Models for Percutaneous Absorption – Influential Parameters and in silico Predictions

Abstract

Dermal absorption – the uptake of compounds via the skin – is a relevant parameter for risk assessment of chemicals, cosmetics and plant protection products. Besides in vivo tests, in vitro determination is accepted by many regulatory agencies – if experiments are conducted in accordance to OECD Guideline 428 and Guidance document 28. However, the named documents provide a framework whereupon variability regarding performance and results may be observed in different laboratories. A way to minimize variability is to understand the influence of experimental conditions and higher standardization of the system. Regarding the latter, the Guideline requests an integrity test which should ensure the exclusive use of undamaged skin preparations. Proposed tests are TEWL (transepidermal water loss), TEER (transepidermal electrical resistance), application of a reference compound like water (TWF, transepidermal water flux) or the integrated use of an internal standard (ISTD). However, contradictory opinions concerning applicability, experimental performances and limit values have been reported. To evaluate the suitability of different tests and review the present limit values, absorption results of four 14C-labeled test compounds (MCPA (2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid), MCPA-EHE (MCPA 2-ethylhexylester), testosterone and caffeine) were compared with results of five integrity tests: TEWL, TWF, TEER in advance, ISTD (3H- mannitol, 3H-caffeine, or 3H-testosterone) concurrently and BLUE (transepidermal methylene blue absorption) at the end of the run. The standard methods TEWL, TWF and TEER were assessed to be appropriate tools for rough differentiation between intact and impaired skin samples in advance of experiments, when using limit values 10 g/(m²*h), 4.5*10-3 cm/h and 2 kOhm, respectively. However, only the absorption characteristics of a parallelly applied ISTD were highly correlated with absorption results of the 14C-labeled test compound (e.g. R² 0.86 for maxKp (maximum permeability coefficient) 14C- MCPA and 3H-testosterone). Further advantages of the ISTD approach are the possibility to rate the barrier function over the entire experimental period and to distinguish substance-specific wash-in effects from barrier-disruption related effects. The independence of 3H-ISTD and 14C-test compound analytics as well as the independence of their absorption characteristics were shown in the current work. An obstacle for routine application is the need of historical datasets for various ISTDs – representative for various physicochemical properties – applied under various experimental conditions. Regarding investigation of possible influential experimental parameters, the use of flow-through and static study design was compared. Therefore, 14C-MCPA and 3H-testosterone were applied on dermatomed rat skin semi-occlusively with water as the receptor fluid. In accordance with the literature, similar absorption results were obtained with the two experimental designs, e.g. maxKp values for 14C-MCPA of 21.4 ± 10.4*10-5cm/h under static and 22.8 ±18.4*10-5cm/h under flow-through conditions. Repeated application of a formulation containing the pesticide MCPA over three days in advance to the application of the corresponding radio-labeled formulation on rat skin led to a significant increase of the absorption (AD 75 ± 24 %) compared to the standard experiments with a single application of 14C-MCPA (14 ± 3 %). This effect was only partly due to the formulation, but also due to mechanical and chemical stress during washing procedures between the applications. It was observed that the skin became less resistant to mechanical treatment with increasing time. Therefore, the study design with repeated dosing in vitro was assessed as not feasible for routine applications. Furthermore, absorption characteristics of dermatomed (DMS) and full-thickness (FTS) skin samples derived from the same human donor were compared under identical experimental conditions. Absorption results for four 14C-labeled (MCPA-EHE, MCPA, testosterone and caffeine) and two 3H-labeled (testosterone and mannitol) penetrants under finite dose conditions were in the same order of magnitude for both preparation types (e.g. 3H-testosterone, absorbed dose (AD) 22.1 ± 7.1 % for DMS and 25.6 ± 9.2 % for FTS). However, DMS was assessed to be more suitable for routine studies due to Kp values closer to the steady state situation. Since the availability of human skin is limited, rat skin, StrataTest® (a commercially available reconstructed human skin) and skin-PAMPA (an abiotic stratum corneum membrane) were assessed for their suitability to determine dermal absorption. Therefore, experiments were conducted with 14C- labeled and unlabeled model compounds (testosterone, caffeine and MCPA) under similar experimental conditions. In accordance with the literature, rat skin was assessed to be an appropriate alternative to human skin due to absorption results in the same order of magnitude and fulfilling the regulatory principle of ‘worst case’ for purposes of risk assessment (e.g. for pesticides). Skin- PAMPA was highly over-predictive in comparison to human skin ((max)Kp 3- to 53-fold). If focusing on aqueous solutions skin-PAMPA was less over-predictive ((max)Kp 3- to 8-fold) and the results were correlated to human skin results (R2 0.89). However, further tests are needed to assess its usability for other vehicles – which would be crucial for its application as screening tool during pesticide development. In contrast, formulations could be applied on the cell- based construct StrataTest®. However, the system was highly over-predictive in comparison to human skin (maxKp 5- to 49-fold, AD 3- to 4-fold), not correlated to human in vitro experiments and therefore assessed as inappropriate to determine dermal absorption. Besides the absorption, also xenobiotic-metabolizing enzyme activities were investigated for StrataTest® using subcellular fractions. Remarkable esterase and NAT 1 activities were detected in S9 fraction (3.6 ± 0.1 and 7.2 ±1.6 nmol/(min*mg), respectively). But lacking UGT 1 and ADH activity and providing low AlDH and FMO 1/3 activities (3.1 ± 0.8 and 0.5 ± 0.1 nmol/(min*mg), respectively) – measured in microsomes or cytosol – StrataTest® was closer to a keratinocyte cell line than to the metabolic properties of excised human skin, reconstructed human epidermis (EpiDermTM) or other full-thickness skin constructs (EpiDermTMFT and Phenion®FT). Additionally, cryoconserved human skin (-20°C, up to 1 year) was examined for preserved esterase activity. Using S9 fraction and model substrates MCPA-EHE and fluorescein diacetate resulted in activities of 0.67 ± 0.26 nmol/(mg*min) and 0.7 ± 0.6 nmol/(min*mg), respectively. Furthermore, model compound MCPA-EHE was partially cleaved to MCPA during dermal absorption experiments in vitro. It was concluded, that a change of absorption characteristic due to metabolic hydrolysis and changed physicochemical properties is covered qualitatively when using cryoconserved human skin. However, considering the hints of enzyme degradation during storage, a considerably lower extent is likely. Finally, in silico prediction models for dermal absorption with special focus on mixture-related effects were developed. Data from more than 342 dermal absorption experiments in vitro were used, which comprised 56 test compounds in more than 100 formulations. A model based on one substance-specific Abraham descriptor (Rf2, solute excess molar refractivity), a mixture-specific factor (TPSA, topological polar surface area) and a species indicator (SpI) was assessed to be appropriate to estimate the magnitude of permeation of compound-mixture combinations and therefore to be a suitable screening tool for early stages of development (e.g. for pesticides). More precise predictions were possible with the substance-based approach where substance-related information were bundled in class variables and combined with mixture factors (molinspLogHBAcc, logarithmic number of hydrogen bond acceptors, Adme1/Pow, inverse octanol/water partition coefficient, Adme1/RotB, inverse number of rotatable bonds). This model allows reliable interpolations for included test substances to novel formulations. Taken together, the current work supplements current knowledge about the in vitro methodology as well as the in silico predictions for dermal absorption. However, further improvements are needed to enhance the reproducibility of the former and allow the routine application of the latter.

Die dermale Resorption – die Aufnahme von Stoffen über die Haut – ist ein relevanter Parameter für die Risikobewertung von Chemikalien, Kosmetika und Pflanzenschutzmitteln. Neben in vivo Versuchen werden für die Bewertung Ergebnisse aus in vitro Tests in der EU regulatorisch anerkannt, sofern die Experimente entsprechend der OECD Guideline 428 und dem Guidance document 28 durchgeführt wurden. Allerdings definieren die Dokumente nur ein Grundgerüst der Methode, weshalb die Durchführung und auch die Ergebnisse verschiedener Labore unterschiedlich ausfallen können. Eine Möglichkeit die experimentelle Variabilität zu minimieren, ist den Einfluss variabler Testbedingungen zu verstehen und die Standardisierung des Testsystems voranzutreiben. Ein Validitätskriterium nach OECD Guideline ist z. B. die Durchführung eines Integritätstest, der den exklusiven Einsatz intakter Hautproben gewährleisten soll. Zu den vorgeschlagenen Methoden zählen TEWL (transepidermaler Wasserverlust), TEER (transepidermaler elektrischer Widerstand), die Applikation einer Referenzsubstanz wie z. B. Wasser (TWF, transepidermaler Wasserfluss) oder der Einsatz eines internen Standards (ISTD). Allerdings wird die Anwendung einzelner Methoden kontrovers diskutiert und für andere fehlt ein gemeinsamer Konsens hinsichtlich der Durchführung und der anzuwendenden Grenzwerte. Um die Zweckmäßigkeit der verschiedenen Methoden und die aktuellen Grenzwerte zu beurteilen, wurden in der vorliegenden Arbeit die Ergebnisse von Resorptionsuntersuchungen von vier 14C-markierten Testsubstanzen (MCPA (2-Methyl-4-chlorphenoxyessigsäure), MCPA-EHE (MCPA-2-ethylhexylester), Testosteron, und Coffein) mit den Ergebnissen von fünf Integritätstests verglichen: TEWL, TWF, TEER, jeweils im Vorfeld, ISTD (3H-Mannitol, 3H- Coffein, oder 3H-Testosteron) zusammen mit der Testsubstanz und BLUE (transepidermale Resorption von Methylenblau) am Ende des Versuches. Die Standardmethoden TEWL, TWF und TEER erwiesen sich als geeignet zur Vorselektion von intakten Hautproben bei Einhaltung folgender Grenzwerte: 10 g/(m²*h), 4.5*10-3 cm/h und 2 kOhm. Indessen war die Korrelation zu den Resorptionsergebnissen der 14C-markierten Testsubsubstanz gering. Im Gegensatz dazu, bestand eine Korrelation zwischen den Ergebnisse des ISTD und den Ergebnissen der Testsubstanz (z. B. R² 0.86 für maxKp (maximaler Permeabilitätskoeffizient) von 14C-MCPA und 3H-Testosteron). Weitere Vorteile des Integritätstests ISTD sind die Bewertung der Hautbarriere über die gesamte Expositionszeit hinweg und die Unterscheidung von substanzspezifischen ‚wash- in‘ Effekten von Effekten, die auf eine gestörte Hautbarriere zurückzuführen sind. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass sich die 14C- markierte Testsubstanz und der 3H-markierte ISTD nicht gegenseitig hinsichtlich Analytik oder Resorptionsverhalten beeinflussen. Für eine Routineanwendung des Integritätstests ISTD fehlen allerdings noch historischen Daten. Es wird empfohlen, Daten für mehrere ISTDs – repräsentativ für verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften – unter verschiedenen experimentellen Bedingungen als historischen Vergleichsdatensatz zu generieren. Bezüglich experimenteller Einflussfaktoren auf die dermale Resorption in vitro, wurden in der vorliegenden Arbeit Ergebnisse von statischen und ‚Durchfluss‘-Experimenten verglichen. Dazu wurde 14C-MCPA und 3H-Testosteron semi-okklusiv auf Rattenhaut appliziert. In Übereinstimmung mit der Literatur wurden für beide Systeme ähnliche Ergebnisse erzielt (z. B. ein maxKp (14C-MCPA) von 21.4 ± 10.4*10-5cm/h im statischen und von 22.8 ±18.4*10-5cm/h im Durchflusssystem). Wiederholte Applikation einer MCPA- Formulierung über drei Tage auf Rattenhaut, führte zu einer verstärkten Resorption der anschließend applizierten 14C-MCPA Dosis (AD 75 ± 24 %) im Vergleich zur Applikation einer Einzeldosis 14C-MCPA (14 ± 3 %). Dieser Effekt war auf die Formulierung, aber auch auf den mechanischen und chemischen Stress durch die Waschungen zwischen den Applikationen zurückzuführen. Die Hautproben waren mit voranschreitender Zeit weniger resistent gegenüber solchen Einflüssen. Insgesamt erwies sich dieser in vitro Ansatz zur routinemäßigen Untersuchung des Einflusses einer wiederholten Applikation als nicht geeignet. Weiterhin wurde der Einfluss der Hautpräparation auf die Resorption in vitro untersucht. Dazu wurde unter identischen experimentellen Bedingungen, dermatomisierte Haut (DMS) und Vollhaut (FTS) vom selben humanen Spender eingesetzt. Vier 14C-markierte (MCPA-EHE, MCPA, Testosteron und Coffein) und zwei 3H-markierte (Testosteron und Mannitol) Testsubstanzen wurden als finite Dosen appliziert. Die Resorptionsergebnisse lagen für beide Hautpräparationsarten im gleichen Größenbereich (z. B. absorbierte Dosis (AD, 3H-Testosteron) 22.1 ± 7.1 % für DMS und 25.6 ± 9.2 % für FTS). Insgesamt wurden beide Präparationsarten für Routinestudien als geeignet bewertet. Allerdings ist DMS FTS vorzuziehen, da die erzielten maxKp-Werte mit DMS näher am ‚steady state‘ lagen als die maxKp-Werte, die mit FTS generiert wurden. Da die Verfügbarkeit von Humanhaut für Forschungszwecke begrenzt ist, wurde die Eignung von Rattenhautpräparaten, StrataTest® (ein kommerziell erhältliches Humanhautkonstrukt) und skin-PAMPA (eine synthetische Stratum-corneum-Membran) hinsichtlich einer Anwendung zur Bestimmung dermaler Resorption überprüft. Dazu wurden Experimente mit 14C-markierten und nicht markierten Modellsubstanzen (Testosteron, Coffein und MCPA) unter vergleichbaren experimentellen Bedingungen durchgeführt. In Übereinstimmung mit der Literatur, wurde Rattenhaut als geeignete Alternative zur Humanhaut bewertet, da deren Einsatz zu Resorptionen in der gleichen Größenordnung führte und gleichzeitig das regulatorische Prinzip des ‚worst case‘ für Risikobewertungen von z. B. Pflanzenschutzmitteln erfüllte. Skin-PAMPA erwies sich als überprädiktiv ((max)Kp 3- bis 53-fach höher im Vergleich zu den Ergebnissen mit Humanhaut in vitro). Wurde der Effekt der Mischung mit berücksichtigt und nur die Daten für wässrige Lösungen miteinander verglichen, so lagen die Resorptionsergebnisse mit skin-PAMPA näher an den Referenzwerten ((max)Kp 3- bis 8-fach höher im Vergleich zu den Ergebnissen mit Humanhaut in vitro) und es ergab sich eine Korrelation von R2 0.89. Ob skin-PAMPA auch für andere Vehikel als Wasser geeignet ist – was für die Untersuchung von Pflanzenschutzmittelformulierungen unablässig wäre – muss noch gezeigt werden. Im Gegensatz dazu, können verschiedenste Formulierungen auf StrataTest® appliziert werden. Allerdings waren die Resorptionsergebnisse mit diesem Konstrukt im Vergleich zur Humanhaut überprädiktiv (maxKp 5- bis 49-fach, AD 2- bis 4fach), zeigten keine Korrelation zu den Humanhautdaten und wurden deshalb zur Bestimmung dermaler Resorption als nicht geeignet bewertet. Neben der Barrierefunktion von StrataTest® wurden auch Aktivitäten von fremdstoffmetabolisierenden Enzymen charakterisiert. Mit hohen Esterase- und NAT 1- Aktivitäten (3.6 ± 0.1 and 7.2 ±1.6 nmol/(min*mg)) in S9 Fraktion, geringen AlDH- und FMO 1/3- Aktivitäten (3.1 ± 0.8 and 0.5 ± 0.1 nmol/(min*mg) und der Abwesenheit von UGT 1- und ADH- Aktivität – gemessen in Zytosolfraktion oder mikrosomaler Fraktion –, entspricht das Profil des Konstrukts mehr dem Profil einer Keratinozyten-Zelllinie als dem exzidierter Humanhaut oder anderen humanen Epidermis- (EpiDermTM) oder Vollhautkonstrukten (EpiDermTMFT and Phenion®FT) aus der Literatur. Weiterhin wurde die Esteraseaktivität in gefrorenen Humanhautproben untersucht. Bei Einsatz von S9 Fraktion und Modellsubstrat MCPA-EHE und Fluoresceindiacetat wurden Aktivitäten von 0.67 ± 0.26 nmol/(mg*min) und 0.7 ± 0.6 nmol/(min*mg) gemessen. Eine partielle Spaltung von MCPA-EHE zu MCPA wurde auch während dermaler Resorptionsexperimente in vitro beobachtet. Berücksichtigt man die Hinweise auf Abbau des Enzyms während der Lagerung, kann man schließen, dass teilweise – aber nicht quantitativ – hydrolaseabhängige Veränderungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften und damit mögliche Änderungen der Resorptionscharakteristika bei Verwendung solcher Hautstücke in dermalen Resorptionsstudien in vitro mit erfasst werden. Schließlich wurde ein in silico Modell für dermale Resorption unter spezieller Berücksichtigung von Mischungseffekten entwickelt. Dazu wurden Daten von mehr als 342 in vitro Experimenten mit 56 Substanzen in mehr als 100 Formulierungen verwendet. Ein Modell basierend auf einem substanzspezifischen Abraham Deskriptor (Rf2, ‚solute excess molar refractivity’), einem mischungs-spezifischen Faktor (TPSA, ‚topological polar surface area’) und einem Speziesindikator (SpI) erwies sich als geeignet, die Größenordnung der Resorption einer Substanz- Mischungs-Kombination vorherzusagen. Damit stellt dieses Modell ein geeignetes Werkzeug für die frühen Entwicklungsphasen von z. B. Pflanzenschutzmitteln dar. Präzisere Vorhersagen waren mit dem substanzbasierten Modell möglich. In diesem Modell wurden substanzbezogene Informationen in Klassenvariablen gebündelt und mit Mischungsfaktoren (molinspLogHBAcc, Logarithmus der Anzahl an Wasserstoffbrückenbindungsakzeptoren, Adme1/Pow, inverser Verteilungskoeffizient Oktanol/Wasser, Adme1/RotB, inverse Anzahl an rotierbaren Bindungen) kombiniert. Dieses Modell erlaubt die Interpolation zu neuen Formulierungen für integrierte Substanzen. Insgesamt ergänzt die vorliegende Arbeit aktuelle Kenntnisse hinsichtlich Einflussparameter der in vitro Methode zur Bestimmung der Hautpermeabilität und der Eignung verschiedener Hautintegritätstests aber auch die Forschung zur Entwicklung von validen in silico Prädiktionsmodellen. Allerdings sind weitere Untersuchungen zu empfehlen, um die Reproduzierbarkeit der Methode weiter zu erhöhen und die Routineapplikation der Prädiktionsmodelle zu ermöglichen.