Toksykologia regulacyjna dla ekspertów z zakresu wody do spożycia: Skąd biorą się „wartości parametryczne”? - krótkie wprowadzenie w 10 prostych lekcjach - Dr. Michael J. Csicsaky, RTA PL/06/IB/EN/01

„Wartości parametryczne” w Załączniku B mają różne cele: Niektóre mają na celu ochronę sieci dystrybucyjnej przed korozją (pH, twardość) Inne umieszczono tam z powodów estetycznych (żelazo, mangan) Większość ma za zadanie ochronę zdrowia ludzkiego przed toksycznymi uszkodzeniami Tylko parametry grupy (c) wywodzą się z toksykologii! Rozumiejąc w jaki sposób wyprowadzono te wartości graniczne, możemy też wyprowadzić oparte na kryteriach zdrowotnych wartości graniczne dla dotąd nieuregulowanych substancji lub scenariuszy wyjątkowych. PL/06/IB/EN/01

Znajdźmy zatem bezpieczną „wartość maksymalną”. What is our task for today and tomorrow? Znajdźmy zatem bezpieczną „wartość maksymalną”. Tylko w jaki sposób mamy to zrobić i jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający? PL/06/IB/EN/01

"Dosis venenum fecit" Lekcja 1 Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus)‏ Maksyma licząca sobie 500 lat – wciąż aktualna! Co miał przez to na myśli? Toksyczność nie jest cechą właściwą dla danej substancji – to kwestia dawki Co to znaczy w kontekście bezpieczeństwa wody do spożycia? Spróbujmy zdefiniować na tyle niskie stężenie substancji skażającej w wodzie do spożycia, że jest ona nietoksyczna (= nieszkodliwa dla zdrowia ludzkiego) ! PL/06/IB/EN/01

Podejście tradycyjne: Lekcja 2 How can we determine the no-effect-level ? Podejście tradycyjne: Przeprowadzamy eksperyment na zwierzętach używając różnych dawek (od wysokich do niskich) i liczymy straty w każdej grupie. Później przy pomocy papieru i ołówka określamy wartość NOEL (no-observed-effect-level) – poziom bez obserwowanego działania. Nazywa się go też NOAEL (no-observed-adverse-effect-level), co oznacza poziom bez obserwowanego działania szkodliwego. Cofnijmy się do początków ubiegłego stulecia i wykorzystajmy przykład NIKOTYNY. Nikotyna to silnie działający BIOCYD. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 2, ciąg dalszy Graficzne określenie poziomu NOEL na papierze milimetrowym. Przypadek A: eksperymentalny NOEL uzyskano przy dawce 10 mg/kg Krzywa przeprowadzona na oko LD50 = 50 mg/kg LD50 = 50 mg/kg 50% 50% Najniższa dawka, przy której zaobserwowano zmiany (LOEL)‏ Najniższy obserwowany poziom działania (LOEL)‏ Poziom bez obserwowanego działania (NOEL)‏ Dawka, przy której nie zaobserwowano zmian (NOEL)‏ Próg ? ? ? ? ? PL/06/IB/EN/01 PL/06/IB/EN/01

Lekcja 2, ciąg dalszy Graficzne określenie poziomu NOEL na papierze milimetrowym. Przypadek B: nie wykryto eksperymentalnego poziomu NOEL Krzywa przeprowadzona na oko LD50 = 50 mg/kg LD50 = 50 mg/kg 50% 50% Najniższa dawka, przy której zaobserwowano zmiany (LOEL)‏ Najniższy obserwowany poziom działania (LOEL)‏ Dawka, przy której nie zaobserwowano zmian (NOEL)‏ Dataset Dose [mg/kg] Mortality [%] 0 0 20 1 40 22 80 99 Dataset Dose [mg/kg] Mortality [%] 0 0 20 1 40 22 80 99 próg ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? PL/06/IB/EN/01 PL/06/IB/EN/01

Lekcja 2, ciąg dalszy Graficzne określenie poziomu NOEL na papierze milimetrowym jest nieprecyzyjne: W jaki sposób możemy je ulepszyć? Esowate krzywe zależności dawka-odpowiedź wskazują na obecność trzech podgrup w obrębie populacji badanej. Osobniki „wrażliwe” reagują już na niskie dawki, „normalne” na dawki średnie, a „niewrażliwe” na dawki wysokie. Rozkład wrażliwości to zazwyczaj „rozkład normalny” (rozkład Gaussa, krzywa dzwonowa). Rezultat: Jeżeli liniową oś y wykresu funkcji dawka-odpowiedź zastąpi się nieliniową osią y odpowiadającą rozkładowi normalnemu, wykres łączący zmierzone dane staje się linią prostą. Nazywamy to „transformacją linearyzującą” zestawu danych. Zaleta: Ekstrapolacja do zakresu niskiej dawki jest łatwiejsza, a rezultaty są bardziej wiarygodne! PL/06/IB/EN/01

Lekcja 2, ciąg dalszy Graficzne określenie poziomu NOEL na siatce prawdopodobieństwa w przypadkach, gdy nie otrzymano eksperymentalnego NOEL LD50 = 50 mg/kg LOAEL = 20 mg/kg NOAEL (extrapol.) < 9 mg/kg PL/06/IB/EN/01

Lekcja 2, ciąg dalszy ZALETY: Jakie są wady i zalety dalszego stosowania wartości NOAEL/LOAEL jako parametrów toksyczności? ZALETY: olbrzymia baza literatury źródłowej do porównań ogólnie przyjęte jako punkty wyjścia w standardowych warunkach WADY: określony eksperymentalnie NOAEL, a do pewnego stopnia także LOAEL, są funkcją liczby zwierząt w grupie dawki oraz rozkładu wrażliwości w tej grupie; pozwalają one na porównania z innymi substancjami tylko jeśli rozmiar grupy jest ustandaryzowany (wytyczne OECD!) a wariancja wrażliwości niewielka (szczepy wsobne / niewsobne)‏ Przykład: jeśli tylko 1 % testowanych zwierząt jest nadwrażliwych, ich reakcje zostaną pominięte z prawdopodobieństwem 5:1, jeżeli w grupie dawki jest tylko 20 zwierząt (LOAEL będzie za wysoki) kształt krzywej dawka-odpowiedź nie jest brany pod uwagę (LOAEL lub NOAEL są oparte na obserwacjach tylko w jednej grupie dawki) PL/06/IB/EN/01

Jaka mogłaby być alternatywa? - Podejście Urzędu Ochrony Środowiska Lekcja 3 Jaka mogłaby być alternatywa? - Podejście Urzędu Ochrony Środowiska Można wykorzystać model odpowiedni do znalezienia górnego limitu dawki, gdzie 10% wszystkich testowanych zwierząt wykazywałoby negatywne zmiany. Interpolowana „dawka wyznaczająca” mogłaby zastąpić eksperymentalny LOAEL, który zwykle jest rzędu 5 % (1 zwierzę na 20 testowanych zwierząt wykazuje negatywny efekt). PL/06/IB/EN/01

Lekcja 3, ciąg dalszy Wszystkie punkty danych z zaznaczeniem Nowoczesne podejście, zaawansowany poziom = krzywe tworzone przez specjalistyczne programy komputerowe jak BMDS Krzywa tworzona przez program (po wewnętrznej transformacji linearyzującej‏ Wszystkie punkty danych z zaznaczeniem dopuszczalnych błędów LD50 = 50 mg/kg Dawka wyznaczająca (10% wszystkich narażonych wykazuje negatywne zmiany)‏ 10% Threshold level = 9 mg/kg? PL/06/IB/EN/01

Zalety i wady metody dawki wyznaczającej (BMDL10)‏ Lekcja 3, ciąg dalszy Zalety i wady metody dawki wyznaczającej (BMDL10)‏ ZALETY Metoda dawki wyznaczającej wykorzystuje całość informacji uzyskanych od wszystkich grup dawek, więc szacunkowa wartość BMD jest bardziej stabilna w porównaniu do szacunkowej wartości LOAEL opartej tylko na jednej grupie dawki. Poza tym „statystyczny szum” danych jest skompensowany przez zastosowanie 95% ograniczenia dolnego dawki zamiast jej średniej wartości szacunkowej. WADY Nie pomaga nam znaleźć „prawdziwej” dawki progowej dającej efekty, oddzielającej najwyższą tolerowaną dawkę (no-adverse-effect-level) od najniższej dawki, przy której powstają szkodliwe efekty (adverse-effect-level) – ponieważ transformacja probit nie pozwala na ekstrapolację do zera. Dość dobrze sprawdza się jednak gdy przyjmiemy dawkę na prawdopodobieństwo wystąpienia efektu np. 1 do 10.000. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 4 Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: kompensowanie „szumu” danych Wszystkie pomiary biologiczne są zakłócone przez statystyczny szum; jeżeli powtórzy się dany eksperyment, niemal na pewno nie osiągnie się ponownie identycznego rezultatu. Powtarzając go sto razy, rozkład poszczególnych wartości w obrębie tej samej grupy dawki będzie odpowiadał rozkładowi normalnemu (dzwonowa krzywa Gaussa). 90%-owe limity pewności są zaznaczone paskami błędów wokół punktów danych. Aby szacunkowa dawka była bezpieczniejsza, należałoby więc włączyć do obliczeń bezpiecznej dawki górny 95%-owy limit przedziału ufności wokół średniej wartości szacunkowej zamiast samej tylko średniej wartości. Niestety w standardowych warunkach opartych na NOAEL/ LOAEL jest to bardzo rzadkie. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 5 Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: kompensacja niepewności modelu najlepsza zgodność = średnie wartości szacunkowe parametrów modelowych 95%-owy limit niższej ufności BMD = BMDL PL/06/IB/EN/01

Lekcja 6 Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: kompensacja zmienności ekspozycji i zmiennej wrażliwości Kwestia transferu zwierzę --> człowiek W eksperymentach na zwierzętach, wszystkie zwierzęta z danej grupy mają podobną wrażliwość i otrzymują jednakową dawkę testowanej substancji. W realnej sytuacji z udziałem ludzi ma to miejsce bardzo rzadko. Przy określaniu ryzyka dla zdrowia spowodowanego przez substancję skażającą wodę do spożycia, musielibyśmy wziąć pod uwagę nie tylko współczynnik korygujący, uwzględniający różnice w rozmiarze i przemianie materii między zwierzętami doświadczalnymi a ludźmi, ale także - zmienność spożycia (wchłanianie, dane czasowe)‏ - zmienność wrażliwości (niemowlęta, dzieci, osoby chore i starsze) Dla każdej grupy ryzyka należałoby stworzyć zachowawczy scenariusz narażenia, obliczyć dzienny poziom wchłaniania i porównać go z konkretnym LOAEL dla danej grupy. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 6, ciąg dalszy Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: kompensacja zmienności ekspozycji i zmiennej wrażliwości Wynikające z określonych przez eksperymenty na zwierzętach wartości NOAEL/LOAEL „marginesy bezpieczeństwa” muszą być zastosowane, gdy parametry te są przekształcane do zastosowania dla ludzi: Potrzebne są zachowawcze „współczynniki korygujące” dla przystosowania narażenia zwierząt na odpowiadające im narażenie ludzi. Potrzebny jest współczynnik bezpieczeństwa dla szerszego zakresu wchłaniania i możliwych różnic w resorpcji między ludźmi a zwierzętami doświadczalnymi. wrażliwości populacji ludzkiej w porównaniu do zwierząt doświadczalnych. Zazwyczaj wartości NOAEL / LOAEL określone w doświadczeniach na zwierzętach są zmniejszone o współczynnik równy 100 zanim zastosuje się je w standardowych warunkach dla ludzi. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 6, ciąg dalszy Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: kompensacja zmienności ekspozycji i zmiennej wrażliwości Podejściem pragmatycznym jest „najgorszy scenariusz”, który łączy górny limit spożycia z górnym limitem wrażliwości, np.: niemowlę ważące 500 g jest karmione pokarmem dla niemowląt przygotowanym z użyciem 800 ml wody dziennie. Jeżeli dany poziom narażenia nie powoduje powodów do obaw w najgorszym scenariuszu, nie trzeba już sprawdzać innych scenariuszy. Jednakże jeśli narażenie powoduje ryzyko tylko dla najbardziej wrażliwej grupy, jednym z możliwych rozwiązań jest np. opublikowanie ostrzeżenia, aby nie stosować tej wody do spożycia do przygotowywania pokarmu dla niemowląt, podczas gdy inne zastosowania tej wody mogą wciąż być dopuszczalne z toksykologicznego punktu widzenia. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 7 Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: kompensacja zmienności ekspozycji i zmiennej wrażliwości Podczas gdy zastosowanie „najgorszego scenariusza” prowadzi do domniemanej, ale nieokreślonej ilościowo „nadmiernej ochrony” grup mniej wrażliwych, w medycynie obserwuje się tendencję do próby ilościowego ujęcia wszystkich źródeł zmienności od narażenia do efektu na zdrowie. Standardowe „wartości domyślne” (np. dzienne spożycie 2 l wody) są zastępowane przez modele rozmieszczenia (np. 0,2 do 5 l dziennie), a następnie wprowadzane do modeli komputerowych symulujących wszystkie prawdopodobne kombinacje. Uzyskany rezultat to „pewien poziom narażenia jest bezpieczny dla 99% populacji”. Nazywa się to podejściem probabilistycznym. Chociaż podejście probabilistyczne pozwala na bardziej precyzyjne modelowanie narażenia i skutków zdrowotnych w populacji ludzkiej, istnieje ryzyko teoretyczne, że marginesy bezpieczeństwa między narażeniem tolerowanym a rzeczywistym zostaną w przyszłości zmniejszone, jeżeli nowe odkrycia toksykologiczne będą wymagać obniżenia wartości NOAEL/LOAEL. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 8 Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: specjalny przypadek substancji rakotwórczych i promieniowania jonizującego Zastosowanie poziomów NOAEL lub LOAEL jako punktów wyjścia do określenia wartości granicznych jest ograniczone do substancji, dla których można założyć istnienie progu wywoływania efektu. To podstawowe założenie nie jest spełnione dla substancji rakotwórczych i promieniowania jonizującego. Zakłada się, że jakiekolwiek narażenie wyższe od zera zwiększa ryzyko zachorowania na raka. Aby oszacować ryzyko dla zdrowia wywołane przez dane narażenie (np. arsen), przeprowadza się ekstrapolację linearną z dawki związanej z 10%-owym ryzykiem zachorowania na raka do ryzyka zachorowania na raka związanego z rozpatrywaną dawką. Dawka musi zostać obliczona jako dawka całożyciowa (stężenie narażenia razy czas narażenia, z uwzględnieniem wydajności resorpcji). Dopuszczalny poziom ryzyka zachorowania na raka musi zostać ustalony przed wyprowadzeniem odpowiadającego mu poziomu narażenia. Zwykle w warunkach środowiskowych dopuszcza się ryzyko całożyciowe rzędu 1 do 100 000. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 8, ciąg dalszy How safe is safe enough: compensating for exposure uncertainty and variation of sensitivity PL/06/IB/EN/01

Margines bezpieczeństwa a margines narażenia (MOE)‏ Lekcja 9 Margines bezpieczeństwa a margines narażenia (MOE)‏ Margines bezpieczeństwa to odległość między rzeczywistymi poziomami narażenia dla danej substancji toksycznej a uzyskaną toksykologicznie i/lub prawnie obowiązującą wartością graniczną. W przypadku nadmiernej ekspozycji ryzyko dla zdrowia pozostanie na poziomie zerowym, dopóki nie zostanie osiągnięta wartość graniczna. Margines narażenia to odległość między rzeczywistymi poziomami narażenia dla danej substancji rakotwórczej a uzyskaną toksykologicznie i/lub prawnie obowiązującą wartością graniczną. W przypadku nadmiernej ekspozycji ryzyko dla zdrowia zwiększy się proporcjonalnie do zwiększenia dawki całożyciowej – niezależnie od istnienia wartości granicznej. PL/06/IB/EN/01

Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: podejście kabaretowe Lekcja 10 Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: podejście kabaretowe Karl Valentin Chciałbym wynająć starą kopalnię. Tak, oczywiście! Za to dobrze zabezpieczone! Przed meteorytami. Tak, ale bezpieczeństwo jest dla mnie ważniejsze niż częstotliwość. Liesl Karlstadt I naprawdę chciałbyś tam zamieszkać? Ale to straszne miejsce! Przed czym? Przecież meteoryty są bardzo rzadkie. PL/06/IB/EN/01

Lekcja 10, ciąg dalszy Jaki poziom bezpieczeństwa jest wystarczający: podejście administracyjne Nie zawsze można osiągnąć niezerowy wpływ na zdrowie (wystarczy wspomnieć obecne standardy dot. ołowiu), a zwłaszcza nie w przypadku substancji rakotwórczych i radionuklidów. Kto jednak decyduje o dopuszczeniu ryzyka dla zdrowia, którego nie da się w prosty sposób uniknąć? Po pierwsze decyduje ustawodawca. Może on jednak zostać pozwany do sądu, jeśli ustalone przez niego standardy wydają się niektórym zbyt łagodne. W tym przypadku konieczna jest solidna z naukowego punktu widzenia podstawa proponowanych standardów. Które z toksykologicznych wniosków mogą być uznane za nieistotne, a które stanowią potencjalne zagrożenia dla zdrowia i wymagają podjęcia działań legislacyjnych? W jaki sposób należy określić wartość graniczną, która spełniałaby wymagania prawne? Związkiem między aspektami toksykologicznymi a prawnymi zajmie się p. Konietzka w następnej prezentacji. PL/06/IB/EN/01

DZIĘKUJĘ PAŃSTWU ZA UWAGĘ Lekcja 10, koniec PL/06/IB/EN/01 DZIĘKUJĘ PAŃSTWU ZA UWAGĘ