Biomarkers of Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Exposure in European Coke Oven Workers: relationship 

between PAH internal dose markers and target organ DNA adduct levels

Glenn Talaska, Jeff Thoroman,  Brenda Schuman, Tobias Weiß

and Heiko Kafferlein

1HP Conversions

• 1 umol/mol creatinine = 1.93 ug/l • 1 ug/l = 0.49 umol/mol creatinine

– Essentially multiply or divide by 2 

• 1ug/l ~= 0.8ug/g creatinine

Some Issues in PAH Biomonitoring

• 1HP used to estimate exposure to 4+ ring PAH– Similar physical properties, better signal than BAP metabolites  

• 1HP reference values– ACGIH: 1ug/l Nq BEI– NOEL (based on indirect epi data): 2.7ug/l– Based on current Air standards (TLVs) : 4.4 ug/l – HSE Guidance Value:  ~8ug/l (4 umol/mol creatinine)

• Only the estimated NOEL is Health Based

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

urinary 1-HP (ug/l)

0.00

1.70

3.40

5.10

6.80

8.50nu

mbe

r of s

tudi

es

Distribution of estimates of median1-hydroxypyrene levels by smoking status

Approaches to Relate Metabolite Levels to Health Effects

• Metabolite levels and subsequent disease• Metabolite levels and intermediate biomarkers 

Data to Date

• Schoket’s group reported (2008) that 22 of 37 studies relating DNA adduct levels to urinary metabolites were negative (Gyorffy et al, Mutagenesis, 23, 1‐18.

• Why?

More issues

• Target versus surrogate tissues for effective dose biomarkers

• Temporal relationship between markers– What exposure window does the marker capture?– Relationship between metabolites and adducts

• Pre‐shift versus post‐shift 1HP levels– 1HP has multiple elimination half‐lives, can they be used to advantage ?

DNA Adducts as a Health Effect

• Plausible biology:  the pre‐mutagenic lesion• Associated with liver cancer prospectively in China (Groopman Group) and Veglia et al (2008) Adducts and Lung and bladder cancer risk in current smokers (meta analysis) 

• Increases in adducts levels correlated with increased cancer risk in smokers, benzidine workers and others.  

• Can they be used as an endpoint to determine a level of metabolite that can considered  “safe” ?

Coke Oven Workers and Urinary Bladder Cancer (UBC)

• Manz saw an increase in UBC in coke oven workers using PMR

• Doll reported increases in UBC in coal gasification workers 

• IARC (1984) reports increases in lung and kidney cancers (not UBC)

• Armstrong et al (2003) reported a URR of 1.33 for UBC and PAH exposure, but mostly for aluminum plant workers

Coke oven work and genotoxicity

• Coke oven workers have elevated levels of mutagens in their urine (8X over controls)

• Urinary mutagenicity related to BOTH GST and NAT2 activities suggesting both PAH and aromatic amines may be involved

Methods

• Pre‐shift urine samples obtained from 32 coke oven workers–3 supervisors–10 side area workers–10 side oven workers–2 top and side oven workers–7 top oven workers

Methods (cont.) 

• Urine samples frozen with glycerin and shipped to Cincinnati

• Thawed, filtered to collect the exfoliated urothelial cells; DNA isolation and adduct analysis by 32P‐postlabeling

• Supernatants: metabolites concentrated on C‐18 Sep‐paks, eluted and analyzed on HPLC with fluorescence detection(ex:242nm; em:387nm)

Results

Correlation Tableadduct 1 adduct 2 adduct 3 adduct 4

1HP ‐0.17 ‐0.14 0.110.69*P<0.01

Cigarettes per Day All Workers Side area and  Supers

Oven Workers

1HP 0.21 0.16 0.29

Adduct 4 0.12 0.32 0.14

Months Working

1HP ‐0.22 0.05 ‐0.49*

Adduct 4 ‐0.43* 0 ‐0.63*

Correlations with Smoking and Tenure

Discussion

• Adduct 4 was not positively identified as a PAH Adduct…..may be an aromatic amine (AA). 

• But, not related to smoking and Weiß saw that there was no increase in AA metabolites in a cokery.  

• 1HP levels <1 ug/l NOT associated with increased adduct levels

• 1HP levels  >1 ARE associated with increased DNA adduct levels. (consistent with previous SCE data)

Discussion Question 

• Are adduct levels sufficient warning‐viz. the precautionary principle‐ for occupational cancer when there are limited data showing statistically significant increases in UBC in this group of workers?  

• If so, then a 1HP level greater than 1ug/l indicate an increase in risk and effect

Thank You

• The University of Cincinnati College of Medicine, Department of Environmental Health, Cincinnati, OH USA 

• Institute for Prevention and Occupational Medicine, Ruhr University Bochum, Germany

• Coke Oven Workers participating in the studies

Acute (short term) Exposure

Chronic Exposure