Assessing the carcinogenic risk of water disinfection by-products. Use of in vitro models to evaluate halonitromethanes and haloacetic acids

Abstract

Els subproductes de desinfecció de l’aigua són tots aquells productes resultants de reaccions químiques entre la matèria orgànica i inorgànica de l’aigua i els agents químics utilitzats en la seva desinfecció. Fins aquest moment, s’han identificat més de 600 classes de DBP en aigües tractades arreu del món. Estudis epidemiològics mostren una forta relació entre la presència d’aquests productes i la incidència de càncer, però fins ara no s’han pogut identificar les espècies responsables d’aquests efectes. La majoria de protocols in vitro utilitzats per establir la genotoxicitat i carcinogenicitat de cada classe de DBP s’han basat en exposicions agudes a concentracions relativament altes d’aquestes espècies químiques, seguits d’una extrapolació a concentracions més baixes. La manca d’una metodologia més sistemàtica per analitzar el potencial carcinogènic dels DBP ha generat buits a la literatura que s’han de resoldre. A més, els mètodes utilitzats fins ara han dut a resultats que no reflecteixen un escenari real d’exposició. En aquesta tesi proposem l'aplicació d'una metodologia in vitro d'avaluació de riscos carcinogènics basada en l'avaluació d'una àmplia gamma de marcadors de transformació cel·lular, mitjançant la qual s'analitza el potencial carcinogènic i els efectes a llarg termini de dos grups de DBP, HNM i HAA. El principal avantatge d'aquesta metodologia és la possibilitat d'analitzar exposicions prolongades a concentracions més realistes dels DBP, establint així un model d'exposició més realista. Els resultats del nostre primer estudi indiquen que els HNM no són capaços d'induir una transformació tumoral en cèl·lules pulmonars humanes després d'una exposició de 8 setmanes, ni d’induir o augmentar el creixement tumoral. L'avaluació de fibroblasts en contacte amb el CM de cèl·lules exposades, emulant l'estroma tumoral, mostra que en el període d'exposició les cèl·lules estromals no adquireixen la capacitat d'induir el creixement tumoral. L'avaluació de la secreció de MMP determina que ni les cèl·lules exposades ni les cèl·lules estromals podrien secretar aquestes proteïnases que facilitarien la migració tumoral i la metàstasi. El nostre segon estudi mostra que encara que els tres mono-HAA són capaços d'induir dany oxidatiu després d'exposicions agudes, les concentracions no citotòxiques no serien genotòxiques després de 8 setmanes d'exposició. Per contra, les cèl·lules exposades a llarg termini a concentracions no citotòxiques dels HAA desenvolupen resistència als agents oxidants de l'ADN. D’altra banda, l'avaluació in vitro a llarg termini de la carcinogenicitat dels HAA demostra que no poden iniciar una transformació tumorigènica en cèl·lules urotelials. En conjunt, podem concloure que l'ús d'assajos de transformació cel·lular, basat en exposicions prolongades a baixes concentracions, emulant un escenari d'exposició més realista, és una manera més consistent d'avaluar la carcinogenicitat dels DBP. A més, les anàlisis realitzades en aquesta Tesi suggereixen que l'augment de la incidència de càncer vinculat a l'exposició als DBP no pot atribuir-se als HNM ni als HAA.

Disinfection by-products are all those chemical species that are formed during the disinfection of water. To date, more than 600 species of DBPs have been identified in chemically-disinfected waters all over the world. Although epidemiological studies show a clear link between cancer, especially bladder cancer, and DBPs exposure, none of the individual species alone has shown sufficient carcinogenic potency to account for the increased cancer risk. To date, several different models and protocols have been used, attempting to establish the specific genotoxic and carcinogenic properties of individual DBP species. Still, most in vitro hazard evaluations have focused on acute exposures to relatively high concentrations of these chemicals, followed by an extrapolation to low concentrations. The lack of a more systematic methodology to assess the carcinogenic potential of DBPs, generated gaps in the literature that must be resolved. Additionally, current assessment methods led to results that do not reflect real exposure scenarios. In this Thesis we propose the application of an in vitro carcinogenic risk assessment methodology based on the evaluation of a wide range of cell transformation markers, whereby we analyse the carcinogenic potential and long-term effects of two DBPs groups, HNMs and HAAs. The principal advantage of such methodology is the possibility to analyse prolonged exposures to more realistic concentrations of DBPs, thus, setting a more realistic exposure model. Results from our first study indicate that HNMs are not capable of inducing a tumoural transformation in human pulmonary cells after an 8 weeks’ exposure, neither to prompt exposed cells to induce or enhance tumoural growth. The evaluation of fibroblasts grown in contact with the CM of exposed cells, emulating the tumoural stroma, showed that in the exposure period stromal cells did not acquire the capacity to induce tumoural growth. Evaluation of MMPs secretion determined that neither exposed cells nor stromal cells could secrete these proteinases that would facilitate tumoural migration and metastasis. Our second study showed that although all three mono-HAAs appeared capable of inducing oxidative DNA damage after acute exposures, non-cytotoxic concentrations do not appear to be genotoxic after 8 weeks of exposure. On the contrary, cells long-term exposed to non-cytotoxic concentrations of the HAAs developed resistance to DNA-oxidising agents. In vitro long-term carcinogenicity assessment of HAAs proved them unable to initiate a tumorigenic transformation in urothelial cells neither in cells emulating the tumoural stroma. In addition, in any case cells were capable of inducing nor enhancing tumoural growth. Altogether, we conclude that the use of cell transformation assays, based on prolonged exposures to low concentrations, emulating a more realistic exposure scenario, is a more consistent manner to assess the carcinogenicity of DBPs. Additionally, analyses performed in this Thesis suggest that the increased cancer incidence linked to DBPs exposure cannot be attributed to HNMs nor HAAs.