Toxikologie von Aldehyden, aromatischen Aminen und Azofarbstoffen

Toxikologie von
Aldehyden, aromatischen Aminen und
Azofarbstoffen
a.o. Univ.Prof. Dr. Wilfried Bursch
Medizinische Universität Wien
Klinik für Innere Medizin I
Abtl. Institut für Krebsforschung
FE Sicherheit von Chemikalien und Krebsprävention
Tel. ++43-1-4277 65139
e-mail: wilfried.bursch@meduniwien.ac.at
1

Toxikologisch bedeutsame Aldehyde und Ketone
Name Formel Verwendung MAK-Wert (2009)
ml/m³ (ppm)
Formaldehyd H 2 C=O Kunststoffe 0,3 (Kat. 4)
Paraformaldehyd (H 2 C=O) n
Desinfektion
Acetaldehyd H 3 C-HC=O Synthesen von 50
Essigsäure, Butadien
Acrolein H 2 C=CH-HC=O Acryl-Kunststoffe -- (Kat.3B)
Aceton H 3 C-CO-CH 3 Lösungsmittel 500
2-Hexanon H 3 C-CO-(CH 2 ) 3 CH 3 Lösungsmittel 5
2

Akute Wirkungen von Formaldehyd beim Menschen
Schleimhäute:
Reizung, Entzündung, Nekrosen
Atemwege: akute und chronische Entzündung, Lungenödem
orale Zufuhr:
Haut:
Brennen, Würgkrämpfe, Erstickung;
blutiges Erbrechen;
Nekrosen, Magenkontraktur, (⇒ chirurgische Resektion)
Rausch, Benommenheit
Albuminurie (Eiweiß im Harn), Anurie (Harnverhalten)
Hirnödem (Flüssigkeitsaustritt aus den Blutgefäßen ins Gehirn)
Tod (nach 10 – 30 g der 35%igen Lösung)
Reizung, Nekrosen
Sensibilisierung, Kontaktdermatitis
3

Tägliche Formaldehyd-Exposition
Quelle mg
intern Intermediärstoffwechsel 58.000
extern mit der Nahrung 560
1 Orange 60
1 Tasse Kaffee 30
Atmung (0,2 ppm, 24 Stunden) 5
Natürlicher Gehalt von Formaldehyd in verschiedenen
Geweben: 0,05 - 0,5 µmol/g
Waddell, The Science of Toxicology and its Relevance to MCS. Reg Toxicol and Pharmacol 18, 13-22 (1993)
4

Endogene Entstehung von Formaldehyd Beispiel:
Metabolismus von Koffein
H3C
O
N
O
3
2
1
4 5
6
N
CH3
CH3
N
7 8
9
N
Koffein
(1,3,7-Trimethylxanthin)
H
O
N
O
3
2
1
4 5
6
N
CH3
CH3
N
7 8
9
CYP1A2
-H 2 CO
N
Theobromin
(1,7-Dimethylxanthin)
H 3C
O
N
O
N
H
CH 3
N
N
1,7-Dimethylxanthin
(1,7DMX)
CYP1A2
-H 2 CO
H3C
O
N
O
3
2
1
4 5
6
N
CH3
H 3C
H
N
O
N
O
N
H
H
N
N
1-Methylxanthin
(1MX)
7 8
9
N
Theophyllin
(1,3-Dimethylxanthin)
5

Toxikokinetik und
Wahrscheinlichkeit
der Schädigung
durch Formaldehyd
1
Zellmembran
2
3
Hemmung durch starke Irritation
des Geruchsinnes
4
Hemmung der muco-ziliären
Reinigungsmechanismen
5
Metabolismus und Abbau;
Bindung an Makromoleküle
Kernmembran
6
DNA-Protein
Vernetzungen
DNA-Reparatur
6

HCHO
+ GSH
Was macht die Zelle mit Formaldehyd?
+R1 NH2
THF / ALDH
T1/2 ungefähr 1,5 min
O
HO CH2 S G C S
H
R1 N C
H
HCOOH
H + R2 NH2
R1
R2
NH
NH
THF
CH2
G
C 1-pool
T1/2 ungefähr 1,5 min CO2
Glutathion = GSH
Proteinvernetzung Denaturierung, Zytotoxizität
O
O -
C
+ H3N
C
H
O
H
N
CH2
SH
eventuell
Azidose
γ-glutamyl-cysteinyl-glycin
(ALDH= Aldehyddehydrogenase; THF=Tetrahydrofolsäure, C1-Überträger im Intermediärstoffwechsel)
O
H
N
H
C
O
O -
7

Protein-DNA-Quervernetzungen
In der vorderen Nasenschleimhaut und in den Nasenhöhlen
pmol H 2CO / mg DNA / Stunde
20
15
10
5
0
(aus Heck et al. Crit.Rev.Tox. 20,397,1990)
Ratte
Rhesusaffe
0 1 2 3 4 5 6
H2CO (ml/m³ = ppm)
8

Kanzerogenität von Formaldehyd: Inhalationsstudie
% Ratten mit Tumoren
50
40
30
20
10
0
0
0/236 2/235
103/232
(Kerns et al. Cancer Res. 43,4382,1983)
2 5,6 10 14,3 30 ppm
Dosis-Wirkungs-Beziehung:
nicht-linearer Verlauf ⇒ Schwellendosis existent
9

Erhöhte Zellteilung im Riechepithel von Ratten bei
Formaldehyd-Exposition
% Zellen in DNA Synthese
10
8
6
4
2
0
(Swenberg et al. in: Clary, Formaldehyde, 1983)
0 2 3 6 1012 30
Formaldehydkonzentration (ppm = ml/m 3 )
Cytotoxizität von FA führt zu Nekrosen
Absterbendes Gewebe wird durch
Regeneration ersetzt:
DNA-Synthese, Mitosen, Zellteilung
Proliferierende Zellen haben ein
erhöhtes Risiko für
- weitere Mutationen
- für Wachstum von initiierte Zellen
10

Epidemiologie von Formaldehyd
• mehr als 25 Studien von verschiedener Qualität
• im allgemeinen negativ oder fragwürdig
• einige Tumoren außerhalb des Atemtrakts dokumentiert
(z.B. lymphatisch/haematopoetisch; Gehirn; Colon; Haut; Nieren)
aber: biologisch nicht plausibel
• einige Studien bisher nicht schlüssig
wegen Mehrfachexpositionen (Holzstäube, Metalldämpfe)
Tabakrauchen nicht berücksichtigt.
Jedoch Hinweise auf Tumoren des Atemtraktes (z.B.: Nase, Pharynx)
Neuere Ergebnisse (5 von 7 Fall-Kontroll Studien) :
Erhöhtes Risiko für Tumoren des Nasen-Rachenraumes
(IARC 2004)
11

Zusammenfassung: Kanzerogenität
Tests auf Kanzerogenität Ergebnis
Ratte +*
Maus +
Goldhamster -
Mensch (epidemiol.) +
(*nur bei hohen, toxischen Dosen: 14,3 ppm und
vorausgehenden, schweren Gewebeschäden)
Tests auf Gentoxizität Ergebnis
in vitro positiv
in vivo negativ
(IARC 2004):
Tier: “sufficient” Mensch: “sufficient”
12

Aromatische Amine und Azofarbstoffe
13

Intoxikation mit Methämoglobinbildung
Verschlucken von Fingernagellack
Fallbericht:
Ein 5 Monate altes Kleinkind wurde versehentlich von seinem
6 J alten Geschwister mit ca 30 ml einer Fingernagellacklösung gefüttert.
Das Produkt riecht stark und enthält Acrylester Monomere und
einen starken Methämoglobinbildner: N,N-Dimethyl-p-Toluidin
H3C
N
Rasche Aufnahme in die Notfallambulanz:
Symptome:
Atemnot, sehr starkes Sabbern, Schreien
Puls: 192 /Min
Atmung: 40 /Min
Blutdruck: 136/67 mm Hg
Behandlung: Sauerstoffgabe
Methämoglobin: Nach 1 Stunde: 11% // nach 2 Tagen: 0,5%
CH3
CH3
14

Toxizität von aromatischen Aminen und Nitroverbindungen
Gluconat-6-P
Glucose-6-P
NADPH +
NADP +
Glucose-6-phosphatdehydrogenase
Nitrobenzol
Physiologische Reduktion des Methämoglobin zu Hämoglobin
Diaphorase
Anilin
Hb Fe + 3 OH -
Methämoglobin
Hb Fe + 2
NHOH
Phenylhydroxylamin
Oxidation
Interaktion von aromatischen Aminoverbindungen und
Nitroverbindungen führt zur Methämoglobinbildung.
NO2
Reduktion
NO
NH2
O 2
15

Die Chemie des Haarfärbens (1)
H 2 N
NH
C
CH 3
NH 2
MAGENTA und CI BASIC RED 9
.HCL
(aus Reichl, Taschenatlas der Toxikologie, Thieme, 1997)
16

Die Chemie des Haarfärbens (2)
(aus Reichl, Taschenatlas der
Toxikologie, Thieme, 1997)
17

Warum sind einige Komponenten toxisch?
Wichtige Kontaktallergene
H 2N
NH 2
1,4-Diaminobenzol
(p-Phenylendiamin, PPD)
H 2C
HC
H2C
OH
OH
O C CH 2 SH
Thioglycolsäure-
glycerylester
Bei positivem Haut-Tests (Epikutan-Klebe-Test),
allergische Reaktion auf PPD.
Bei folgendem Hautkontakt auch nur mit Spuren
kann sich ein Kontaktekzem entwickeln.
Einige aromatische Amine sind stark sensibilisierend
O
18

Paraphenylendiamin, Verwendung
PPD und verwandte Stoffe werden als dunkle Pigmente (schwarz,
braun, blau) zum Färben von Haaren, Leder und Pelzen verwendet.
Dies sind Permanentfarben,
d.h. die Farbe wird durch die Haarwäsche nicht entfernt.
PPD und verwandte Stoffe werden außerdem gebraucht
bei der Herstellung bestimmter Erdölprodukte,
in photographischen Entwicklern,
in der Gummiindustrie,
als Farbstoffe in bestimmten Druckfarben,
bei der Herstellung von Azofarbstoffen und
als Laborreagens für bestimmte Blutanalysen.
19

Paraphenylendiamin, Risikotätigkeiten
Vor allem Friseure/innen (Haarfärben)
Färber
Kürschner
Weitere mögliche Kontakte bei
Photographen,
Typographen,
medizinischem Laborpersonal
und in der Chemie.
Viele Friseure führen vor der Färbung eine Anwendungsprobe
mit dem Farbstoff hinter dem Ohr durch, um Allergien bei Kunden
zu erkennen.
PPD wird zunehmend durch verwandte Substanzen ersetzt,
die jedoch auch sensibilisieren können.
20

Paraphenylendiamin und verwandte Substanzen
Die folgenden Stoffe können senisbilisieren:
H2N NH2
H2N NH2 H2N NH2 p-Phenylendiamin
CH3
NO2
p-Toluendiamin o-Nitro-p-Phenylendiamin
Die folgenden Stoffe können Kreuzreaktionen hervorrufen:
H 2N C
OH
O
H 2N C
p-Aminobenzoesäure p-Aminosalicylsäure
OH
OH
O
21

Kanzerogene aromatische Amine
AROMATISCHE AMINE = ARYLAMINE
Beim Menschen kanzerogen wirkende Substanzen:
Zyklische Kohlenstoffketten (Ringsysteme) mit
exozyklischen Aminogruppen
Keine natürlichen Substanzen
Häufigstes Vorkommen in der synthetischen Chemie für
Farbstoff- und Arzneimittelherstellung
22

Kanzerogene aromatische Amine: Historie
Tumorigenität beim Menschen
REHN (Betriebsarzt bei Badische Anilin und Sodafabrik, BASF)
1895 und 1904: zuerst nur 3 Fälle eines seltenen Blasenkarzinoms
Später Fallstudien von 23 Arbeitern mit Blasentumoren in der
Farbstoffproduktion: Magenta (Fuchsinfarbstoff) und andere.
Da Anilin der gemeinsame Ausgangsstoff war, vermutete REHN, dass
die Ausscheidung über den Harn in irgendeiner Form für die
Tumorbildung verantwortlich sei.
Gleiche Beobachtungen in anderen Ländern.
Aber: Reines Anilin ist nicht kanzerogen beim Menschen
23

Harnblasenkanzerogenität von aromatischen Aminen
% Arbeiter mit Blasenkrebs Exposition
100
> 5 Jahre
80
60
40
20
Expositionsdauer und Latenzzeit
0
0 5 10 15 20 25 30
Latenzzeit (Jahre)
4 Jahre
2 Jahre
< 1 Jahr
24

Kanzerogene aromatische Amine: Substanzen
Vorkommen:
Tabakrauch Tabakrauch
H2N
NH2 NH 2
NH2
H3C CH3
N
2-Naphthylamin Benzidin 4-Aminobiphenyl N,N-Dimethylamino-
azobenzol
(Buttergelb)
Harnblasenkrebsrisiko am Arbeitsplatz:
200 55 > 200
N
N
25

Verwendung von aromatischen Aminen
Ehemals auch Verwendung von Naphthylamin (1-NA
und 2-NA), Benzidin und 4-Aminobiphenyl in der
Gummiindustrie.
1-NA und 2-NA als Vernetzungsmittel
Benzidin zur Herstellung von Hochpolymeren und von
hitze- und lichtresistenten Fasern.
BENZIDIN war auch Bestandteil analytischer Reagenzien.
Es hat bei Krankenschwestern (Test auf okkultes Blut)
zu Harnblasentumoren geführt.
26

Kanzerogenität von aromatischen Aminen
Organ- und Speziesspezifität:
Benzidin 2-Naphthylamin 2-Acetylaminofluoren
Maus Leber Leber, Blase
Ratte Leber Blase (schwach) Leber
Kaninchen Blase (schwach)
Hund Blase (schwach)
Mensch Blase (stark) Blase (stark)
27

Toxizität von Azofarbstoffen
4-Dimethylaminoazobenzol
ist im Tierversuch kanzerogen
4'
3' 2'
5' 6'
2 3
N N N
6 5
wurde bis 1937 für das Färben von Margarine verwendet: „Buttergelb“
Farbe für Autoschmierfett, Benzin, Schuhcreme
Farbe in Haarpomaden
CH 3
CH 3
(alle noch 1962 in Verwendung)
28

4'
3' 2'
5' 6'
N N N
4-dimethylaminoazobenzol
(Buttergelb)
1. N-Demethylierung
H
- C O
H
2 3
6 5
N N N
2. N-Demethylierung
H
- C O
H
Metabolische Aktivierung von
N,N-Dimethylaminoazobenzol
CYP
CYP
CH 3
CH 3
CH3
H
N N NH 2
Aminoxidase
(Flavoprotein)
N-Acetylierung
4'
3' 2'
5' 6'
N N N
2 3
N N N
6 5
CH 3
OH
CH3
COCH3
29

Toxizität von Azofarbstoffen
Es ist in der Regel die aromatische Amin Komponente,
die bei Azofarbstoffen die Toxizität verursacht:
Methämoglobinbildung
Kanzerogenität
30

Azofarbstoffe auf Basis von Benzidin
NaO 3S
H2N
NH 2 OH
N N N N
SO 3Na
Direkt Blau 6
Direkt Schwarz 38
N N N N
Direkt Braun 95
NaO3S
HO
OH
NH 2
NaOOC OH N N
HO
NH 2
N N N N
NaO3S
NH2
OH N N
HO
SO 3Na
SO 3Na
SO 3Na
31

Gesetzliche Regelungen zur Einfuhr und zum
Vertrieb von Textilien (BRD)
Verbotene Azofarbstoffe
Nach Anlage 1 Nr. 7 der Bedarfsgegenständeverordnung
handelt es sich bei den verbotenen Azofarbstoffen um solche,
die durch Aufspaltung einer oder mehrerer Azogruppen eines
der nachfolgenden Amine bilden können.
Ausgenommen sind Pigmente, bei denen nach der in Anlage 10
Nr. 7 angegebenen Methode (aus der amtlichen Sammlung von
Untersuchungsverfahren nach § 35 LMBG B-82.02) keine der
nachstehend angeführten Amine durch Spaltung einer oder
mehrerer Azogruppen nachgewiesen werden können.
(s. Ergänzungen)
32

Verbotsliste von Azofarbstoffen für Textilien (BRD)
Amin CAS-Nr. Amin CAS-Nr.
4-Aminodiphenyl 92-67-1 3,3´-Dimethoxybenzidin 119-90-4
Benzidin 92-87-5 3,3´-Dimethylbenzidin 119-93-7
4-Chlor-o-toluidin 95-69-2 3,3´´-Dimethyl-4,4´-diamino
diphenylmethan
838-88-0
2-Naphthylamin 91-59-8 p-Kresidin 120-71-8
o-Aminoazotoluol 97-56-3 4,4´-Methylen-bis-(2-chlor 101-14-4
anilin)
2-Amino-4-nitrotoluol 99-55-8 4,4´-Oxydianilin 101-80-4
p-Chloranilin 106-47-8 4,4´-Thiodianilin 139-65-1
2,4-Diaminoanisol 615-05-4 o-Toluidin 95-53-4
4,4´-Diaminodiphenylmethan 101-77-9 2,4-Toluylendiamin 95-80-7
3,3´-Dichlorbenzidin 91-94-1 2,4,5-Trimethylanilin 137-17-7
33

para-CHLORANILIN Vorstufe für Textilfarbstoffe
und Pharmazeutika
HC BLUE NO. 1 semi-permanentes
Haarfärbemittel
CI BASIC RED 9 Textil-, Druckerfarbe
in Toilettartikeln, Seife
Arzneimitteln
Farbfotographie
CI DIRECT BLUE 15
Textil-, Papierfarbstoff,
in Farbfilmmaterial
Einige Farbstoffe und -komponenten
Alle mit ausreichender Evidenz für Kanzerogenität im Tier:
IARC Gruppe 2B
NaO 3 S
H 2 N OH
N
CH 3 O
N
SO 3 Na
H
H 3 C
H 2 N
Cl NH 2
N
NO 2
OCH 3
N N
NH
C
NaO 3 S
N
CH 2 CH 2 OH
CH 2 CH 2 OH
HO
CH 3
NH 2
NH 2
.HCL
SO 3 Na
34

Strukturelle Voraussetzungen für Kanzerogenität (1)
7
6
8
5
1
4
3
2-Naphthylamin
NH2
NH 2
2-Anthramin 4-Aminobiphenyl
Naphthalen Anthracen Biphenyl
NH 2
1-Naphthylamin
nicht kanzerogen
H2N
2
Benzidin
3
4
NH2
NH2
Ist als Druckrey‘s „Para-Regel“ bekannt geworden;
gilt jedoch nicht immer streng.
k
a
n
z
e
r
o
g
e
n
35

Strukturelle Voraussetzungen für Kanzerogenität (2)
2-Fluorenamin
NH2
H 2N
Fluoren Phenanthren
N N NH2
2-Phenanthrylamin 4-Aminoazobenzol
N N
Azobenzol
36

Metabolische Aktivierung von 2-Naphthylamin
2-Naphthylamin
CYP 1A2 NADPH
O2
NH2
N OH
H
N OH
H
NAT1
NAT2
Acetyl-CoA
BLUT
BLASE
H
N
C CH3
O
Ausscheidung
Langsame Acetylierer:
wenig NAT2, geringere Entgiftung
erhöhtes Harnblasenkrebsrisiko
37

Metabolische Aktivierung von 2-Naphthylamin
NAT1
N OH
H
N O
H
BLUT
C CH3
O
BLASENEPITHEL
BLASE
+ H+ + H2O
CH3COO -
DNA-Addukt
N H
N H
H
N
dR
N
N
O
N
N
H
NH2
38