Determination of genotoxic effects of food packaging materials with in vitro bioassays

Abstract

Die Sicherheitsbewertung von Lebensmittelverpackungsmaterialien ist eine Herausforderung für die Verpackungs- und Lebensmittelindustrie. Insbesondere die nicht absichtlich zugefügten Stoffe stellen ein Problem dar, weil ihre chemischen und toxikologischen Eigenschaften unbekannt sind und sie für die Gesundheit der Verbraucher bedenklich sein könnten. Genotoxische Substanzen sind am problematischsten, da sie bei chronischer Aufnahme bereits in extrem niedrigen Konzentrationen gesundheitsschädliche Auswirkungen haben können. Der derzeitige Stand der Technik für die Sicherheitsbewertung von Verpackungsmaterialien sind Migrationsstudien in Kombination mit chemischer Analytik.Diese Techniken sind jedoch nicht geeignet, um Spuren von mutagenen Stoffen nachzuweisen, so dass ein dringender Forschungsbedarf besteht, einen neuen und empfindlicheren Ansatz zu entwickeln.Zu diesem Zweck befasst sich die vorliegende Doktorarbeit mit der Anwendung von in vitro Bioassays für die Sicherheitsbewertung von Migratproben aus Materialien, die mitLebensmitteln in Berührung kommen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf dem bakteriellen Rückmutationsassay oder Ames-Test. Die Dissertation besteht aus drei, in wissenschaftlichen Journalen publizierten, Arbeiten, die sich mit mehreren wichtigen Fragen zur Anwendung dieser Art von Test befassen. Im ersten Beitrag wird auf der Grundlage einer Literaturrecherche der Schluss gezogen, dass der Ames-Test ein äußerst wertvolles Instrument für die Sicherheitsbewertung von Materialien, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, sein kann, auch wenn die Nachweisgrenzen nicht niedrig genug sind, um die derzeitigen gesetzlichen Anforderungen vollständig zu erfüllen. Im zweiten Beitrag wird eine Kombination aus einem standardisierten Probenvorbereitungsansatz und einem speziell optimierten Ames MPF Protokoll mit mehreren Verpackungsproben angewandt und die Ergebnisse werden vorgestellt und diskutiert. Der dritte Beitrag befasst sich mit der Frage, welche Art von Ames Testformat für die Sicherheitsbewertung von Proben angewendet werden sollte, die sehr geringe Konzentrationen genotoxischer Substanzen enthalten.Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Anwendung des Ames-Tests, insbesondere des Ames MPF Protokolls, eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik darstellt. Auch wenn chemische Analysen auf der Grundlage von Chromatographie und Massenspektrometrie kaum genotoxische Verunreinigungen nachweisen können, bietet die Anwendung von in vitro Tests die Möglichkeit, die Auswirkungen niedriger Konzentrationen von Genotoxinen in Lebensmittelkontaktmaterialien durchgängig nachzuweisen. Um jedoch die aktuellen gesetzlichen Anforderungen, die auf dem sog. Threshold of Toxicological Concern-Konzept beruhen, vollständig zu erfüllen, müssen weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um noch niedrigere Nachweisgrenzen zu ermöglichen.

The safety assessment of food packaging materials presents an ongoing challenge for the packaging and food industry. In particular, non-intentional added substances are a majorissue, because their chemical and oxicological properties are unknown and they might be of concern for the health of consumers. Substances with genotoxic properties are the most problematic, since they can cause adverse health effects in extremely low concentration, whenchronically ingested. The current state of the art for the safety ssessment of packagingmaterials is to conduct migration experiments, followed up by analytical chemistry. These techniques are however not suitable to detect trace amounts of mutagenic substances, so thereis an urgent research need to find a new and more sensitive approach.For this purpose, the present doctoral thesis focuses on the application of in vitro bioassays for the safety assessment of food contact material migrate samples, with a particular focus onthe bacterial reverse mutation assay, or Ames test. The thesis consists of three peer-reviewedpapers that tackle several important questions, on how this type of assay should be applied. Inpaper number one it is concluded, based on a literature review, that the Ames test can be ahighly valuable tool for food contact material safety assessment, even though the limits ofdetection are not low enough to fully cover current regulatory requirements. In paper numbertwo, a combination of a standardized sample preparation approach with a specifically optimized Ames MPF protocol is applied for several real-world packaging samples and the results are presented and discussed. The third paper tackles the question what type of Amestest format should be applied for the safety assessment of samples that contain very low concentrations of genotoxic substances.Overall, it is concluded that the application of the Ames test, in particular the Ames MPFprotocol, offers a major improvement over the current state of the art. Even though chemical analysis based on chromatography and mass spectrometry can hardly detect any genotoxic contaminations, the application of in vitro assays offers the possibility to consistently detect the effects of low concentrations of genotoxins in food contact material migrates. However, to fully comply with current regulatory requirements, based on the threshold of toxicological concern, further research has to be conducted to allow for even lower limits of detection.