen.
Risicobeoordeling
Toxicologische gegevens worden toegepast bij risicobeoordeling van stoffen. Dit wordt
gebruikt voor wet- en regelgeving rondom bepaalde stoffen aan de hand van de volgende
vragen:
1. Heeft de stof een intrinsieke gevaarlijkheid (hazard assessment)?
2. Wat is de dosis waarbij nadelige effecten op de gezondheid ontstaan (effect
assessment)?
3. Wat is de dosis waaraan mensen blootgesteld kunnen worden (exposure
assessment)?
4. Is er een redelijke marge tussen blootstelling en effect (risk evaluation)?
5. Welke maatregelen kunnen genomen worden om de marge zo groot mogelijk te
maken of te houden (risk management)?
Stap 1: De gevaarlijkheid wordt beoordeeld aan de hand van fysisch chemisch gedrag of
gelijkenis met andere stoffen. Er wordt ook meegenomen of het in een minuscule
hoeveelheid afgesloten wordt geproduceerd of in tonnen. Volgens de Europese regelgeving
voor chemische stoffen (REACH = Registration, Evaluation and Authorisation (and
restriction) of Chemicals) is de chemische industrie verplicht om nieuw geproduceerde
stoffen te melden. De beoordeling van het risico volgt een gestandaardiseerd protocol
(EUSES = European Uniform System for the Evaluation of Substances).
Stap 2: De nadelige effecten van een stof worden veelal met proefdieren getest. Nieuwe
vormen van testen zijn met cellijnen, organoïden of organen-op-een-chip (in vitro testen). De
eerste manier om de toxiciteit te bepalen is aan de hand van read across, het vergelijken
van stoffen met andere stoffen die een vergelijkbare chemische structuur hebben (en dus de
aanname dat het werkingsmechanisme ook hetzelfde is). De tweede manier om toxiciteit te
bepalen is aan de hand van QSARs, wiskundige verbanden tussen toxiciteit en
stofeigenschap zodanig dat de toxiciteit van de stof voorspelt kan worden zonder een
experiment. In het kader van REACH wordt gestreefd naar meer gebruik maken van dit
soort in-silico methoden en minder van proefdieren.
De effectbeoordeling leidt tot een LD50 (mediane letale dosis), LC50 (mediane letale
concentratie in het milieu of de voeding), EC50 (concentratie in het milieu of de voeding die
leidt tot een afname van een gemeten parameter, vb krijgen van aantal nakomelingen t.o.v.
controle zonder behandeling) of een NOEC (no observed effect concentration, de hoogste
concentratie die (nog) geen negatieve (sub-letale) effecten oproept). Deze eindpunten
worden geschat uit een dosis-effect-relatie, een kwantitatief verband tussen dosis en effect,
meestal in de vorm van een S-kromme. LD50 en LC50 worden vooral
bij acute toxiciteit gebruikt, EC50 en NOEC worden vooral bij
chronische toxiciteit gebruikt, gebaseerd op sub-letale effecten.
,Stap 3: De blootstellingsroute wordt beoordeeld, directe blootstelling (voeding/medicatie) of
indirecte blootstelling (milieu). Voor indirecte blootstelling moet een schatting gemaakt
worden van de emissie naar het milieu, berekening van de concentraties in
water/lucht/bodem/voeding en vervolgens schatten hoeveel de mens dan binnen krijgt.
Stap 4: Over het algemeen wordt 100 als veiligheidsfactor gebruikt, ook wel dat de
blootstelling moet een factor 100 onder de giftigheid drempel liggen. Bij geneesmiddelen
wordt een kleinere marge gebruikt, bepaalde neveneffecten worden als onvermijdelijk
gezien.
Stap 5: Er worden maatregelen geformuleerd die de veiligheidsmarge aanvaardbaar maken.
Denk aan maatregelen voor vervoer of aanduiding op de verpakking. Dit wordt ook
regelmatig gemonitord.
Toxicologie in Nederland
Nederland heeft een actieve Vereniging voor Toxicologie (NvT), die toxicologen met een
Postdoctorale Opleiding toxicologie erkend en ook erkend door het EUROTOX. Het draagt
bij aan inzichten in werkingsmechanismen, biotransformatie en risicobeoordeling van
stoffen.
Milieutoxicologie en ecotoxicologie
Milieutoxicologie bestudeert de negatieve effecten van stoffen in het milieu
(bodem/water/lucht/voeding) op de mens. Ecotoxicologie bestudeert de effecten van stoffen
op het milieu zelf (dieren/planten/micro-organismen). Dankzij deze twee vormen van
onderzoek is de blootstelling van de mens aan chemicaliën (1980-2000) sterk
teruggedrongen. Er duiken regelmatig situaties op waar toxicologische expertise nodig is, zo
ook met nieuwe stoffen zoals nanoplastics.
, Hoofdstuk 2: Stofeigenschappen bepalend voor lotgevallen en opname
De manier waarop een stof zich in het milieu gedraagt (de lotgevallen van de stof) wordt
bepaald door basale stofeigenschappen zoals wateroplosbaarheid, vluchtigheid en binding
aan de bodem. Hierdoor kan een schatting worden gemaakt hoe de mens wordt
blootgesteld. Vaak worden stofeigenschappen weergegeven als verdelingscoëfficiënten; hoe
een bepaalde hoeveelheid stof zich verdeelt over twee media. De verdelings- of
partitiecoëfficiënt geeft dan aan wat (in evenwicht) de verhouding is tussen de
concentraties in de twee media.
De Henry-Coëfficiënt
De Henry-Coëfficiënt (H) geeft de verhouding tussen dampdruk van een stof in de lucht en
oplosbaarheid in water. Een groot getal (0,2) heeft meer baat bij blootstelling via de lucht
dan een klein getal (0,0001) die meer blootstelling zal hebben via het water.
De wateroplosbaarheid
De wateroplosbaarheid is een parameter die weergeeft hoeveel van de stof er maximaal in
water oplost (de concentratie in een verzadigde oplossing). Een groot getal heeft meer baat
bij blootstelling via water (600) mg per liter dan een klein getal (0,001) mg per liter.
De sorptiecoëfficiënt
De sorptiecoëfficiënt (Kd) bepaalt de verdeling over de bodem (of sediment) en water.
Deze constante hangt niet alleen af van de stof maar ook van de bodemeigenschappen.
Een zandbodem heeft voor dezelfde stof een kleinere Kd dan een veenbodem (met
organisch materiaal en kleimaterialen wat veel stoffen sterk kan binden). Om te corrigeren
voor
de invloed van het organisch stofgehalte op de sorptie gebruikt men ook wel de Koc. Dit is de
verdelingscoëfficiënt tussen de organische fractie van een bodem of sediment, uitgedrukt
als organisch koolstof, en water.
De octanol-water-verdelingscoëfficiënt
De octanol-water-verdelingscoëfficiënt (Kow) beschrijft de verdeling van een stof over n-
octanol en water. N-octanol stimuleert biologische lipiden, de Kow is dus een maat voor de
affiniteit van de stof voor vet (lipofiliteit) ten opzichte van water (hydrofiel). Er wordt meestal
gewerkt met een logaritme omdat het verschil heel groot is. Stoffen met een hoge Kow komen
bij de mens vooral binnen via de (vette) voedingsmiddelen en binden sterk aan organisch
materiaal dat betekent dat ze niet in grondwater terecht komen. Het bereikt de mens dus niet
via het drinkwater, maar kan wel als er grond oraal wordt ingenomen. Er is bij organische
stoffen een sterke relatie tussen de log Koc en de log Kow, dit maakt het mogelijk om ze op
basis van elkaar te schatten.
Lipofiliteit
De lipofiliteit wordt bepaald door de polariteit van een stof (elektronenverdeling in een
molecuul). Bij een ongelijke ladingsverdeling kan een molecuul positief of negatief geladen
zijn. Dit maakt de stof goed oplosbaar in water (een polair oplosmiddel), maar slecht in vet.
Groepen die een stof polair (hydrofiel) maken zijn; -COOH (carboxyl), -OH (hydroxyl), -NO2
(nitro). Groepen die een stof apolair (lipofiel) maken zijn CH3 (methyl), -Cl (chloride) en
aromatische ringen (C6H6).
