DNA-Schädigungen durch polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) finden sich am Arbeitsplatz, in der Umwelt und im Haushalt. Das BGFA untersucht auf Anregung und in Zusammenarbeit mit mehreren Berufsgenossenschaften in zwei Forschungsprojekten mögliche Schädigungen des Erbmaterials DNA bei Arbeitern, die gegenüber PAK exponiert sind.

Tab. 1: Übersicht über die im Rahmen des Projektes Tox 1 gemessenen Parameter

In einem zweiten Projekt (Chemisch-irritative Wirkung von Gussasphaltdämpfen auf die Atemwege, Imm 13), wurde bei Beschäftigten, die gegenüber Dämpfen und Aerosolen aus Bitumen exponiert waren, zusätzlich der Zusammenhang zwischen äußerer und innerer Exposition sowie gentoxischen Effekten untersucht. Hintergrund hierfür war, dass bei der Heißverarbeitung von Bitumen PAK-haltige Dämpfe und Aerosole freigesetzt werden können. Dieses Pilotprojekt wird nun als "Humanstudie Bitumen", an der alle Kompetenz-Zentren des BGFA beteiligt sind, weitergeführt.

Ziel beider Projekte war es zum einen, die Exposition von Beschäftigten durch Luftmessungen und Biomonitoring zu erfassen. Zum anderen sollte mit verschiedenen Verfahren untersucht werden, ob und in welchem Ausmaß diese Exposition zu Effekten auf die DNA führt. Dazu mussten neue analytische bzw. molekularbiologische Verfahren zur Erkennung erster biologischer Effekte und veränderter Strukturen entwickelt oder am BGFA etabliert werden. Die Ergebnisse der Studien sollten zusätzliche Informationen für die Früherkennung und Beurteilung von Gesundheitsstörungen von PAK-exponierten Berufskollektiven liefern.

In nahezu allen Teilprojekten wurden nicht- exponierte Arbeiter als Kontrollgruppen untersucht. Bei der statistischen Auswertung wurden auch die Einflüsse des Alters, des Rauchverhaltens, der ethnischen Abstammung und der Industriezweige auf die Ergebnisse berücksichtigt.

Abb. 1: Strukturformeln verschiedener polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (Für eine vergrößerte Darstellung bitte auf das Bild klicken.)

Schädigungen der DNA aus weißen Blutzellen (in Form von Einzel- und Doppelstrangbrüchen oder alkalilabilen Stellen) wurden mit dem so genannten 'Comet-Assay' (alkalische Einzelzell-Mikrogelelektrophorese) gemessen. Das unspezifische DNA-Addukt 8-Oxo-7,8-dihydro-2´-deoxyguanosin (8-OxodGuo; 8-OH-dG) wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und elektrochemischer Detektion (HPLC-ECD) bestimmt. Zusätzlich wurde im Rahmen des Projektes ein Verfahren etabliert, das die Messung eines spezifischen DNA-Adduktes von Benzo[a]pyren (B[a]P) (anti-Benzo[a]pyrendiolepoxid(anti-BPDE)-DNA-Addukt) mittels zweidimensionaler HPLC und Fluoreszenz-Detektion (2D-HPLC-FLD) erlaubt. Es wurden die Konzentrationen von 16 ausgewählten PAK (EPA-PAK) am Arbeitsplatz in der Luft sowie die Konzentrationen der Metabolite (Abbauprodukte) der PAKs Pyren (1-Hydroxypyren, 1-OH-P) und Phenanthren (Summe aus 1-, 2+9-, 3- und 4-Hydroxyphenanthren, OH-Ph) im Urin gemessen.

Zusätzlich konnten signifikante Zusammenhänge zwischen der DNA-Strangbruchrate und dem Ausmaß der Bildung von 8-OxodGuo-Addukten gefunden werden. Die Bildung von 8-OxodGuo kommt damit als eine wichtige Ursache für das Entstehen der DNA-Strangbrüche in Betracht. Dies deutet wiederum darauf hin, dass PAK nicht nur über die Bildung spezifischer DNA-Addukte (z. B. derjenigen des B[a]P) sondern auch unter Beteiligung reaktiver Sauerstoffradikale (oxidativer Stress) gentoxisch wirken können.

Abb. 3: Rangfolge der mittleren Konzentration der PAK-Metabolite im Urin in verschiedenen Gewerken (1-OH-P = 1-Hydroxypyren, ∑ OH-Ph = Summe der gemessenen Hydroxyphenanthrene)

Bei der Auswertung der Ergebnisse des Biologischen Monitorings zeigten sich signifikant höhere Konzentrationen an PAK-Abbauprodukten im Urin bei exponierten Personen. Dabei nahm die Ausscheidung signifikant mit der Luftbelastung zu. Alter und Nationalität hatten auf beide Parameter keinen Einfluss, während aktuelle Raucher gegenüber Nichtrauchern signifikant höhere Konzentrationen an Metaboliten im Urin aufwiesen. Auch hinsichtlich der Urinparameter bestanden signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Gewerken, wie sie bereits für die Parameter der Gentoxizität beobachtet werden konnten. Es ergab sich folgende Reihenfolge für die Konzentration des Biomarkers 1-OH-P im Urin: Graphitelektrodenbau > Konverterbetriebe > Feuerfestprodukte > Kokereiarbeiter > Kontrollen. Für die Konzentration der Summe der Metabolite des Phenanthrens im Urin (OH-Ph) eine andere Reihenfolge: Konverterbetriebe > Feuerfestprodukte > Graphitelektrodenbau > Kokereiarbeiter > Kontrollen (Abb. 3).

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die einzelnen PAKs in verschiedenen Gewerken in einem unterschiedlichen Konzentrationsverhältnis vorliegen und damit zu einer unterschiedlichen Gefährdung führen können. Auch zwischen den Markern der inneren Dosis im Urin (1-OH-P und OH-Ph) und den gentoxikologischen Parametern (DNA-Strangbruchrate und DNA-Addukte) konnte ein Zusammenhang festgestellt werden.

Insgesamt weisen die Daten auf eine höhere Gefährdung der Arbeiter bei einer PAK-Exposition im Graphitelektrodenbau hin. Dies konnte vor kurzem auch durch Merlo et al. (1) in Italien gezeigt werden. Die Autoren führten die höhere Krebsrate und Mortalität bei den Graphitelektrodenherstellern aber auch auf eine zusätzliche Quarzsand-Exposition zurück. Auch wir gehen davon aus, dass das in unserer Studie ermittelte höhere gentoxische Potenzial bei Graphitelektrodenherstellern in Form des 8-OxodGuo und der DNA-Strangbrüche in weißen Blutzellen möglicherweise nicht ausschließlich durch eine PAK-Exposition verursacht wurde, sondern durch zusätzliche Faktoren wie Asbest, Quarz oder Metallexposition moduliert worden sein könnte. Von den PAK spielt insbesondere das B[a]P eine wichtige Rolle, da es sich hierbei um ein sehr gut untersuchtes stark kanzerogenes PAK handelt. In 69 Proben exponierter Arbeiter wurde deshalb zusätzlich ein spezifisches DNA-Addukt des B[a]P, das so genannte anti-BPDE, in weißen Blutzellen gemessen. Die ermittelten Werte lagen zwischen < 0,5 Addukte/108 Nukleotide und 41,1 Addukten/108 Nukleotiden. Die Resultate stehen in guter Übereinstimmung mit bisher veröffentlichten Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen (2). Es konnte hier allerdings kein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen der Konzentration an B[a]P in der Luft und den BPDE-DNA-Addukten gefunden werden.

Abb. 2: Wartungsarbeiten an einer Koksofendecke der inzwischen stillgelegten Kokerei August Thyssen (mit freundlicher Genehmigung von Dr. Scherenberg, AMD der BG Bau).

Insgesamt spiegeln die Messungen des spezifischen Adduktes des B[a]P niedrige Konzentrationen von B[a]P in der Luft an unterschiedlichen Arbeitsplätzen wider. Diese Ergebnisse müssen aufgrund der geringen Probandenzahl allerdings mit Vorbehalt betrachtet werden.

Abb. 4: Beschäftigte beim Aufbringen einer Gussasphaltdecke

Die Ergebnisse zeigen, dass Bitumen-exponierte Arbeiter auch gegenüber PAK exponiert sind, die Halbwertszeit der Urinmetabolite jedoch so kurz ist, dass zu Beginn der Schicht vergleichbare Ausgangswerte bei den exponierten und bei den nicht-exponierten Personen sowohl für 1-OH-P als auch für die Summe der OH-Ph vorliegen.

Bei der Betrachtung der Biomarker des Effekts wiesen die gegenüber Bitumen exponierten Personen sowohl vor als auch nach der Schicht im Vergleich zur Kontrollgruppe höhere Konzentrationen an 8-OxodGuo auf, wobei die Unterschiede nur vor der Schicht signifikant waren. Der Anstieg an 8-OxodGuo während der Schicht war sowohl für die exponierten Personen als auch für die Kontrollpersonen signifikant. Es bestand jedoch kein Zusammenhang mit der äußeren Exposition (Dämpfe und Aerosole von Bitumen in der Luft) und mit der inneren Exposition (PAK-Metabolite im Urin). Raucherstatus, Alter und Nationalität hatten keinen Einfluss auf die Höhe der 8-OxodGuo-Konzentrationen in den weißen Blutzellen. Die im Comet-Assay bestimmten DNA-Strangbruchraten lagen bei den exponierten Arbeitern sowohl vor als auch nach der Schicht signifikant höher als in der Kontrollgruppe. Nach der Arbeitsschicht war die DNA-Strangbruchfrequenz in beiden Gruppen leicht erniedrigt. Die Unterschiede waren jedoch nicht statistisch signifikant. Ebenso wie bei den DNA-Addukten hatten der Raucherstatus, das Alter und die Nationalität keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchfrequenz. Es konnte keine Assoziation zwischen den DNA-Addukten und den DNA-Strangbruchfrequenzen sowohl vor als auch nach der Schicht festgestellt werden.

In einem Teilkollektiv der Bitumen-Arbeiter (n = 37) wurden die Raten spezifischer DNA-Addukte (anti-BPDE) vor und nach der Schicht bestimmt und mit der äußeren Belastung (Dämpfe und Aerosole von Bitumen in der Luft) sowie der inneren Belastung (1-OH-P im Urin) verglichen. Die anti-BPDE-DNA-Adduktraten weisen auf keine bzw. eine mit den hier eingesetzten Methoden nicht nachweisbare, sehr niedrige B[a]P-Exposition über die Dämpfe und Aerosole von Bitumen hin. Die im untersuchten Kollektiv gemessenen spezifischen B[a]P-Adduktraten stehen in Übereinstimmung mit den in der Literatur beschriebenen Werten bei Bitumen-exponierten Arbeitern (3) und sind auch ähnlich denjenigen, die nach PAK-Exposition gefunden werden. Dies lässt den Schluss zu, dass es nur eine geringe berufliche Exposition gegenüber B[a]P gibt.

Dennoch bleibt die Frage bestehen, welche Gründe es für die höheren DNA-Strangbruchraten bei Bitumen-exponierten Personen gibt, die in dieser Studie klar nachgewiesen werden konnten. Da eine Exposition gegenüber PAK bei Bitumen-exponierten Arbeitern von untergeordneter Bedeutung zu sein scheint und kein Zusammenhang zwischen 8-OxodGuo und DNA-Strangbrüchen besteht, sollten im Falle von Bitumen die höhere Menge an DNA-Strangbrüchen nicht direkt durch PAK-verursachten oxidativen Stress induziert worden sein. Da Bitumen aus vielen verschiedenen Substanzen besteht, rücken damit in zukünftigen Studien vor allem andere Gefahrstoffe (z.B. Stickstoff- und Schwefelverbindungen) in den Mittelpunkt des Interesses, die u. U. ihre DNA-schädigende Wirkung über spezifische DNA-Addukte entfalten.

Bis 2007 werden weitere Untersuchungen an insgesamt 450 Personen mit Exposition gegenüber Dämpfen und Aerosolen bei der Heißverarbeitung von Bitumen und 150 Kontrollpersonen im so genannten "Cross-Shift-Design" (Messungen vor und nach der Schicht) durchgeführt. Das Projekt ist ein Verbundprojekt mit dem dem Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin in Erlangen, dem BGIA, der Universität Gießen, dem Fraunhofer-Institut in Hannover (ITEM) sowie dem Institut für Risikoevaluierung der Universität Utrecht in den Niederlanden und wird finanziell und logistisch durch die BG Bau, den HVBG als Träger des BGFA sowie über Drittmittel seitens der Bitumenindustrie gefördert.

1. Merlo DF, Garattini S, Gelatti U, Simonati C, Covolo L, Ceppi M, Donato F. A mortality cohort study among workers in a graphite electrode production plant in Italy Occup Environ Med 2004; 61:1-7
2. Brandt HC, Watson WP. Monitoring human occupational and environmental exposures to polycyclic aromatic compounds. Ann Occup Hyg 2003; 47: 349-378
3. Fuchs J, Hengstler JG, Boettler G, Oesch F. Primary DNA damage in peripheral mononuclear blood cells of workers exposed to bitumen-based products. Int Arch Occup Environ Health 1996; 68: 141-146
4. Marczynski B, Rihs H-P, Rossbach B, Hölzer J, Angerer J, Scherenberg M, Hoffmann G, Brüning T, Wilhelm M: Analysis of 8-oxo-7,8-dihydro-2’-deoxyguanosine and DNA strand breaks in white blood cells of occupationally exposed workers: comparison with ambient monitoring, urinary metabolites and enzyme polymorphisms. Carcinogenesis 2002; 23: 273-281
5. Marczynski B, Preuss R, Mensing T, Angerer J, Seidel A, El Mourabit A, Wilhelm M, Brüning T: Genotoxic risk assessment in white blood cells of occupationally exposed workers before and after altering the PAH profile in the production material: comparison with PAH air and urinary metabolite levels. Int Arch Occup Environ Health 2005; 78: 97-108
6. Mensing T, Marczynski B, Engelhardt B, Wilhelm M, Preuss R, Kappler M, Angerer J, Käfferlein HU, Scherenberg M, Seidel A, Brüning T: DNA adduct formation of benzo[a]pyrene in white blood cells of workers exposed to polycyclic aromatic hydrocarbons. Int J Hyg Environ Health 2005; 208: 173-178