Tattoo Pigments: Biodistribution and Toxicity of Corresponding Laser Induced Decomposition Products

Abstract

Due to the continuous popularity of tattoos in Germany and other countries one fifth to a quarter of the population is already carrying this permanent body decoration. Despite this high incidence, numerous toxicological endpoints, especially in the case of the color giving pigments, are missing for an adequate risk assessment of tattoo inks. In this thesis, photostability and biokinetics are investigated as two of the key elements of tattoo pigment pharmacokinetics. The light-induced decomposition of six organic pigments was investigated using laser irradiation, which is commonly used for tattoo removal. Decomposition products were analyzed using gas chromatographic separation coupled to mass spectrometric detection. Additionally, the photothermal decomposition as occurring with laser irradiation was mimicked by pyrolysis. Data for pigment biokinetics could only be obtained by analysis of human samples since animal testing for tattoo applications was declined in Germany. Here, pigment and element distribution in skin and lymph nodes, as well as other peripheral organs, were assessed using mass spectrometric devices and synchrotron x-ray fluorescence techniques. Upon laser irradiation, all organic pigments were cleaved into benzene and hydrogen cyanide. Also, potentially carcinogenic and sensitizing compounds were found for each pigment specifically. The same decomposition products were also found in pigment pyrolysis. In in vitro cytotoxicity tests, hydrogen cyanide showed an impairment of the skin cell metabolism in the expected concentrations. The analysis of skin and lymph node samples revealed a preferential transport of smaller particles of organic and inorganic pigments. Associated to tattoo pigments, potentially carcinogenic and sensitizing elements like Ni, Cr and Cd are transported to the draining lymph nodes. No increased element concentrations were detected in other peripheral organs investigated so far. The data obtained from laser irradiation and pyrolysis in combination with information from other publications allow an extrapolation of the decomposition of non-investigated pigments of the same chemical classes. This facilitates the exclusion of pigments degrading into toxins out of the several hundred potentially used in tattoo inks. The data on distribution of tattoo inks do not display a full data set for biokinetics under the given circumstances but confirm life-long exposition to potentially harmful material in the lymph nodes. Since the distribution of other insoluble pigments including white titanium dioxide is well described in literature upon subcutaneous and intradermal application, this data might be used to extrapolate the distribution of tattoo pigments.

Durch die anhaltende Beliebtheit von Tätowierungen tragen in Deutschland und anderen Ländern zwischen einem Fünftel und einem Viertel aller Menschen diesen permanenten Körperschmuck. Trotz dieser hohen Inzidenz stehen viele toxikologische Daten für eine ausreichende Risikobewertung der Inhaltstoffe von Tätowiermitteln, insbesondere der Pigmente, nicht zur Verfügung. In dieser Arbeit wurden zwei Kernelemente der Pharmakokinetik von Tätowiermittelpigmenten, die Stabilität unter Lichteinfluss und die Biokinetik, untersucht. Die lichtinduzierte Zersetzung von sechs organischen Pigmenten unter Laserbestrahlung, welche zur Entfernung von Tätowierungen eingesetzt wird, wurde mit Hilfe von Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion untersucht. Zudem wurde die photothermische Zersetzung unter Laserbestrahlung durch Pyrolyse simuliert. Biokinetische Daten konnten nur durch die Analyse humaner Proben erhoben werden, da Tierversuche für diesen Anwendungsbereich in Deutschland nicht genehmigt wurden. Hier wurde die Verteilung von organischen Pigmenten und Elementen in Haut und Lymphknoten, sowie anderen peripheren Organen mit Hilfe massenspektrometrischer Methoden und Synchrotron-Röntgenfluoreszenz analysiert. In den Laserversuchen konnte gezeigt werden, dass generell aus allen untersuchten organischen Pigmenten Benzol und Blausäure freigesetzt werden können. Zudem entstehen pigmentspezifisch potentiell krebserregende und allergieauslösender Substanzen. Die gleichen Zersetzungsprodukte zeigten sich ebenfalls durch Pyrolyse der Pigmente. In vitro Zytotoxizitätstests konnten zeigen, dass der Hautzellmetabolismus durch Blausäure in den zu erwartenden Konzentrationen eingeschränkt wird. Die Analysen der Haut und Lymphknotenproben zeigten einen bevorzugten Transport von kleinen Partikeln organischer und anorganischer Pigmente. Zusammen mit diesen Pigmenten gelangen auch potentiell krebserregende und allergieauslösende Elementverunreinigung wie Ni, Cr und Cd in die Lymphknoten. In peripheren Organen konnten noch keine Pigmente oder erhöhte Elementgehalte festgestellt werden. Durch die gewonnen Daten der Laserbestrahlung, Pyrolyse und anhand der Literatur lassen sich für einzelne chemische Pigmentklassen auch die Zersetzungsprodukte nicht untersuchter Pigmente extrapolieren. Die Daten können dazu genutzt werden, unter Hunderten verfügbaren Pigmenten diejenigen mit toxischen Zersetzungsprodukten zu identifizieren und für die Anwendung in Tätowiermitteln auszuschließen. Die unter den gegebenen Umständen gewonnenen Daten in Bezug auf die Verteilung von Tätowiermittelpigmenten im Körper stellen keine vollständige Biokinetik dar, belegen jedoch die lebenslange Exposition gegenüber potentiell gesundheitsschädlichen Stoffen in den Lymphknoten. Da die Verteilung anderer unlöslicher Partikel, inklusive dem Weißpigment Titandioxid, auch in subkutaner und intradermaler Applikation in der Literatur gut beschrieben ist, können diese Daten ebenfalls zur Extrapolation der Verteilung von Tätowiermittelpigmenten herangezogen werden.