Mechanismen und biologische Plausibilität

Dieser Abschnitt trennt, was für einen Wirkmechanismus belegt ist, was plausibel erscheint und was spekulativ bleibt. Die Einstufung folgt einer einfachen, hier offengelegten Regel: Bewiesen heißt in diesem Kapitel, dass ein Mechanismus in mehreren unabhängigen Tierversuchen übereinstimmend gefunden wurde und ein Eingriffsversuch (Hemmung des Stoffwechsels, Zugabe des Metaboliten) ihn stützt; das sagt zunächst nur etwas über das Tiermodell. Plausibel heißt, dass einzelne Studien oder gleichgerichtete Humanbefunde den Mechanismus stützen, ohne dass er repliziert oder durch einen Eingriffsversuch gesichert wäre. Spekulativ heißt, dass es sich um eine Hypothese der Autoren handelt, um einen Einzelbefund oder um widersprüchliche Ergebnisse. Für keinen der fünf Stoffe ist ein Mechanismus der Hodenschädigung beim Menschen bewiesen; der Grund ist, dass Humanstudien den Mechanismus nicht prüfen, sondern nur Spermien- und Hormonwerte vergleichen.

Bewiesen (im Tiermodell)

Metabolische Aktivierung der Glykolether der E-Reihe. Nicht die Ausgangssubstanz, sondern ein Metabolit verursacht den Hodenschaden. Belege: Pyrazol, ein Hemmer der Alkoholdehydrogenase, schützte Ratten vollständig vor der Hodentoxizität, Hemmer der Aldehyddehydrogenase nicht [s216]; unter Pyrazol stieg die Plasma-Halbwertszeit von 2-Methoxyethanol von 0,6 ± 0,03 auf 42,6 ± 5,6 Stunden, und die Hodentoxizität blieb aus [s214]; in gemischten Sertoli-Keimzell-Kulturen wirkte Methoxyessigsäure, nicht aber 2-Methoxyethanol, wie in vivo [s216]; äquimolare Gaben der Säuren verursachten gleich schwere Schäden wie die Alkohole [s219]. Methoxyessigsäure (alle Dosen) und Ethoxyessigsäure (höchste Dosis) schädigten Spermatozyten in Meiose innerhalb von 24 Stunden, während Butoxyessigsäure keinen Hodeneffekt hatte; die Toxizität nimmt mit der Kettenlänge ab [s211]. Hauptmetaboliten von 2-Methoxyethanol im Urin sind Methoxyessigsäure (50 bis 60 % der Urinradioaktivität) und Methoxyacetylglycin (18 bis 25 %) [s214]. Im Ergebnis sind der Stoffwechselweg und die Rolle der Alkoxyessigsäuren im Rattenmodell gut gesichert.

Zielzelle: primäre Spermatozyten in der Meiose. Die Schädigung beginnt in primären Spermatozyten in postzygotener meiotischer Reifung und Teilung; die Empfindlichkeit ist bei sich teilenden Zellen (Stadium XIV) und frühen Pachytän-Zellen am größten und bei mittleren Pachytän-Zellen am geringsten [s216, s215]. Eine Mitochondrienschädigung gehört zu den frühesten subzellulären Veränderungen [s219]; Ethoxyessigsäure senkte in isolierten Pachytän-Spermatozyten die ATP-Konzentration und veränderte den Energiestoffwechsel [s213]. Die Degeneration pachytäner Spermatozyten beruhte bei 100 mg/kg EGME ausschließlich auf Apoptose [s167]. Bei Ratte und Meerschweinchen zeigt sich Spermatozyten-Apoptose mit DNA-Fragmentierung, bei der Ratte nach 24 Stunden mit Nekrosemerkmalen, beim Meerschweinchen nach 96 Stunden mit apoptotischen Merkmalen [s188].

Zeitverzögerung bis zum messbaren Schaden. Die relative Menge des spermatidenspezifischen Enzyms PGK-2 war unter 500 mg/kg EGME nach 5 Tagen und 2 Wochen noch nicht gesunken und fiel erst nach 4 Wochen auf 0,09 ± 0,06 (Kontrolle 1,43 ± 0,32) [s202]. Das passt zur Dauer der Spermatogenese und ist für die Humanstudien wichtig: Eine Samenprobe zeigt Schäden, die Wochen vor der Probe entstanden sind.

Plausibel

Direkte Wirkung der Metaboliten auf reife Spermien im Nebenhoden. Ethoxyessigsäure im Medium hemmte die Bewegung von Rattenspermien signifikant, 2-Ethoxyethanol selbst nicht [s114]; Toluol (6000 ppm) minderte Nebenhodenspermienzahl, Beweglichkeit und Eindringvermögen bei unveränderter Hodenhistologie [s173]; Spermien-Beweglichkeit war unter EGEE der empfindlichste Endpunkt, bevor Hodengewicht und Fertilität sich änderten [s158]. Das stützt die Annahme, dass Spermienfunktion früher und bei niedrigerer Dosis betroffen sein kann als die Spermatogenese.

Metabolismus-abhängige Empfindlichkeit beim Menschen. Die Aldh2-Knockout-Maus blieb nach EGEE in der Beweglichkeit unverändert, der Wildtyp nicht [s103]; Cicolella verweist auf die Annahme, der Mensch könne wegen langsamerer Ausscheidung toxischer Metaboliten empfindlicher sein als das Tier [s181]. Beides ist ein Hinweis auf genetisch und artspezifisch unterschiedliche Empfindlichkeit, aber keine Messung am Menschen. Auch die Artunterschiede zwischen Ratte und Meerschweinchen mahnen zur Vorsicht [s191, s188].

Genotoxische Wirkung von Benzol auf Keimzellen. Beim Menschen finden sich übereinstimmend erhöhte Spermien-Aneuploidie und strukturelle Chromosomenaberrationen, mit Dosisabstufung in zwei Studien der China Benzene and Sperm Study [s90, s76] und in einer gleichgerichteten, aber methodisch schwächeren chinesischen FISH-Serie [s162, s148, s128, s126]; Wen et al. berichten Neumutationen in Spermien bei Benzolvergiftung [s104]. In vitro denaturierten Benzol-Metaboliten (Phenol-Hydrochinon, Katechol) die Kern-DNA menschlicher Spermien [s71]. Selektivität: Benzol wirke auf Chromosom 21 in Blutzellen und auf die Geschlechtschromosomen in Spermien [s74]. Als Mechanismus plausibel, aber nicht bewiesen, ist eine Schädigung der Spermatogonien oder Stammzellen mit anhaltender Wirkung; die Autoren der Tianjin-Studie weisen selbst darauf hin, dass Aberrationen aus Stammzellen stammen können [s76]. Ob erhöhte Aneuploidieraten die Zeugungsfähigkeit mindern, wurde in keiner dieser Studien gemessen.

Oxidativer Stress und DNA-Schäden. Für Styrol zeigten Vergleichsstudien erhöhte Spermien-DNA-Schäden im Comet-Test [s140, s113], mit Korrelation zwischen Blut- und Keimzellschäden (r = 0,475) [s113]. Für Benzol waren Comet-Schäden erhöht (Kopf-DNA 70,18 % gegenüber 90,62 %) [s120], die Kometenschweife der Exponierten länger [s75]; im Samenplasma war die Korrelation zwischen Expositions- und Effektmarkern (oxidierte Nukleinsäureprodukte) stärker, mit Glutathion-Erschöpfung als vorgeschlagenem Mechanismus [s29]. Für Toluol stieg 8-oxodG im Hoden an [s131]. Bei Textilarbeitern mit Lösungsmittel- und Metallexposition waren ROS und Malondialdehyd erhöht und akrosomintakte Spermien vermindert, ohne Trennung beider Expositionen [s02]. Für Schwefelkohlenstoff ist die Kette von Humanbefund bis Mitochondrienmechanismus besonders geschlossen [s43, s70, s59].

Hormonelle Wirkung. Mehrere Humanstudien zeigen Verschiebungen von FSH: niedrigeres FSH bei Epoxidharz-Spritzern [s139] und bei Lösungsmittelarbeitern in Korea [s189], höheres FSH bei Malern mit steigenden Expositionsindizes [s124] und bei Schwefelkohlenstoff-Exponierten [s43]. Die Richtung ist uneinheitlich; das spricht gegen einen einzigen hormonellen Mechanismus. Im Tierversuch senkten Toluolverdünner Testosteron reversibel an den Leydig-Zellen [s115], während Toluol und Xylol in einer anderen Studie GnRH, GnRH-Rezeptor und Pit-1-mRNA, Prolaktin, Testosteron und LH senkten, also über die Hypothalamus-Hypophysen-Achse [s179]. Bei EGME ist Testosteronmangel nicht die Ursache: Ketoconazol senkte das testikuläre Testosteron ähnlich stark, ohne Histopathologie auszulösen [s36]. Methoxyessigsäure veränderte die Androgenrezeptor-Expression in Sertoli-Zellen [s134].

Mischungswirkung. Toluol und Xylol milderten bei gleichzeitiger Gabe die EGEE-Hodenatrophie um 25 %, weil Ethoxyessigsäure später und niedriger ihr Maximum erreichte (Cmax minus 45 %, Fläche unter der Kurve minus 29 %) [s168, s178]; Toluol oder Xylol schützten auch vor der Hodenatrophie durch n-Hexan [s205]. Das bedeutet, dass Mischungen sich nicht additiv verhalten und Einzelstoffbefunde nicht einfach auf Gemische übertragbar sind.

Spekulativ

Epigenetische und väterlich vermittelte Wirkungen. Zwölf miRNAs stiegen dosisabhängig im Sperma EGME-exponierter Ratten, deren Zielgene in Embryonen vor der Einnistung exprimiert sind; als Hypothese wird ein Mechanismus väterlicher Wirkungen auf die Embryonalentwicklung vorgeschlagen [s03, s33]. Bei Benzol sank die globale m6A-Methylierung im Mäusehoden, mit hypermethyliertem Rara; Melatonin und Shikonin milderten die Schäden [s14, s19]. Beide Befunde sind Tierdaten aus einzelnen Arbeitsgruppen. Epidemiologisch passen zu einer väterlichen Keimbahnwirkung höchstens die Metaanalyse zu Neuralrohrdefekten (OR 1,86; 1,40 bis 2,46) [s118] und Fehlbildungsstudien (OR 5,69 für väterliche Lösungsmittel [s55], OR 6,2 bei Malern [s111]); diese Studien messen den Mechanismus nicht und beruhen teils auf Selbstangaben, bei einem nicht signifikanten Befund für Spontanabort (OR 1,30; 0,81 bis 2,11) [s118].

Apoptose-Signalwege in menschlichem Ejakulat. Die Perm-Gruppe fand nach Benzolzusatz (0,001 µg/ml, 72 Stunden) in einer Studie erhöhte Membranmarker CD95 und CD25 (+20 % und +10 %), in der anderen erniedrigte p53-, Caspase-3- und späte Zelltodmarker [s17, s24]. Die Richtungen widersprechen sich, die Gruppe ist dieselbe, die Konzentration dieselbe, eine unabhängige Replikation fehlt. Wir stufen das als spekulativ ein.

Direkte Wirkung von Styrol auf den Hoden. Die Tierbefunde sind widersprüchlich: Testosteronabfall und LH/FSH-Anstieg bei 600 mg/kg intraperitoneal [s106], kein Abfall bei Inhalation bis 1500 ppm [s123], Hodenschaden erst bei 400 mg/kg oral [s207]. In Leydig-Zellen löste Styrol selbst keine Apoptose aus, Styrol-7,8-oxid dagegen schon [s18]. Ob der Epoxidmetabolit beim Menschen eine Rolle spielt, ist nicht untersucht. Für Styrol-Trimere sind östrogenartige Wirkungen beschrieben (Anogenitalabstand verkürzt, Sertoli-Zellzahl vermindert) [s101], während eine andere Studie keine fortpflanzungstoxischen Wirkungen fand [s163].

Oxidative Schäden durch Toluolmetaboliten. Methylhydrochinon und Methylcatechole induzierten in vitro oxidative DNA-Schäden [s131]; ob das bei beruflichen Konzentrationen eine Rolle spielt, ist offen, weil Toluol bei 1500 ppm über 20 Tage die Spermatogenese erhielt [s117] und der Hoden das am wenigsten betroffene Organ war [s94].

Autoimmunreaktion. Die Orenburger Gruppe deutet Leukozytenansammlungen im Stroma als Hinweis auf eine autoimmune Reaktion [s64]; das ist eine Deutung histologischer Bilder im Mausmodell mit Chrom-Benzol-Gemisch.

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