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Benzol, Teil 2: Metabolismus und Krebserzeugung

Diskussion der Hinweise, auf welche Weise das Benzol, genauer die Stoffwechselprodukte des Benzol eine krebserzeugende Wirkung haben können.

(Rudolf Stratmann, 09.10.2014)

Ich setze die Darstellung fort mit dem zuletzt erwähnten Papier aus 2010 von Martyn T. Smith

"Advances in Understanding Benzene Health Effects and Susceptibility".

Hier kommt der Autor auf S.136 zu dieser Feststellung: " The consensus clearly shows that benzene causes AML/ANLL and MDS, even at relatively low doses, and that AML often arises secondary to MDS. However, a series of questions important to the risk assessment of benzene remain (Table 1)." - Es gibt einen klaren Konsens darüber, dass Benzol AML/ANLL und MDS verursacht, selbst bei relativ geringen Dosen, und dass AML oft als Folge von MDS auftritt. Es bleiben aber noch einige wichtige Fragen offen, will man das Benzol-Risiko einschätzen.

AML = Aktue myeloische Leukämie / ANLL = Akute nicht lymphozytische Leukämie

MDS = Myelodysplastisches Syndrom (da sind die Blutstammzellen schon geschädigt, sodass eine normale Blutbildung gestört ist, kann dann zu Leukämie führen)

Hier die von Martyn Smith angesprochen Fragen:

1. Is it only acute myeloid leukemia that is produced by benzene? Macht Benzol nur AML?
2. What is the mechanism(s) of benzene carcinogenicity? Wie erzeugt Benzol Krebs?
3. Are there susceptible subpopulations? Gibt es suszeptible Bevölkerungsgruppen?
4. What is the dose-response curve? It is linear, and is there a functional threshold? Wie verläuft die Dosis-Wirkungs-Kurve? Linear? Und gibt es einen funktionalen Schwellenwert?

Die Frage 1 "Macht Benzol nur AML?"

Diese Frage verneint er, Benzol kann offenbar eine ganze Reihe von Krankheiten des blutbildenden Systems erzeugen.

"The evidence for other forms of leukemia apart from AML being caused by benzene expo-sure as well as different forms of NHL has grown steadily over the years." - Die Beweislage für die Verursachung anderer Leukämie-Formen neben AML wie auch verschiedener Formen von Non-Hodgkin-Lymphomen (NHL) ist mit den Jahren ständig verbessert worden. - Da die schädigende Wirkung des Benzol im Knochenmark passiere und dort Stammzellen und (Blut-)Vorläuferzellen geschädigt würden, ergebe sich hier eine plausible biologische Basis für die Annahme, dass Benzol ursächlich für die Entstehung der akuten lymphatischen Leukämie (ALL) und der chronischen myeloiden Leukämie (CML) sei. Bei der chronischen lymphozytischen Leukämie (CLL) ergäbe sich das Problem, dass diese Erkrankung aufgrund einer Überarbeitung der Klassifikation nun als Form von NHL geführt würde, was die Vergleichbarkeit der über die Zeit gemachten Aussagen herabmindere. Auch das multiple Myelom (MM) werde nun als Form von NHL geführt, als eine Erkrankung reifer B-Zellen. 

Er verweist am Ende dieses Abschnitts auf eine Veröffentlichung deutscher Arbeitsmediziner aus 2009, die festgestellt hätten, dass "all kinds of myeloid and lymphoid malignancies including their prestages can be caused by occupational benzene exposure" (p.197). In der deutschen Zusammenfassung von Beelte et al. heisst es: "Die Sachverständigen nahmen dies zum Anlass einer Überprüfung und Klarstellung und schlussfolgerten, dass eine berufliche Benzolexposition grundsätzlich zu allen Malignomen des myeloischen und lymphatischen Systems sowie deren Vorstufen führen kann."

Die Frage 2 "Wie erzeugt Benzol Krebs?"

Diese Frage führt zunächst zu der Feststellung, dass Benzol erst verstoffwechselt werden muss, um krebserzeugend zu werden. Über die Atmung aufgenommenes Benzol gelangt über den Blutkreislauf in die Leber, wo die ersten Umwandlungen mithilfe von 3 CYP450-Entgiftungs-Enzymen passieren: Vor allem das CYP2E1, aber auch CYP2F1 und CYP2A13.

Vereinfachter Benzol Metabolismus

 

Martyn T. Smith stellt fest: "It remains unclear what role these different metabolites play in benzene carcinogenicity, but BQ formation from HQ via myeloperoxidase in the bone marrow may be the key." - Es bleibt unklar, welche Rolle diese verschiedenen Metaboliten bei der durch Benzol verursachten Krebsentstehung spielen, aber die Bildung des BQ aus dem HQ mittels des Enzyms Myeloperoxidase im Knochenmark scheint der Schlüssel zu sein. -

Im Knochenmark kann das Enzym MPO (Myeloperoxidase) das von der Leber kommende HQ und das Catechol umwandeln in das hochtoxische BQ, also Benzoquinon. Daneben kann das Muconaldehyd aus der Leber als weitere toxische Substanz ins Knochemark gelangen.

Im Knochenmark agiert nben dem MPO-Enzym noch ein anderes Enzym, und zwar gegenüber dem MPO in gegenläufiger Richtung: NQO1, in Langform NAD(P)H dehydrogenase quinone 1.

Dieses Enzym ist in der Lage, das BQ zu verstoffwechseln, insofern ist es das Entgiftungs-Enzym.

Wenn man sich vorstellt, dass die toxischen Metaboliten des Benzol im Knochenmark nicht neutralisiert, nicht entgiftet werden, können die Schadwirkungen vielfältig sein. Chromsomal, genetisch, epigenetisch können sich die Schäden auf Zellebene niederschlagen und in der Folge eine normale Differenzierung im Rahmen der Blutbildung verhindern.

An dieser Stelle ist wieder darauf hinzuweisen, dass die enzymatischen Entgiftungs-Möglichkeiten generell nicht allen Menschen gleichermassen zur Verfügung stehen: Am Beispiel der NQO1 hier ein Zitat aus dem "Merkblatt zur Berufskrankheit Nummer 1318 'Erkrankungen des Blutes, des blutbildenden und des lymphatischen Systems durch Benzol'", Seite 4: "Für die Entstehung der letztendlich krebserzeugenden Radikale wird dem Enzym Myeloperoxidase (MPO), welches in verschiedenen weißen Blutzellen in großen Mengen exprimiert wird, eine wesentliche Rolle zugeschrieben. Gegenspieler der Myeloperoxidase im Benzolstoffwechsel ist die Chinonoxidoreduktase (NQO1). Etwa 4 % der mitteleuropäischen Bevölkerung besitzen genetisch keine Aktivität dieses entgiftenden Enzyms und haben infolgedessen nachgewiesenermaßen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Benzol." Die oft gestellte Frage, warum bekommt der eine Krebs und der andere nicht, kann oft einfach beantwortet werden - weil nicht jeder gleich gut entgiften kann.

Eine dänische Forschergruppe (Pedersen-Bjergaard et al.) hat für die AML und die Vorläufer-Erkrankung MDS im einzelnen aufgezeigt, wie sich die Karzinogenese entwickelt, und zwar als Folge von therapeutischen Eingriffen (die Krankheiten haben dann ein kleines t wie therapeutische vorangestellt: tAML und tMDS). Chemotherapien mit Alkylanzien (Stickstoff-Lost, Estramustin), die Alkylgruppen in die DNA einschleusen und zu Strangbrüchen führen können, mit Topoisomerase-2-Hemmern und drittens die ionisierende Strahlung bei Radiotherapie. Was auf die jeweils beabsichtigten Krebszell-Zerstörungen gezielt werden soll, kann aber gleichermassen zerstörerisch gegenüber gesunden Zellen sein, z.B. bei den Ausgangs-Zellen des blutbildenden Systems im Knochenmark. In dem o.a. Papier von Pedersen et al. werden auf der Seite 2 in einer Übersichts-Graphik die verschiedensten Wege genetischer Veränderung dargestellt, eine Graphik, die auch Martyn T. Smith übernimmt.

Die Zell-Veränderungen, die bei Benzol ausgesetzten Arbeitern gefunden wurden und zu AML bzw. MDS geführt haben, sind ähnlich den therapeutisch induzierten Erkrankungen. "AML and MDS both arise from genetically altered CD34+ stem or progenitor cells in the bone marrow (70) and are characterized by many different types of recurrent chromosome aberrations (71, 76). These aberrations often result in the genetic mutations that produce leukemia." - AML und MDS entstehen beide durch genetisch veränderte CD34+ Stamm- oder Vorläufer-Zellen im Knochenmark und sind charakterisiert durch eine Vielzahl von Typen wiederkehrender chromosomaler Anomalien. Diese Anomalien führen oft zu genetischen Mutationen, die dann Leukämie machen.

Epigenetische Veränderungen können zur Transformation beitragen, indem z.B. für die Differenzierung wichtige Transkriptionsfaktoren geschädigt werden (enhancer binding protein  alpha) oder indem die Methylierung an kritischen Genabschnitten entweder zu wenig oder zu viel (Hypo- bzw. Hyper-Methylierung) stattfindet, wie Bollati et al. im Jahr 2007 zeigten, und dies im Benzol-Niedrigdosis-Bereich.

Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AhR)

Da das Knochemark wie jedes Gewebe eine Welt für sich ist, mit vielen Bausteinen, Molekülen und Zellen, reicht es nicht, in der Betrachtung der Schädigung von hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) oder Vorläufer-Zellen nur diese Zellen selbst anzuschauen. Eine vielfältige Signalgebung innerhalb des Knochenmarks sorgt dafür, dass immer alles zur richtigen Zeit passiert. So halten sich die HSCs normalerweise in Stammzell-Nischen (im Ruhezustand(quiescence)) am Rande des Knochenmarks auf und ob sie diese Nische verlassen, um sich an den Zyklus der Proliferation zu begeben, hängt u.a. von einem Rezeptor ab, dem Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AhR). Dieser evolutionär konservierte Rezeptor kommt in allen Vielzellern im Zytosol und im Zellkern vor und spielt eine vielfältige Rolle: bei Zell-Differenzierung und Zell-Teilung, beim Leber-Metabolismus, bei der neuronalen Gesundheit. Er hat aber für die Entgiftung von bzw. für die Reaktion auf toxische Fremdstoffe eine wichtige Rolle, so ist er auch als "Dioxin-Rezeptor" bekannt, weil das TCDD an dem AhR andockt. Sobald ein solcher Fremdstoff-Rezeptor-Komplex gebildet ist und in den Zellkern wandert, werden dort die Produktion von Phase-1-Entgiftungs-Enzymen wie CYP1B1 oder auch des NQO1 angestossen.

Hierzu schreibt Martin T. Smith: "The aryl hydrocarbon receptor (AhR) is known mainly as the mediator for the toxicity of certain xenobiotics. However, this transcription factor has many important biological functions, and emerging evidence indicates that it has a significant role in the regulation of hematopoietic stem cells (HSCs) (40, 93). AhR expression may be necessary for the proper maintenance of quiescence in HSCs, and AhR downregulation is essential for the stem cells to “escape” from quiescence and undergo subsequent proliferation (93). This hypothesis implicates the AhR as a negative regulator of hematopoiesis to curb excessive proliferation." - Der AhR ist vor allem bekannt wegen seiner vermittelnden Rolle für bestimmte Xenobiotika [ = dem Leben fremde Stoffe, griechisch ]. Allerdings hat dieser Transkriptionsfaktor viele wichtige biologische Funktionen und es wird immer deutlicher, dass er eine signifikante Rolle in der Regulation von HSCs spielt. Die Expression von AhR scheint für die Aufrechterhaltung des Ruhezustandes der HSCs notwendig zu sein und das Herunterregulieren des AhR ist entscheidend für das Beenden des Ruhezustandes und der Mobilisierung der HSCs für die Blutbildung. Diese Hypothese sieht also den AhR als einen negativen Regulatoren der Hämatopoiese im Sinne der Dämpfung exzessiver Proliferation. -

Die von Smith angegebene Referenz (93), das ist die Veröffentlichung von Singh et al. aus 2009: "The Aryl Hydrocarbon Receptor has a Normal Function in the Regulation of Hematopoetic and Other Stem/Progenitor Cell Populations" In diesem Papier ist am Ende eine Graphik, wie Dioxin über das Andocken an den AhR die HSC schädigt.

Smith schlussfolgert in Bezug auf die Rolle des AhR: "However, AhR dysregulation may result in the altered ability of HSCs to sense appropriate signals in the bone marrow microenvironment, leading to hematopoietic disease." - Eine Störung der Regulation des AhR kann zu einer veränderten Fähigkeit der HSCs führen,  die angemessenen Signale in die Knochenmarks-Umgebung zu senden, was zu hämatopoetischen Erkrankungen führen kann.

HSCs lassen sich genauso wie mesenchymale Stammzellen (MSCs) im Knochenmark in ihren Nischen nieder (dieser Vorgang wird "homing" genannt) und sie werden mobilisiert, aktiviert, wenn die Blutbildung (oder im Falle der MSCs die Bildung mesenchymaler Zellen) dies verlangt. Zur Veranschaulichung hier ein Hinweis auf ein Papier von Yin et al. aus 2006, "The Stem Cell Niches in Bone",  in dem 2 sehr gute Graphiken enthalten sind, auf den Seiten 2 und 4. Diese beiden Graphiken können hier und hier im einzelnen aufgerufen werden.

Die Frage 3 "Gibt es suszeptible Bevölkerungsgruppen?"

Schon im Jahre 1999 gab es 2 interessante Veröffentlichungen bzgl. der unterschiedlichen genetischen Suszeptibilität gegenüber der schädigenden Wirkung von Benzol-Metaboliten wegen Polymorphismen des Enyzms NQO1. Zu der Veröffentlichung von Moran et al. gibt es einen lesenswerten ausführlichen Kommentar von Martyn T. Smith: "Benzene, NQO1, and genetic susceptibility to cancer". 

Die Frage 3 "Gibt es suzeptible Bevölkerungsgruppen?" wird dementsprechend von Smith bejaht, mit dem Hinweis auf genetische Polymorphismen nicht nur für die NQO1, sondern auch für das CYP2E1, die MPO, die GSTs (Glutathion-S-Transferasen) und die mEH (mikrosomale Epoxy-Hydroxylase), nach Dougherty et al. aus 2008.

Martyn T. Smith schreibt: "The role of metabolizing enzyme polymorphisms was reviewed by Dougherty et al. (18) in 2008. They concluded that the polymorphisms produced a modest effect on the biomarkers of benzene exposure and effect analyzed in 22 studies; GSTM1 and GSTT1 showed some consistent associations." - Die Rolle von Polymorphismen bei Stoffwechsel-Enzymen wurde 2008 in einem Übersichts-Artikel von Dougherty et al. untersucht. Sie schlussfolgerten, dass die Polymorphismen einen mässigen Einfluss auf die Biomarker, die mit der Benzol-Exposition und -Wirkung zusammenhängen, ausüben, wie aus 22 analysierten Studien hervorgeht; die Enzyme GSTM1 und GSTT1 zeigten ähnliche Zusammenhänge. -

Aber nicht nur die Entgiftungs-Enzyme müssen vollständig funktionieren, wenn man schädigende Wirkungen vermeiden will, auch Gene, die Proteine kodieren, die für die DNA-Reparatur da sind, sollten keine Schädigungen aufweisen. Ebenfalls Gene, die Zytokine oder Chemokine -also Botenstoffe des Immunsystems- kodieren, können genetische Polymorphismen aufweisen, wie z.B. TNF-alpha, nach Lan et al., 2005.

Schlussfolgerung von Smith zu dieser Frage 3: "Thus, genetic polymorphisms that confer susceptibility to benzene toxicity should betaken into account when assessing the risks of benzene exposure. Select combinations of genetic polymorphisms may increase susceptibility of individuals and/or population subgroups." - Genetische Polymorphismen bewirken eine Suszeptibilität gegenüber Benzol-Vergiftung und sollten Berücksichtigung finden, wenn es darum geht, die Risiken abzuschätzen, die mit der Exposition von Benzol verbunden sind. Dabei können Kombination von genetischen Polymorphismen die Suszeptibilität einzelner und/oder Bevölkerungsgruppen steigern. -

Die Frage 4 "Wie verläuft die Dosis-Wirkungs-Kurve?"

"Although there is undoubtedly a causal link between benzene exposure and leukemia, the shape of the exposure-response relationship is controversial, particularly at low doses at or below 1 ppm in air. Indeed, when considering regulatory actions, litigation, and potential clean-up costs in the billions of dollars, this uncertainty represents a major challenge for environmental toxicology and epidemiology." (Smith, S. 142)

Obwohl der ursächliche Zusammenhang zwischen Benzol-Exposition und Leukämie nicht mehr zweifelhaft ist, ist die Form der Exposition-Reaktions-Beziehung kontrovers, besonders wenn es um niedrige Dosen bei 1 ppm in der Luft geht oder sogar noch darunter. Wenn man an staatliche Eingriffe denkt, an Gerichtsverfahren, an potentiell in die Milliarden Dollar gehende Kosten für die Schadenbeseitigung, sieht man, welche Herausforderung sich hier für die Umwelt-Toxikologie und Empidemiologie stellt.

Schon 2004 hatten Lan et al. (auch Martyn T. Smith) eine Analyse von Labordaten chinesischer Arbeiter vorgelegt, die mit Benzol in Berührung gekommen waren und festgestellt, dass selbst bei 1 ppm ein klarer Rückgang von Leukozyten und Blutplättchen zu beobachten war.

Diese und andere Ergebnisse führten Smith dazu, davon auszugehen, dass es so etwas wie eine "Schwelle" oder einen "Grenzwert", unter dem das Benzol nicht gesundheitheitsschädlich ist, nicht gibt:

"Thus, the literature shows that benzene affects the blood-forming system at low levels of occupational exposure, at or below 1 ppm, and that there is no evidence of a threshold."

Die Literatur zeigt, dass Benzol selbst bei niedriger berufsmässiger Exposition, bei 1 ppm oder darunter, das Blutbildungs-System beeinträchtigt und es gibt keine Hinweise auf die Existenz eines Schwellenwertes.

Martyn T. Smith schliesst seinen Artikel mit:

"As a result, the threshold limit value has recently been lowered by the ACGIH to 0.5 ppm, and various government agencies and scientific bodies have recommended the 8-hour time-weighted average standard be lowered to 0.1 ppm. The latest research indicates that there is likely no safe level of exposure to benzene and that all exposures constitute some risk in a linear, if not supralinear, and additive fashion. Public health agencies should act accordingly."

Die EU-Festlegung für "Arbeitsplatzgrenzwerte" hält für Benzol nach wie vor an 1 ppm fest (bzw., für Gase, entprechend 1 ml/m3)

Die deutsche Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) hingegen hat diese Festsetzung.

Sie unterscheidet zwischen "Toleranzrisiko" und "Akzeptanzrisiko" und das im Bereich von 0,6 mm bis 0,006 ppm. Aber wer hier jeweils welches Risiko trägt und was überhaupt das Konzept "Grenzwerte" im Kontext von absolut toxischen Stoffen soll, dazu werden wir uns in einem weiteren Artikel äussern.