New developments for harmonised risk assessment on emerging chemical hazards: "Chemical mixtures"

Abstract

Multiple chemicals known as “chemical mixtures” are ubiquitous, in our body and in the environment through food, the air, drinking water, while our skin can also be exposed to contaminants in soil and dust. Toxins can enter an organism via single or combined oral, dermal and inhalation routes. Hence, the number of chemicals and their combinations is practically infinite, rendering their assessment a very challenging task. There are numerous studies in the literature demonstrating that chemicals, when administered together, mostly induce additive combined toxicity while antagonistic, potentiation or even synergistic effects are less common; depending on composition, exposure and mode of action (MoA). Thus, combined toxicity should be taken into account when a risk assessment is performed particularly during the risk characterisation step to avoid underestimation of the risk. In recent years, the European Commission has requested further development of methods for the risk assessment of chemical mixtures and has highlighted the importance of identifying data gaps and related uncertainties in our current knowledge. In addition, risk assessment of chemical mixtures is included in recent food safety regulations. Over the years, various national and international scientific advisory bodies as well as regulatory agencies have published reports and guidance documents, addressing the risk assessment of chemical mixtures for human health, animal health and the environment. The present thesis is divided into six chapters, which discuss different aspects of the risk assessment of chemical mixtures. Chapter 1 provides an overview of the methods dealing with risk assessment of combined exposure to chemicals. Chapter 2 reviews available knowledge and data gaps on single and multiple mycotoxins including their co-occurrence in the field, pre- and post-mitigation practices as

well as their toxicokinetics in test species and farm animals. Chapter 3 investigates the relevance of metabolic interactions between human pharmaceuticals and chemicals of relevance to food safety (i.e. pesticides and flavonoids) particularly, concerning enzymes involved in xenobiotic metabolism (phase I, phase II and transporters). This has been specifically addressed through in vitro data collection reporting quantitative inhibition parameters (Ki, IC50, % of inhibition) and extrapolation from in vitro to in vivo kinetics. Chapter 4 provides an analysis of combined toxicity data on binary pesticide mixtures in test species. The analysis focuses on the quantification of the magnitudes of interaction after acute, subacute, sub-chronic or chronic exposure and expressed as a mean effect ratio for single compounds and binary mixtures. Further, this provides a transparent reporting of measured toxicological endpoints as well as a mean to test of the dose dependency of toxicological interactions. In Chapter 5, human exposure to phthalates is estimated using a probabilistic approach and the outcome is then compared with measured phthalate concentrations resulting from a biomonitoring study conducted in Norway. Finally, risk characterisation is performed for single phthalates as well as their combined exposure. Chapter 6 provides a discussion of the methodologies applied in this thesis in comparison to those available in the peer-reviewed literature and, underlines challenges for the risk assessment of combined exposure to chemical mixtures and highlights the need for further work in this area of high relevance to human health, animal health and the environment.

Molteplici sostanze chimiche note come "miscele chimiche" sono onnipresenti, nel nostro corpo e nell'ambiente attraverso il cibo, l'aria, l'acqua potabile, mentre la nostra pelle può anche essere esposta a contaminanti nel suolo e nella polvere. Le tossine possono entrare in un organismo tramite vie orali, cutanee e inalatorie singole o combinate. Pertanto, il numero di sostanze chimiche e le loro combinazioni è praticamente infinito, rendendo la loro valutazione un compito molto impegnativo. Ci sono numerosi studi in letteratura che dimostrano che le sostanze chimiche, quando somministrate insieme, inducono principalmente tossicità combinata additiva mentre gli effetti antagonistici, di potenziamento o anche sinergici sono meno comuni; a seconda della composizione, esposizione e modalità di azione (MoA). Pertanto, la tossicità

combinata dovrebbe essere presa in considerazione quando viene eseguita una valutazione del rischio, in particolare durante la fase di caratterizzazione del rischio, per evitare una sottostima del rischio. Negli ultimi anni, la Commissione Europea ha richiesto un ulteriore sviluppo di metodi per la valutazione del rischio delle miscele chimiche e ha sottolineato l'importanza di identificare le lacune nei dati e le relative incertezze nelle nostre attuali conoscenze. Inoltre, la valutazione del rischio delle miscele chimiche è inclusa nelle recenti normative sulla sicurezza alimentare. Nel corso degli anni, vari organismi di consulenza scientifica nazionali e internazionali e agenzie di regolamentazione hanno pubblicato rapporti e documenti di orientamento, affrontando la valutazione del rischio delle miscele chimiche per la salute umana, la salute degli animali e l'ambiente. La presente tesi è suddivisa in sei capitoli, che discutono diversi aspetti della valutazione del rischio delle miscele chimiche. Il capitolo 1 fornisce una panoramica dei metodi relativi alla valutazione del rischio dell'esposizione combinata a sostanze chimiche. Il Capitolo 2 esamina le conoscenze disponibili e le lacune nei dati su micotossine singole e multiple, inclusa la loro co-occorrenza sul campo, le pratiche di pre e post-mitigazione, nonché la loro tossicocinetica nelle specie sperimentali e negli animali da allevamento. Il capitolo 3 indaga la rilevanza delle interazioni metaboliche tra i farmaci umani e le sostanze chimiche rilevanti per la sicurezza alimentare (cioè pesticidi e flavonoidi) in particolare, riguardo agli enzimi coinvolti nel metabolismo xenobiotico (fase I, fase II e trasportatori). Ciò è stato affrontato in modo specifico attraverso la raccolta di dati in vitro che riportano i parametri di inibizione quantitativa (Ki, IC50,% di inibizione) e l'estrapolazione dalla cinetica in vitro a quella in vivo. Il capitolo 4 fornisce un'analisi dei dati di tossicità combinati sulle miscele binarie di pesticidi nelle specie di prova. L'analisi si concentra sulla quantificazione delle grandezze di interazione dopo esposizione acuta, subacuta, subcronica o cronica ed espressa come rapporto di effetto medio per singoli composti e miscele binarie. Inoltre, ciò fornisce una comunicazione trasparente degli endpoint tossicologici misurati nonché un mezzo per testare la dipendenza dalla dose delle interazioni tossicologiche. Nel Capitolo 5, l'esposizione umana agli ftalati viene stimata utilizzando un approccio probabilistico e il risultato viene quindi confrontato

con le concentrazioni misurate di ftalati risultanti da uno studio di biomonitoraggio condotto in Norvegia. Infine, la caratterizzazione del rischio viene eseguita per singoli ftalati e per la loro esposizione combinata. Il capitolo 6 fornisce una discussione delle metodologie applicate in questa tesi rispetto a quelle disponibili nella letteratura peer-reviewed e, sottolinea le sfide per la valutazione del rischio di esposizione combinata a miscele chimiche e sottolinea la necessità di ulteriore lavoro in quest'area di grande rilevanza per la salute umana, la salute degli animali e l'ambiente.