Anika Engel

• Humans are frequently exposed to a variety of endocrine disrupting chemicals (EDCs), which can cause harmful effects, e.g. disturbance of growth, development and reproduction, and cancer (UBA, 2016). EDCs are often components of synthetically manufactured products. Materials made of plastics, building materials, electronic items, textiles or cosmetic products can be particularly contaminated (Ain et al., 2021). One group of EDCs that has gained increased interest in recent years is phthalates. They are used as plasticizers in plastic materials to which people are daily exposed to. Phthalate plasticizers exert their harmful effects among others via activation of the estrogen receptor α (ERα), the estrogen receptor β (ERβ) and via inhibition of the androgen receptor (AR). Some phthalates have already been classified by the EU as Cancerogenic-, Mutagenic-, Reprotoxic- (CMR) substances and their use in industry has been restricted. After oral ingestion, phthalates are metabolized and are finally excreted with the urine. NumerousHumans are frequently exposed to a variety of endocrine disrupting chemicals (EDCs), which can cause harmful effects, e.g. disturbance of growth, development and reproduction, and cancer (UBA, 2016). EDCs are often components of synthetically manufactured products. Materials made of plastics, building materials, electronic items, textiles or cosmetic products can be particularly contaminated (Ain et al., 2021). One group of EDCs that has gained increased interest in recent years is phthalates. They are used as plasticizers in plastic materials to which people are daily exposed to. Phthalate plasticizers exert their harmful effects among others via activation of the estrogen receptor α (ERα), the estrogen receptor β (ERβ) and via inhibition of the androgen receptor (AR). Some phthalates have already been classified by the EU as Cancerogenic-, Mutagenic-, Reprotoxic- (CMR) substances and their use in industry has been restricted. After oral ingestion, phthalates are metabolized and are finally excreted with the urine. Numerous toxicological studies exist on phthalates, but mainly with the parent substances, not with their primary and secondary metabolites. In the course of the restriction of phthalates by the EU, the phthalate-free plasticizer di-isononylcyclohexane-1,2-dicarboxylate (DINCH®), was introduced to the market. So far, almost no toxicologically relevant properties have been identified for DINCH®. However, the effects of DINCH® have only been studied in animal experiments and, as with phthalates, almost exclusively with the parent substance. However, toxic effects of a particular compound may be induced by its metabolites and not by the parent compound itself. Therefore, potential endocrine effects of 15 phthalates, 19 phthalate metabolites, DINCH®, and five of its metabolites were investigated using reporter gene assays on the ERα, ERβ, and the AR. In addition, studies of the influence of some selected plasticizers on peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) and peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) activity were performed. Furthermore, a H295R steroidogenesis assay was performed to determine the influence of DINCH® and its metabolites on estradiol or testosterone synthesis. Analysis of the experiments shows that the phthalates either stimulated or inhibited ERα and ERβ activity and inhibited AR activity, whereas the phthalate metabolites did not affect the activity of these human hormone receptors. In contrast, metabolites of di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) stimulated transactivation of the human PPARα and PPARγ in analogous reporter gene assays, although DEHP itself did not activate these nuclear receptors. Therefore, primary and secondary phthalate metabolites appear to exert different effects at the molecular level compared to the parent compounds. Similarly, the results showed that the phthalate-free plasticizer DINCH® itself did not affect the activity of ERα, ERβ, AR, PPARα and PPARγ, while the DINCH® metabolites were shown to activate all these receptors. In the case of AR, DINCH® metabolites mainly enhanced AR activity stimulated by dihydrotestosterone (DHT). In the H295R steroidogenesis assay, neither DINCH® nor any of its metabolites affected estradiol or testosterone synthesis. Primary and secondary metabolites of DINCH® thus exert different effects at the molecular level than DINCH® itself. However, all these in vitro effects of DINCH® metabolites were observed only at high concentrations, which were about three orders of magnitude higher than the reported DINCH® metabolite concentrations in human urine. Therefore, the in vitro data does not support the assumption that DINCH® or any of the metabolites studied could have significant endocrine effects in vivo at relevant exposure levels in humans. Following the demonstration of direct and indirect endocrine effects of the studied plasticizers, a new effect-based in vitro 3D screening tool for toxicity assays of non-genotoxic carcinogens was developed using estrogen receptor-negative (ER-) MCF10-A cells and estrogen receptor-positive (ER+) MCF-12A cells. This arose from the background that breast cancer is the most common cancer occurring in women and estrogenic substances, such as phthalates, can probably influence the disease. The human mammary epithelial cell lines MCF-10A and MCF-12A form well-differentiated acini-like structures when cultured in three-dimensional Matrigel culture for a period of 20 days. The model should make it possible to detect substance effects on cell differentiation and growth, on mammary cell acini, and to differentiate between estrogenic and non-estrogenic effects at the same time. In the present study, both cell lines were tested for their suitability as an effect-based in vitro assay system for non-genotoxic carcinogens. An Automated Acinus Detection And Morphological Evaluation (ADAME) software solution has been developed for automatic acquisition of acinus images and determination of morphological parameters such as acinus size, lumen size, and acinus roundness. Several test substances were tested for their ability to affect acinus formation and cellular differentiation. Human epithelial growth factor (EGF) stimulated acinus growth for both cell lines, while all trans retinoic acid (RA) inhibited acinar growth. The potent estrogen 17β-estradiol had no effect on acinus formation of MCF-10A cells but resulted in larger MCF-12A acini. Thus, the parallel use of both cell lines together with the developed high content screening and evaluation tool allows the rapid identification of the estrogenic and cancerogenic properties of a given test compound. The morphogenesis of the acini was only slightly affected by the test substances. On the one hand, this suggests a robust test system, on the other hand, it probably cannot detect low-potent estrogenic compounds such as phthalates or DINCH®. The advantage of the robustness of the system, however, may be that vast numbers of "positive" results with questionable biological relevance could be avoided, such as those observed in sensitive reporter gene assays.…
• Der Mensch ist häufig einer Vielzahl von endokrin wirksamen Chemikalien (EDCs) ausgesetzt, die schädliche Auswirkungen haben können, z. B. Störungen von Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung sowie Krebs (UBA, 2016). Eine Gruppe von EDCs, die in den letzten Jahren vermehrt an Interesse gewonnen hat, sind die Phthalate. Diese werden als Weichmacher in Kunststoffen verwendet. Einige Phthalate wurden bereits von der EU als Kanzerogene-, Mutagene-, Reproduktionstoxische- (CMR) Stoffe klassifiziert und ihre Verwendung in der Industrie beschränkt. Nach der oralen Aufnahme werden Phthalate metabolisiert und schließlich mit dem Urin ausgeschieden. Für die Phthalate existieren zwar zahlreiche toxikologische Studien, allerdings vorwiegend mit den Ausgangssubstanzen, nicht mit ihren primären und sekundären Metaboliten. Im Zuge der Beschränkung der Phthalate durch die EU wurde der phthalatfreie Weichmacher Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylat (DINCH®), auf den Markt gebracht. DINCH® werden bisher kaum toxikologisch relevante EigenschaftenDer Mensch ist häufig einer Vielzahl von endokrin wirksamen Chemikalien (EDCs) ausgesetzt, die schädliche Auswirkungen haben können, z. B. Störungen von Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung sowie Krebs (UBA, 2016). Eine Gruppe von EDCs, die in den letzten Jahren vermehrt an Interesse gewonnen hat, sind die Phthalate. Diese werden als Weichmacher in Kunststoffen verwendet. Einige Phthalate wurden bereits von der EU als Kanzerogene-, Mutagene-, Reproduktionstoxische- (CMR) Stoffe klassifiziert und ihre Verwendung in der Industrie beschränkt. Nach der oralen Aufnahme werden Phthalate metabolisiert und schließlich mit dem Urin ausgeschieden. Für die Phthalate existieren zwar zahlreiche toxikologische Studien, allerdings vorwiegend mit den Ausgangssubstanzen, nicht mit ihren primären und sekundären Metaboliten. Im Zuge der Beschränkung der Phthalate durch die EU wurde der phthalatfreie Weichmacher Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylat (DINCH®), auf den Markt gebracht. DINCH® werden bisher kaum toxikologisch relevante Eigenschaften zugeordnet. Bislang wurden die Auswirkungen von DINCH® jedoch lediglich in Tierexperimenten untersucht und fast ausschließlich mit der Stamm-Substanz. Aus diesem Grund wurden potentiell endokrine Effekte von 15 Phthalaten, 19 Phthalat-Metaboliten, DINCH® und fünf seiner Metabolite unter Verwendung von Reportergen-Assays auf den ERα, ERβ und den AR untersucht. Zusätzlich wurden Untersuchungen des Einflusses einiger ausgewählter Substanzen auf die Aktivität des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor α (PPARα) und des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor γ (PPARγ) durchgeführt. Weiterhin wurde ein H295R-Steroidogenese-Assay durchgeführt, um den Einfluss von DINCH® und seinen Metaboliten auf die Estradiol- oder Testosteronsynthese zu bestimmen. Die Auswertung der Experimente zeigt, dass die Phthalate entweder die ERα- und ERβ-Aktivität stimulierten oder hemmten und die AR-Aktivität hemmten, während die Phthalatmetaboliten keinen Einfluss auf die Aktivität dieser menschlichen Hormonrezeptoren hatten. Im Gegensatz dazu stimulierten die Metaboliten von Di-(2-ethylhexyl) phthalat (DEHP) die Transaktivierung des humanen PPARα und PPARγ in analogen Reportergen-Assays, obwohl DEHP selbst diese Kernrezeptoren nicht aktivierte. Daher scheinen primäre und sekundäre Phthalatmetaboliten im Vergleich zu den Ausgangsverbindungen unterschiedliche Wirkungen auf molekularer Ebene auszuüben. Ebenso zeigten die Ergebnisse, dass der phthaltfreie Weichmacher DINCH® selbst keinen Einfluss auf die Aktivität von ERα, ERβ, AR, PPARα und PPARγ hatte, während die DINCH®-Metaboliten nachweislich alle diese Rezeptoren aktivierten. Im Falle des AR verstärkten die DINCH®-Metaboliten vor allem die durch Dihydrotestosteron (DHT) stimulierte AR-Aktivität. Im H295R-Steroidogenese-Assay beeinflusste weder DINCH® noch einer seiner Metaboliten die Estradiol- oder Testosteronsynthese. Primäre und sekundäre Metabolite von DINCH® üben demnach auf molekularer Ebene andere Effekte aus als DINCH® selbst. Die hier gewonnenen in vitro-Daten unterstützen die Annahme nicht, dass DINCH® oder einer der untersuchten Metaboliten erhebliche endokrine Wirkungen in vivo bei relevanten Expositionsmengen beim Menschen haben könnten. Nachdem endokrine Wirkungen der untersuchten Weichmacher nachgewiesen werden konnten, wurde ein neues wirkungsbasiertes in vitro 3D-Screening-Tool für Toxizitäts-Tests nicht genotoxischer Karzinogene mit östrogenrezeptor-negativen (ER-) MCF10-A-Zellen und östrogenrezeptor-positiven (ER+) MCF-12A-Zellen entwickelt. Dies geschah aus dem Hintergrund, dass Brustkrebs die häufigste Krebsart bei Frauen ist und östrogene Stoffe wie Phthalate die Krankheit vermutlich beeinflussen können. Die humanen Brustepithelzelllinien MCF-10A und MCF-12A bilden gut differenzierte azinusartige Strukturen, wenn sie in dreidimensionaler Matrigel-Kultur über einen Zeitraum von 20 Tagen kultiviert werden. Das Modell sollte es ermöglichen Substanzeffekte auf die Zelldifferenzierung und das Zellwachstum der Brustzell-Azini zu detektieren und dabei gleichzeitig zwischen östrogenen und nicht östrogenen Effekten differenzieren. Eine Softwarelösung zur automatisierten Acinus Detection And Morphological Evaluation (ADAME) wurde zur automatischen Erfassung von Acinus-Bildern und zur Bestimmung morphologischer Parameter wie Azinus-Größe, Lumengröße und Azinus-Rundheit entwickelt. Eine Reihe von Testsubstanzen wurde auf ihre Fähigkeit getestet, die Azinusbildung und die zelluläre Differenzierung zu beeinflussen. Der humane epitheliale Wachstumsfaktor (EGF) stimulierte das Azinuswachstum für beide Zelllinien, während all-trans-Retinsäure (RA) das Azinuswachstum hemmte. Das starke Östrogen 17β-Östradiol hatte keinen Einfluss auf die Azinusbildung von MCF-10A-Azini, führte aber zu größeren MCF-12A-Azini. Die parallele Verwendung beider Zelllinien zusammen mit dem hierbei entwickelten High-Content-Screening- und Evaluierungstool ermöglicht somit die schnelle Identifizierung der östrogenen oder kanzerogenen Eigenschaften einer gegebenen Testverbindung. Die Morphogenese der Azini wurde durch die Testsubstanzen nur geringfügig beeinflusst. Dies spricht einerseits für ein robustes Testsystem, andererseits kann es wahrscheinlich keine niedrigpotenten östrogenen Verbindungen wie Phthalate oder DINCH® erkennen. Der Vorteil der Robustheit des Systems kann jedoch darin liegen, dass eine große Zahl "positiver" Ergebnisse mit fragwürdiger biologischer Relevanz vermieden werden könnte, wie sie bei empfindlichen Reportergen-Assays zu beobachten sind.…