Contribution to comparability of in-vitro and in-vivo man-made mineral fibre (MMMF) durability experiments

Abstract

Toxicologists discuss three major conditions which must be met in order to prevent adverse health effects of dust with regard to three necessary fibre properties: the fibre has to be thin, long, and durable. First definitions concerning the geometric properties thin and long were made already in 1972; however, the criterion durability has not yet been defined. The durability of man-made siliceous fibres has been tested with experimental animals (in-vivo) as well as with purely chemical methods (in-vitro). A reaction of first order was deduced from in-vivo experiments. On the other hand, in-vitro experiments in different setups proved all to follow zeroth-order kinetics. From that, it was postulated sometimes that in-vitro experiments are unsuited to determine the persistence of man-made siliceous fibres. The present study will show that correct mathematical treatment of in-vivo data leads to the same results as obtained from in-vitro experiments. The lg-normal distribution in fine fibrous dust is responsible for the seemingly first-order pattern for mass and fibre number. If the time intervals are chosen to be rather long - as in published in-vivo studies - it is impossible to demonstrate the deviation from the dissolution process at the beginning and at the end. This means the solution of the apparent discrepancy between in-vivo and in-vitro experiments. The mathematical model allows to estimate the lifetime of inhaled fibrous particles from known dissolution velocity and fibre size distribution for the worst case, since the chemical process of dissolution of siliceous fibres is superimposed by accelerating effects as fragmentation or clearance. The validity of the model is shown by comparison with data from an inhalation study [1 to 3]. Also, the model allows the calculation of the accumulated fibre number from dose and duration of exposure. In der Diskussion um die Vermeidung gesundheitsschädigender Auswirkungen faserförmiger Feinstäube werden von Toxikologen drei notwendige Fasereigenschaften genannt: Die Faser muß dünn, lang und beständig sein. Während für die geometrischen Eigenschaften dünn und lang schon 1972 erste Bewertungskriterien formuliert wurden, fehlen solche bis heute für das Kriterium Beständigkeit. Die Beständigkeit künstlicher silicatischer Fasern wurde in der Vergangenheit sowohl im Tierversuch (in-vivo) als auch nach rein chemischen Methoden (invitro) ermittelt. Dabei wurde aus In-vivo-Untersuchungen ein Reaktionsmechanismus erster Ordnung abgeleitet. In-vitro-Untersuchungen nach verschiedenen Methoden ergaben jedoch übereinstimmend einen Reaktionsablauf nullter Ordnung. Daraus wurde gelegentlich der Schluß gezogen, In-vitro-Untersuchungen seien zur Beurteilung der Beständigkeit künstlicher silicatischer Fasern untauglich. In der vorliegenden Untersuchung wird gezeigt, daß die korrekte mathematische Auswertung von In-vivo-Versuchen zu den gleichen Ergebnissen wie bei den In-vitro-Versuchen führt. Durch die in faserförmigen Feinstäuben vorhandene logarithmische Normalverteilung wird für Masse und Faserzahl ein Reaktionsmuster erster Ordnung nur vorgetäuscht. Wenn - wie in den publizierten In-vivo-Untersuchungen - die Meßintervalle groß gewählt werden, können die Abweichungen vom Reaktionsveriauf am Anfang und am Ende nicht erfaßt werden. Damit ist der scheinbare Widerspruch zwischen In-vivo- und In-vitro-Untersuchungen geklärt. Das mathematische Modell erlaubt es, aus bekannter Auflösungsgeschwindigkeit und Fasergrößenverteilung die Lebensdauer inkorporierter faserförmiger Partikel im Sinne des ungünstigsten Falles abzuschätzen, da der chemische Auflösungsprozeß silicatischer Fasern durch andere Effekte wie Fragmentierung oder Clearance überlagert wird, die beschleunigend wirken. Ein Vergleich mit Meßwerten aus Inhalationsstudien bestätigt das Modell [1 bis 3]. Es erlaubt zugleich die Berechnung der akkumulierten Faserzahl in Abhängigkeit von Dosis und Expositionsdauer.