Untersuchungen zur nephrotoxischen Wirkung des Mykotoxins Ochratoxin A

Ochratoxin A (OTA) ist ein nierentoxisches und -kanzerogenes Mykotoxin, das von verschiedenen Aspergillus- und Penicillium-Stämmen gebildet wird. Kontaminationen mit OTA sind vor allem in pflanzlichen Produkten wie Getreide und Getreideprodukte, Kaffee, Traubensaft und Wein, Bier, Nüsse, Gewürze aber auch in Fleisch nachweisbar. Verbraucher nehmen in Deutschland wöchentlich ca. 5 ng/kg KG OTA auf. In subakuten und subchronischen Studien wurde ausgeprägte Nierentoxizität gezeigt, zudem ist OTA als immunsuppressiv, teratogen, neurotoxisch und hepatokanzerogen beschrieben. Eine Beteiligung von OTA an der beim Menschen auftretenden endemischen Balkannephropathie (BEN) wird diskutiert. Der Mechanismus der kanzerogenen Wirkung von OTA ist noch immer unklar. Die in Studien zur Genotoxizität erhaltenen, widersprüchliche Resultate könnten möglicherweise auf sekundäre Mechanismen wie oxidativem Stress zurückzuführen sein. Die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies und die Induktion von Lipidperoxidation wurde beobachtet, eine Reihe toxischer Effekte in vitro und in vivo war durch Gabe von Antioxidantien abgeschwächt. Mit verschiedenen Endpunkten (Nekrose, Wachstumshemmung, Apoptose) wurde in Zelllinien (V79, CV-1) und in primären proximalen Tubuluszellen der Ratte (PNZ) die Induktion von Zytotoxizität durch OTA untersucht. OTA zeigte in Kurzzeitinkubations-Experimenten (1 h) kein Potenzial, die Viabilität von Zelllinien und PNZ zu verringern. Nach 24stündiger Inkubation war nur in V79-Zellen die Membranintegrität (Trypanblauausschluss) beeinträchtigt. Eine starke Wachstumshemmung mit IC50-Werten um 2 µmol/L wurde in beiden verwendeten Zelllinien gemessen. Mittels eines immunchemischen Tests und der Durchflusszytometrie wurde bei Konzentrationen über 1 µmol/L OTA (24 h) die Induktion von Apoptose beobachtet. Die in CV-1-Zellen beobachteten Parameter für Zytotoxizität, insbesondere die durchflusszytometrischen Untersuchungen, zeigten, dass die Effekte in einem relativ eng begrenzten, µmolaren Konzentrationsbereich zu beobachten sind, also möglicherweise nicht spezifisch Nekrose oder Apoptose induziert wird. Zu den Mechanismen, über die unspezifisch Nekrose und Apoptose in Zellen induziert werden kann, gehören z.B. oxidativer Stress und DNA-Schädigung. Mit Hilfe des Comet-Assays wurde in den Zelllinien und PNZ die Induktion von (oxidativen) DNA-Schäden durch OTA untersucht. Die DNA-Basisschädigung war nur nach Kurzzeitinkubation (1h) mit sehr hohen OTA-Konzentrationen (> 500 µmol/L) in den Zelllinien bzw. nach 24 h in V79-Zellen erhöht. FPG-sensitive Stellen in der DNA wurden in allen verwendeten in vitro-Testsystemen nachgewiesen. Nach einstündiger Inkubation waren PNZ deutlich sensitiver gegenüber der Induktion von oxidativen DNA-Schäden (ca. Faktor 20) als die Zelllinien. Dies deutet darauf hin, dass die PNZ im Vergleich zu den Zelllinien stoffwechselbedingte Besonderheiten aufweisen, die die erhöhte Sensitivität bedingen. Nach 24stündiger Inkubation mit OTA lagen die Konzentrationen, die in den Zelllinien und den PNZ oxidative DNA-Schäden induzierten in einem vergleichbaren µmolaren Bereich. Der Verlust der erhöhten Sensitivität der PNZ könnte auf eine Umstellung des Stoffwechsels nach der insgesamt 48stündigen Kultivierung zurückzuführen sein. Das gemeinsame Auftreten von oxidativem Stress, Nierentoxizität und Zellproliferation könnten evtl. einen alternativen Mechanismus der Nierenkanzerogenität von OTA bilden. In Kooperation mit Dr. Turesky (NCTR, Jefferson, USA) wurde ein Tierversuch durchgeführt, in dem das DNA-schädigende Potenzial von OTA in Leber und Niere von Ratten, die über vier Wochen mit OTA behandelt worden waren, untersucht wurde. Die mit dem Comet-Assay in den Organen dieser Tiere gefundenen oxidativen DNA-Schäden, die grundsätzlich als prämutagenes Ereignis angesehen werden können, geben also möglicherweise einen ersten mechanistischen Hinweis auf die nierenkanzerogene Wirkung von OTA. Untermauert wird dies durch die beobachtete Abnahme des GSH-Gehaltes, die evtl. auf eine Depletion durch LPO-Produkte zurückzuführen ist. Nach 24stündiger Inkubation wurde eine Erhöhung des GSH-Gehaltes in den inkubierten CV-1-Zellen gemessen, die mit einer GSH-Neusynthese als Gegenreaktion zum oxidativen Stress begründet werden kann. Die in vitro Untersuchungen zeigen, dass die Konzentrationen, die in den Zellen oxidative DNA-Schäden verursachen, etwas niedriger sind (Faktor 5), als die Konzentrationen, die zytotoxische Effekte induzieren. Es kann also nicht ausgeschlossen werden, dass OTA über die Bildung oxidativer DNA-Schäden auch initiierendes Potenzial besitzt. In diesem Zusammenhang wäre zu klären, ob die in der Literatur beschriebene Proteinbiosynthesehemmung sich auf die antioxidative Abwehr in Zellen und Organismen auswirkt, so dass induzierte oxidative DNA-Schäden möglicherweise nicht mehr ausreichend repariert werden können und es so zur Tumorentstehung in vivo kommt

Development of an effective outsourcing strategy for toxicological studies in the chemical industry

The chemical industry has been put under considerable time pressure by the European Community Regulation REACH (Registration, Evaluation, and Authorization of Chemicals). The work outlined here has been developed at the BASF SE’s Experimental Toxicology and Ecology Unit with the objective of promoting a faster reaction to the testing demand generated by the new legislation. A considerable increase in forecasted demand for tests has created the necessity to increase the Toxicology Unit’s outsourcing activities. The first goal was to optimize the selection and management process of Contract Research Organizations (CROs), so that toxicological studies can be performed with minimal risk while maximizing quality and cost advantage. A second objective was to develop performance measurement system in form of a balanced scorecard to evaluate contracting efficiency by monitoring major drivers in the outsourcing process to ensure the alignment between strategic objectives and actual performance.<br

Application of high throughput in vitro metabolomics for hepatotoxicity mode of action characterization and mechanistic-anchored point of departure derivation: a case study with nitrofurantoin

Omics techniques have been increasingly recognized as promising tools for Next Generation Risk Assessment. Targeted metabolomics offer the advantage of providing readily interpretable mechanistic information about perturbed biological pathways. In this study, a high-throughput LC–MS/MS-based broad targeted metabolomics system was applied to study nitrofurantoin metabolic dynamics over time and concentration and to provide a mechanistic-anchored approach for point of departure (PoD) derivation. Upon nitrofurantoin exposure at five concentrations (7.5 µM, 15 µM, 20 µM, 30 µM and 120 µM) and four time points (3, 6, 24 and 48 h), the intracellular metabolome of HepG2 cells was evaluated. In total, 256 uniquely identified metabolites were measured, annotated, and allocated in 13 different metabolite classes. Principal component analysis (PCA) and univariate statistical analysis showed clear metabolome-based time and concentration effects. Mechanistic information evidenced the differential activation of cellular pathways indicative of early adaptive and hepatotoxic response. At low concentrations, effects were seen mainly in the energy and lipid metabolism, in the mid concentration range, the activation of the antioxidant cellular response was evidenced by increased levels of glutathione (GSH) and metabolites from the de novo GSH synthesis pathway. At the highest concentrations, the depletion of GSH, together with alternations reflective of mitochondrial impairments, were indicative of a hepatotoxic response. Finally, a metabolomics-based PoD was derived by multivariate PCA using the whole set of measured metabolites. This approach allows using the entire dataset and derive PoD that can be mechanistically anchored to established key events. Our results show the suitability of high throughput targeted metabolomics to investigate mechanisms of hepatoxicity and derive point of departures that can be linked to existing adverse outcome pathways and contribute to the development of new ones

Adverse outcome pathways:opportunities, limitations and open questions

Adverse outcome pathways (AOPs) are a recent toxicological construct that connects, in a formalized, transparent and quality-controlled way, mechanistic information to apical endpoints for regulatory purposes. AOP links a molecular initiating event (MIE) to the adverse outcome (AO) via key events (KE), in a way specified by key event relationships (KER). Although this approach to formalize mechanistic toxicological information only started in 2010, over 200 AOPs have already been established. At this stage, new requirements arise, such as the need for harmonization and re-assessment, for continuous updating, as well as for alerting about pitfalls, misuses and limits of applicability. In this review, the history of the AOP concept and its most prominent strengths are discussed, including the advantages of a formalized approach, the systematic collection of weight of evidence, the linkage of mechanisms to apical end points, the examination of the plausibility of epidemiological data, the identification of critical knowledge gaps and the design of mechanistic test methods. To prepare the ground for a broadened and appropriate use of AOPs, some widespread misconceptions are explained. Moreover, potential weaknesses and shortcomings of the current AOP rule set are addressed (1) to facilitate the discussion on its further evolution and (2) to better define appropriate vs. less suitable application areas. Exemplary toxicological studies are presented to discuss the linearity assumptions of AOP, the management of event modifiers and compensatory mechanisms, and whether a separation of toxicodynamics from toxicokinetics including metabolism is possible in the framework of pathway plasticity. Suggestions on how to compromise between different needs of AOP stakeholders have been added. A clear definition of open questions and limitations is provided to encourage further progress in the field

Untersuchungen zur nephrotoxischen Wirkung des Mykotoxins Ochratoxin A

Ochratoxin A (OTA) ist ein nierentoxisches und -kanzerogenes Mykotoxin, das von verschiedenen Aspergillus- und Penicillium-Stämmen gebildet wird. Kontaminationen mit OTA sind vor allem in pflanzlichen Produkten wie Getreide und Getreideprodukte, Kaffee, Traubensaft und Wein, Bier, Nüsse, Gewürze aber auch in Fleisch nachweisbar. Verbraucher nehmen in Deutschland wöchentlich ca. 5 ng/kg KG OTA auf. In subakuten und subchronischen Studien wurde ausgeprägte Nierentoxizität gezeigt, zudem ist OTA als immunsuppressiv, teratogen, neurotoxisch und hepatokanzerogen beschrieben. Eine Beteiligung von OTA an der beim Menschen auftretenden endemischen Balkannephropathie (BEN) wird diskutiert. Der Mechanismus der kanzerogenen Wirkung von OTA ist noch immer unklar. Die in Studien zur Genotoxizität erhaltenen, widersprüchliche Resultate könnten möglicherweise auf sekundäre Mechanismen wie oxidativem Stress zurückzuführen sein. Die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies und die Induktion von Lipidperoxidation wurde beobachtet, eine Reihe toxischer Effekte in vitro und in vivo war durch Gabe von Antioxidantien abgeschwächt. Mit verschiedenen Endpunkten (Nekrose, Wachstumshemmung, Apoptose) wurde in Zelllinien (V79, CV-1) und in primären proximalen Tubuluszellen der Ratte (PNZ) die Induktion von Zytotoxizität durch OTA untersucht. OTA zeigte in Kurzzeitinkubations-Experimenten (1 h) kein Potenzial, die Viabilität von Zelllinien und PNZ zu verringern. Nach 24stündiger Inkubation war nur in V79-Zellen die Membranintegrität (Trypanblauausschluss) beeinträchtigt. Eine starke Wachstumshemmung mit IC50-Werten um 2 µmol/L wurde in beiden verwendeten Zelllinien gemessen. Mittels eines immunchemischen Tests und der Durchflusszytometrie wurde bei Konzentrationen über 1 µmol/L OTA (24 h) die Induktion von Apoptose beobachtet. Die in CV-1-Zellen beobachteten Parameter für Zytotoxizität, insbesondere die durchflusszytometrischen Untersuchungen, zeigten, dass die Effekte in einem relativ eng begrenzten, µmolaren Konzentrationsbereich zu beobachten sind, also möglicherweise nicht spezifisch Nekrose oder Apoptose induziert wird. Zu den Mechanismen, über die unspezifisch Nekrose und Apoptose in Zellen induziert werden kann, gehören z.B. oxidativer Stress und DNA-Schädigung. Mit Hilfe des Comet-Assays wurde in den Zelllinien und PNZ die Induktion von (oxidativen) DNA-Schäden durch OTA untersucht. Die DNA-Basisschädigung war nur nach Kurzzeitinkubation (1h) mit sehr hohen OTA-Konzentrationen (> 500 µmol/L) in den Zelllinien bzw. nach 24 h in V79-Zellen erhöht. FPG-sensitive Stellen in der DNA wurden in allen verwendeten in vitro-Testsystemen nachgewiesen. Nach einstündiger Inkubation waren PNZ deutlich sensitiver gegenüber der Induktion von oxidativen DNA-Schäden (ca. Faktor 20) als die Zelllinien. Dies deutet darauf hin, dass die PNZ im Vergleich zu den Zelllinien stoffwechselbedingte Besonderheiten aufweisen, die die erhöhte Sensitivität bedingen. Nach 24stündiger Inkubation mit OTA lagen die Konzentrationen, die in den Zelllinien und den PNZ oxidative DNA-Schäden induzierten in einem vergleichbaren µmolaren Bereich. Der Verlust der erhöhten Sensitivität der PNZ könnte auf eine Umstellung des Stoffwechsels nach der insgesamt 48stündigen Kultivierung zurückzuführen sein. Das gemeinsame Auftreten von oxidativem Stress, Nierentoxizität und Zellproliferation könnten evtl. einen alternativen Mechanismus der Nierenkanzerogenität von OTA bilden. In Kooperation mit Dr. Turesky (NCTR, Jefferson, USA) wurde ein Tierversuch durchgeführt, in dem das DNA-schädigende Potenzial von OTA in Leber und Niere von Ratten, die über vier Wochen mit OTA behandelt worden waren, untersucht wurde. Die mit dem Comet-Assay in den Organen dieser Tiere gefundenen oxidativen DNA-Schäden, die grundsätzlich als prämutagenes Ereignis angesehen werden können, geben also möglicherweise einen ersten mechanistischen Hinweis auf die nierenkanzerogene Wirkung von OTA. Untermauert wird dies durch die beobachtete Abnahme des GSH-Gehaltes, die evtl. auf eine Depletion durch LPO-Produkte zurückzuführen ist. Nach 24stündiger Inkubation wurde eine Erhöhung des GSH-Gehaltes in den inkubierten CV-1-Zellen gemessen, die mit einer GSH-Neusynthese als Gegenreaktion zum oxidativen Stress begründet werden kann. Die in vitro Untersuchungen zeigen, dass die Konzentrationen, die in den Zellen oxidative DNA-Schäden verursachen, etwas niedriger sind (Faktor 5), als die Konzentrationen, die zytotoxische Effekte induzieren. Es kann also nicht ausgeschlossen werden, dass OTA über die Bildung oxidativer DNA-Schäden auch initiierendes Potenzial besitzt. In diesem Zusammenhang wäre zu klären, ob die in der Literatur beschriebene Proteinbiosynthesehemmung sich auf die antioxidative Abwehr in Zellen und Organismen auswirkt, so dass induzierte oxidative DNA-Schäden möglicherweise nicht mehr ausreichend repariert werden können und es so zur Tumorentstehung in vivo kommt

Use of new approach methods to support chemical read-across: The EU-ToxRisk experience

The large-scale EU-ToxRisk project is an integrated European ‘flagship’ program with the vision to establish a paradigm-shift in toxicity testing and risk assessment for the 21st century by implementing mechanism-based integrated testing strategies using non-animal new approach methods (NAMs). To accomplish this the EU-ToxRisk project has united all relevant scientific disciplines covering in silico QSAR modelling, cellular toxicology, bioinformatics and PBPK modelling. We test the integration of the different NAMs in various case studies, ultimately establishing: (i) pragmatic, read-across procedures incorporating mechanistic and toxicokinetic knowledge; and (ii) ab initio hazard and risk assessment strategies of chemicals with little background information. Here we report on the results of several EU-ToxRisk read across case studies that are focused on repeated dose systemic toxicity (RDT) as well as developmental/reproduction toxicity (DART). The integration of the various NAMs in defined read across case studies allows the assessment of the overall applicability domain and contribution of these NAMs in read across approaches chemical hazard and ultimate risk assessment. Case studies are centred around several chemical groups with structural similarity and related to specific in vivo toxicity endpoints e.g. (i) microvesicular liver steatosis induced by valproic acid analogues; (ii) the prediction of teratogenic effects of valproic acid analogues; (iii) lung toxicity induced by diketones. The results established by our NAM toolbox indicate that structural similar compounds which show equal in vivo rodent toxicity also demonstrate similar responses in experimental systems in vitro. Therefore we propose that the application of NAMs can provide biological support for read across. Further challenges will be discussed

Quality assurance of metabolomics

Metabolomics promises a holistic phenotypic characterization of biological responses to toxicants. This technology is based on advanced chemical analytical tools with reasonable throughput, including mass-spectroscopy and NMR. Quality assurance, however - from experimental design, sample preparation, metabolite identification, to bioinformatics data-mining - is urgently needed to assure both quality of metabolomics data and reproducibility of biological models. In contrast to microarray-based transcriptomics, where consensus on quality assurance and reporting standards has been fostered over the last two decades, quality assurance of metabolomics is only now emerging. Regulatory use in safety sciences, and even proper scientific use of these technologies, demand quality assurance. In an effort to promote this discussion, an expert workshop discussed the quality assurance needs of metabolomics. The goals for this workshop were 1) to consider the challenges associated with metabolomics as an emerging science, with an emphasis on its application in toxicology and 2) to identify the key issues to be addressed in order to establish and implement quality assurance procedures in metabolomics-based toxicology. Consensus has still to be achieved regarding best practices to make sure sound, useful, and relevant information is derived from these new tools.publishe

Identification of Metabolites, Clinical Chemistry Markers and Transcripts Associated with Hepatotoxicity

<div><p>Early and accurate pre-clinical and clinical biomarkers of hepatotoxicity facilitate the drug development process and the safety monitoring in clinical studies. We selected eight known model compounds to be administered to male Wistar rats to identify biomarkers of drug induced liver injury (DILI) using transcriptomics, metabolite profiling (metabolomics) and conventional endpoints. We specifically explored early biomarkers in serum and liver tissue associated with histopathologically evident acute hepatotoxicity. A tailored data analysis strategy was implemented to better differentiate animals with no treatment-related findings in the liver from animals showing evident hepatotoxicity as assessed by histopathological analysis. From the large number of assessed parameters, our data analysis strategy allowed us to identify five metabolites in serum and five in liver tissue, 58 transcripts in liver tissue and seven clinical chemistry markers in serum that were significantly associated with acute hepatotoxicity. The identified markers comprised metabolites such as taurocholic acid and putrescine (measured as sum parameter together with agmatine), classical clinical chemistry markers like AST (aspartate aminotransferase), ALT (alanine aminotransferase), and bilirubin, as well as gene transcripts like Igfbp1 (insulin-like growth factor-binding protein 1) and Egr1 (early growth response protein 1). The response pattern of the identified biomarkers was concordant across all types of parameters and sample matrices. Our results suggest that a combination of several of these biomarkers could significantly improve the robustness and accuracy of an early diagnosis of hepatotoxicity.</p></div

Significantly changed (FDR <0.05) clinical chemistry markers in serum exhibiting absolute fold changes (FC) >2.

<p>Significantly changed (FDR <0.05) clinical chemistry markers in serum exhibiting absolute fold changes (FC) >2.</p

Changes in Mean.

<p>In total 75 parameters were found to be significantly changed between histopathologically negative and positive scored samples (false discovery rate <0.05) and exhibiting fold-changes >2 or <0.5. The average fold-changes of all 75 parameters were calculated with respect to the matching control group and their smoothed distribution is shown for each class. Control group means centered at zero are not shown. Samples which are scored negative and show increased ALT or AST were omitted in the statistical comparison and are shown as separate line in yellow. Their intermediate distribution reassures the validity of this approach and the relevance of the identified parameters.</p