In depth review analysis aiming to establish scientific regulatory criteria for the classification of chemical substances as cardiotoxicants according to relevant EU legislation

Abstract

Cardiovascular diseases are among the most significant causes of mortality in humans. Chemical substances toxicity and risk for human health are regulated at a European level through a well-developed regulatory network, but cardiotoxicity is not described as a separate hazard class. Currently, when assessing chemicals toxicity, cardiac effects if monitored and detected in animal studies, mainly on the tissue level, are considered by the authorities, but cardiotoxicity, as such, is not described as a separate hazard class of chemical substances through the available regulations, both at a European level and world-wide. Therefore, chemicals other than pharmaceutical agents are recognised to be cardiotoxic after having exerted such deleterious effects on humans, based on epidemiological studies.We investigated the published literature in order to conduct an in-depth review of the cardiac pathology and function impairment due to exposure to different group of chemicals, such as pesticides and anthracyclines based on both animal and human data. Then we evaluated two important echocardiographic indices, namely ejection fraction and fractional shortening, in the literature concerning anthracycline administration to rats as the reference laboratory animal model. Finally, we performed an in-depth review analysis of several biomarkers reported to be altered in animal models after anthracyclines administration in order to investigate which of them could potentially be used as biochemical criteria in a weight of evidence approach in conjunction to the echocardiography indices and the histopathology findings. The majority of human data on cardiotoxicity of pesticides (organophosphates, organothiophosphates, organochlorines, carbamates, pyrethroids, dipyridyl herbicides, triazoles and triazines), comes from poisoning cases and epidemiological data. Several cardiovascular complications have been reported in animal models including electrocardiogram abnormalities, myocardial infarction, impaired systolic and diastolic performance, functional remodelling and histopathological findings, such as haemorrhage, vacuolisation, signs of apoptosis and degeneration. Our research summarises for the first time the various side-effects on the cardiovascular system reported either in animal models (in vivo and ex vivo experiments) or in humans (epidemiological studies, case reports) after exposure to pesticides. In addition, the underlying mechanisms of the adverse outcomes are investigated in correlation with the mode of action of the various pesticides was reviewed. More than 40% of the studies reviewed reporting cardiotoxicity deal with pesticides acting through inhibition of carboxyl ester hydrolases, particularly acetylcholinesterase (AChE). The most prominent side effect reported in this mode of action is oxidative stress induced in the myocardial tissue (ca 30%), which is also common in all mode of actions reviewed (ca24%). One third of the effects noted due to exposure to pesticides that alter the function of voltage-gated sodium channels are electrical disorders, which account for 14% of the total number of disorders discussed. Myocardial dysfunction accounts for ca 15% of the disorders observed and coronary artery disease for almost 8% of the disorders, with a universal distribution in all modes of actions.Anthracyclines are used in cancer chemotherapy (e.g., leukaemia, lymphomas, stomach, uterine, ovarian, bladder and lung cancers) and they are isolated from Streptomyces bacterium. Clinically, the most important anthracyclines are doxorubicin, daunorubicin, epirubicin and idarubicin. Anthracyclines, are considered as well-established cardiotoxic compounds causing myocardial suppression. Cardiotoxicity in terms of impairment of cardiac function is largely diagnosed by echocardiography and based on objective metrics of cardiac function. In our research, we focused on the evaluation of two important echocardiographic indices, namely ejection fraction (EF) and fractional shortening (FS), in the literature concerning anthracycline administration to rats as the reference laboratory animal model. The normal and suppressed values of the two main echocardiographic indices discussed, %EF and %FS, respectively, have been identified. Reported baseline (normal) %EF values in rats vary (55%-96.5%). In 78.2% of the studies reviewed, normal values range from 70 to 90%. High %EF values (>90%) are reported in 14% of the studies. In contrast, normal %FS values present even higher variability (25%-84.2%). The majority (66.7%) of the values, though, are reported to be within the range of 40 and 60%. The suppressed %EF values reported from rats after anthracycline administration vary from 31% to 91%. EF values 50-80% are reported in 72.3% of the studies reviewed. Suppression of the %EF due to anthracycline administration varies from 10 to 40% compared to the normal values in more than two thirds of the studies reviewed (71.7%). On the other hand, suppressed %FS values ranging from 14% to 71.8%, present a more narrow distribution (%FS values 20-50% in 84.6% of the studies). We performed an in-depth review analysis of several biomarkers reported altered in animal models after anthracyclines administration in order to investigate which of them could potentially be used as biochemical criteria in a weight of evidence approach. The statistical analysis of the cardiac enzymes mainly, but of the biomarkers of oxidative stress, reveal a similar pattern from healthy rats to rats with cardiotoxic manifestations due to anthracycline exposure known to be relevant to humans. All these published data suggest clearly that there is a need to establish regulatory criteria for assessing cardiotoxicity as an inherent property of a chemical substance well in advance and characterize the risk of exposure to such chemicals through a well-developed regulatory network based on animal models, as it is the case for other human health hazard classes. Regulatory established criteria will enable international organizations to early identify cardiotoxic effects and classify chemicals in order to avoid long-term cardiovascular complications. Classification should be based on:a.Anatomical and histopathological criteria, b.Echocardiographic criteria (e.g. LVEF, LVFS), and/or other cardiac imaging modalities (e.g. MRI) andc.Biochemical criteria, of generic nature (e.g. circulating oxidative stress mark-ers), of more specific nature (e.g. oxidative stress markers of the cardiac tissue) and heart specific biomarkers (e.g. cardiac enzymes).

Οι καρδιαγγειακές παθήσεις είναι από τις πιο σημαντικές αιτίες θνησιμότητας. Η τοξικότητα των χημικών ουσιών και ο κίνδυνος για την ανθρώπινη υγεία ελέγχονται σε ευρωπαϊκό επίπεδο μέσω ενός καλά ανεπτυγμένου νομοθετικού δικτύου, αλλά η καρδιοτοξικότητα δεν περιγράφεται ως ξεχωριστή κατηγορία κινδύνου. Επί του παρόντος, κατά την αξιολόγηση της τοξικότητας των χημικών, οι καρδιακές επιδράσεις (εάν παρακολουθούνται και ανιχνεύονται σε μελέτες σε ζώα, κυρίως σε επίπεδο ιστών), λαμβάνονται υπόψη από τις αρχές, αλλά η καρδιοτοξικότητα, αυτή καθαυτή, δεν περιγράφεται ως χωριστή κατηγορία κινδύνου χημικών ουσιών μέσω των διαθέσιμων κανονισμών, τόσο σε ευρωπαϊκό όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο. Ως εκ τούτου, οι χημικές ουσίες, εκτός των φαρμακευτικών ουσιών, αναγνωρίζονται ως καρδιοτοξικές με βάση επιδημιολογικές μελέτες. Πραγματοποιήσαμε μια εις βάθος έρευνα της δημοσιευμένης βιβλιογραφίας και πιο συγκεκριμένα προβήκαμε στην ανασκόπηση της καρδιακής παθολογίας και της υπολειτουργικότητας λόγω έκθεσης σε διαφορετικές ομάδα χημικών ουσιών, όπως τα φυτοφάρμακα και οι ανθρακυκλίνες, βασιζόμενοι σε δεδομένα τόσο ζώων όσο και ανθρώπων. Στη συνέχεια, αξιολογήσαμε δύο σημαντικούς ηχοκαρδιογραφικούς δείκτες, πιο συγκεκριμένα το κλάσμα εξώθησης και τo κλάσμα βράχυνσης της αριστερής κοιλίας, σχετικά με τη χορήγηση ανθρακυκλίνης σε αρουραίους ως μοντέλο αναφοράς. Τέλος, πραγματοποιήσαμε μια εις βάθος ανάλυση διαφόρων βιοδεικτών που αναφέρθηκαν διαφοροποιημένοι σε αρουραίους μετά τη χορήγηση ανθρακυκλινών, προκειμένου να διερευνήσουμε ποιος από αυτούς θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί με σκοπό τη θέσπιση βιοχημικών κριτηρίων που σε συνδυασμό με τους δείκτες ηχοκαρδιογραφίας και τα ιστοπαθολογικά ευρήματα θα μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν σε μια προσέγγιση ανάλυσης δεδομένων με βάση την εγκυρότητά και σχετικότητά τους.Για τα φυτοφάρμακα (οργανοφωσφορικά, οργανοθειοφωσφορικά, οργανοχλωρικά, καρβαμιδικά, πυρεθροειδή, διπυριδυλοζιζανιοκτόνα, τριαζόλες και τριαζίνες), η πλειονότητα των δεδομένων για καρδιοτοξικότητα προέρχεται από περιπτώσεις δηλητηρίασης και επιδημιολογικά δεδομένα. Αρκετές καρδιαγγειακές επιπλοκές έχουν αναφερθεί σε ζώα, όπως ανωμαλίες στο ηλεκτροκαρδιογράφημα, έμφραγμα του μυοκαρδίου, μειωμένη συστολική και διαστολική απόδοση, λειτουργική αναδιαμόρφωση και ιστοπαθολογικά ευρήματα, όπως αιμορραγία, κενοτοπίωση, σημεία απόπτωσης και εκφυλισμού. Η έρευνά μας συνοψίζει για πρώτη φορά τις διάφορες παρενέργειες στο καρδιαγγειακό σύστημα που αναφέρθηκαν είτε σε ζώα (in vivo και ex vivo) είτε σε ανθρώπους (επιδημιολογικές μελέτες, αναφορές περιστατικών) μετά από έκθεση σε φυτοφάρμακα. Επιπλέον, διερευνήθηκαν οι υποκείμενοι μηχανισμοί των δυσμενών επιπτώσεων σε συσχέτιση με το μηχανισμό δράσης των διαφόρων φυτοφαρμάκων. Περισσότερο από το 40% των μελετών που εξετάστηκαν αναφέρουν ότι η καρδιοτοξικότητα αφορά φυτοφάρμακα που δρουν μέσω της αναστολής των υδρολασών των καρβοξυλικών εστέρων, ιδιαίτερα της ακετυλοχολινεστεράσης (AChE). Η πιο εμφανής ανεπιθύμητη ενέργεια που αναφέρεται σε αυτόν τον μηχανισμό δράσης είναι το οξειδωτικό στρες που προκαλείται στον ιστό του μυοκαρδίου (περίπου 30%), το οποίο είναι επίσης κοινό σε όλους τους μηχανισμούς δράσης που εξετάστηκαν (περίπου 24%). Το ένα τρίτο των επιπτώσεων που σημειώνονται λόγω της έκθεσης σε φυτοφάρμακα είναι ηλεκτρικές διαταραχές που αλλάζουν τη λειτουργία των διαύλων νατρίου, οι οποίες αντιπροσωπεύουν το 14% του συνολικού αριθμού των διαταραχών που συζητήθηκαν. Η δυσλειτουργία του μυοκαρδίου αντιπροσωπεύει περίπου το 15% των διαταραχών που παρατηρούνται και η στεφανιαία νόσος για σχεδόν το 8% των διαταραχών.Οι ανθρακυκλίνες χρησιμοποιούνται στη χημειοθεραπεία του καρκίνου (π.χ. λευχαιμίες, λυμφώματα, καρκίνοι στομάχου, ωοθηκών, ουροδόχου κύστης και πνευμόνων) και απομονώνονται από το μύκητα Streptomyces. Κλινικά, οι πιο σημαντικές ανθρακυκλίνες είναι η δοξορουβικίνη, η δαουνορουβικίνη, η επιρουβικίνη και η ιδαρουβικίνη. Οι ανθρακυκλίνες αποτελούν αποδεδειγμένα καρδιοτοξικές ενώσεις. Η καρδιοτοξικότητα όσον αφορά τη μείωση της καρδιακής λειτουργίας διαγιγνώσκεται σε μεγάλο βαθμό με ηχοκαρδιογραφία και βασίζεται σε αντικειμενικές μετρήσεις της καρδιακής λειτουργίας. Στην έρευνά μας, εστιάσαμε στην αξιολόγηση δύο σημαντικών ηχοκαρδιογραφικών δεικτών, δηλαδή του κλάσματος εξώθησης και τoυ κλάσματος βράχυνσης της αριστερής κοιλίας, στη βιβλιογραφία σχετικά με τη χορήγηση ανθρακυκλίνης σε αρουραίους ως μοντέλο αναφοράς. Οι φυσιολογικές και οι κατασταλμένες τιμές των δύο κύριων ηχοκαρδιογραφικών δεικτών που συζητήθηκαν, %EF και %FS, αντίστοιχα, έχουν ταυτοποιηθεί. Οι αναφερόμενες τιμές αναφοράς (φυσιολογικές) %EF σε αρουραίους ποικίλλουν (55%-96,5%). Στο 78,2% των μελετών που εξετάστηκαν, οι φυσιολογικές τιμές κυμαίνονται από 70 έως 90%. Υψηλές τιμές %EF (>90%) αναφέρονται στο 14% των μελετών. Αντίθετα, οι κανονικές τιμές %FS παρουσιάζουν ακόμη μεγαλύτερη μεταβλητότητα (25%-84,2%). Ωστόσο, η πλειονότητα (66,7%) των τιμών αναφέρεται ότι κυμαίνεται μεταξύ 40 και 60%. Οι κατασταλμένες τιμές %EF που αναφέρθηκαν από αρουραίους μετά τη χορήγηση ανθρακυκλινών κυμαίνονται από 31% έως 91%. Οι τιμές EF 50-80% αναφέρονται στο 72,3% των μελετών που εξετάστηκαν. Η καταστολή του %EF λόγω χορήγησης ανθρακυκλίνης κυμαίνεται από 10 έως 40% σε σύγκριση με τις φυσιολογικές τιμές σε περισσότερα από τα δύο τρίτα των μελετών που εξετάστηκαν (71,7%). Από την άλλη πλευρά, οι κατασταλμένες τιμές %FS που κυμαίνονται από 14% έως 71,8%, παρουσιάζουν μια πιο στενή κατανομή (τιμές %FS 20-50% στο 84,6% των μελετών).Πραγματοποιήσαμε μια εις βάθος ανάλυση διάφορων βιοδεικτών σε ζωα πριν και μετά τη χορήγηση ανθρακυκλινών, προκειμένου να διερευνήσουμε ποιοι από αυτούς θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν ως βιοχημικά κριτήρια σε μια προσέγγιση ανάλυσης δεδομένων με βάση την εγκυρότητά και σχετικότητά τους. Η στατιστική ανάλυση των τιμών των καρδιακών ενζύμων κυρίως, αποκαλύπτει παρόμοιο μοτίβο από υγιείς αρουραίους σε αρουραίους με καρδιοτοξικές επιπτώσεις λόγω έκθεσης σε ανθρακυκλίνες.Όλα τα δεδομένα υποδηλώνουν σαφώς ότι υπάρχει ανάγκη να θεσπιστούν ρυθμιστικά κριτήρια για την αξιολόγηση της καρδιοτοξικότητας ως εγγενούς ιδιότητας μιας χημικής ουσίας και να χαρακτηριστεί ο κίνδυνος έκθεσης σε τέτοιες χημικές ουσίες μέσω ενός ρυθμιστικού δικτύου βασισμένου σε ζωικά μοντέλα, όπως συμβαίνει αντίστοιχα και με άλλες τάξεις κινδύνου για την ανθρώπινη υγεία. Τα κριτήρια θα επιτρέψουν στους διεθνείς οργανισμούς να εντοπίζουν έγκαιρα τις καρδιοτοξικές επιδράσεις και να ταξινομούν τις χημικές ουσίες προκειμένου να αποφευχθούν μακροχρόνιες καρδιαγγειακές επιπλοκές. Η ταξινόμηση πρέπει να βασίζεται σε:1.Ανατομικά και ιστοπαθολογικά κριτήρια,2.Ηχοκαρδιογραφικά κριτήρια (π.χ. LVEF, LVFS) και/ή άλλες τεχνικές απεικόνισης της καρδιάς (π.χ. μαγνητική τομογραφία) και3.Βιοχημικά κριτήρια, γενικής φύσεως (π.χ. δείκτες οξειδωτικού στρες του κυκλοφορικού συστήματος), πιο ειδικής φύσεως (π.χ. δείκτες οξειδωτικού στρες του καρδιακού ιστού) και ειδικοί βιοδείκτες για την καρδιά (π.χ. καρδιακά ένζυμα).