Uncertainty on conventional methods for reverse dosimetry from urinary biomarkers of environmental chemicals

Abstract

Biomonitoring data is an indicator of internal exposure used in chemical risk assessment. As exposure to environmental chemicals is managed by deriving daily intake, several methods to back calculate biomarker concentration into external dose have been developed. The reverse dosimetry approaches conventionally use urinary excretion fraction (Fue) or a toxicokinetic (TK) model. These methods assume that the concentrations of the biomarker in the biological samples reflect the average exposure when external exposure continuously occurs. However, it is important to consider exposure characteristics of short-lived chemicals, as biomarker levels in the urine samples may vary depending on the half-life of the substance and the interval between actual exposures to the chemical. In this study, the national biomonitoring data of two representative chemicals, BPS and DEHP were used to estimate oral-equivalent intakes with different reverse dosimetry methods. After optimizing TK models to fit the urinary excretion profile of controlled human experiments, dose estimates using TK model were compared to those using the Fue values as a golden standard. Also, single, and multi-compartment TK models were compared to show that the distribution of daily intake can vary according to the model structure. As a result, the exposure calculated using the Fue value was likely to overestimate real life exposure, 8-hour interval scenario assumed in each TK model. To further examine the sources of uncertainty, a single compartment model was simulated with varying half-lives and exposure intervals. Overall, simple TK models and simulation data highlighted the importance of identifying exposure characteristics to reduce uncertainty in reverse dosimetry approaches for biomonitoring-based exposure assessment.

바이오모니터링 연구는 인구집단의 내적 노출량을 보여주는 지표로서 노출평가에 널리 쓰이고 있다. 유해 화학물질의 노출을 관리할 때에는 일평균 노출량 같은 인체 노출 안전 기준을 도출해 이뤄지기 때문에 바이오마커 농도를 노출량으로 역추정하는 다양한 방법이 개발되어 왔다. 노출량을 역추정할 때에는 대표적으로 소변 배설 분율(Fue) 또는 독성동태학 모델(TK)를 이용할 수 있다. 이러한 방법은 생체 시료 중 바이오마커의 농도가 외적 노출이 지속적으로 일어나는 상황에서 평균적인 노출을 반영한다는 가정한다. 하지만 체내 반감기가 짧은 물질은 실제로 물질에 노출되는 간격에 따라서 바이오마커의 농도가 달라질 수 있으므로 바이오모니터링 기반 노출 평가 시에는 노출 특성을 고려하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 인체 노출 실험 결과가 존재하며, 체내 대사가 빠르게 일어나 국가 바이오모니터링 연구에서 소변 중 바이오마커를 측정하는 BPS와 DEHP를 대상 물질로 선정하였다. 1-구획과 2-구획 TK 모델을 각각의 바이오마커에 대해 최적화해 경구 등가 노출량을 역산한 값을 토대로 Fue 값을 활용해 산출한 결과를 평가하였다. 그 결과 Fue 값을 활용한 경우에는 TK 모델로 현실적인 8시간 간격 노출을 시뮬레이션한 경우와 비교했을 때 노출량이 약 2배 이상 달라지는 것으로 나타났다. 또한, 1-구획 TK 모델을 활용해 체내 반감기가 짧은 물질에 대해 물질이 다양한 시간 간격으로 노출될 때 노출량 추정에 미치는 영향을 살펴보았다. 그 결과, 노출 평가를 할 때에는 역산 방법의 불확실성을 줄이기 위해서 물질의 노출 특성을 파악하는 것이 중요하다는 것을 확인하였다.