INNOVA Holzboard 2010 Leipzig 18. November 2010

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1 INNOVA Holzboard 2010 Leipzig 18. November 2010 Macht Holz krank? Medizinische und toxikologische Erkenntnisse zur Wirkung holzspezifischer Emissionen Univ.-Professor Dr. med. Dr. med. habil. Volker H. Mersch-Sundermann Ärztlicher Direktor Instituts für Umweltmedizin / Department of Environmental Health Sciences Universitätsklinikum Freiburg i. Breisgau

2 DEHS Department of Environmental Health Sciences (EHS) Baustoffforschung am Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene AG Innenraumtoxikologie (Dr. rer. nat. Richard Gminski) Umweltmedizin und umweltmedizinische Ambulanz (Dr. med. Winfried Ebner) Wohnmedizin (Dr. rer. nat. Julia Hurraß) AG Wirkungsforschung / Molekulare Zellbiologie (Dr. biol. hom. Evelyn Lamy) Chemische Analytik (Prof. Dr. Klaus Kümmerer)

3 Energieeffizientes Bauen Dichte Gebäudehüllen ( tight buildings) (Luftwechsel zt. <0,1 h -1 ) Emissionen aus Baustoffen, Einrichtungsgegenständen usw. Anreicherung von Schadstoffen In der Innenraumluft Neuartige Bauprodukte Neue Chemikalien Neue Technologien Diskomfort Geruchliche Belästigungen Gesundheitsstörungen Krankheiten

4 Kohlendioxid (CO 2 )-Konzentrationen in einem 40 m 3 großen Raum mit Luftwechsel 1/h und Belegung mit 4 Personen bei leichter körperlicher Bewegung (50 W) CO2-Entwicklung (Innnenraum) Hygienisch inakzeptable* Hygienisch bedenklich* CO2 (ppm) Außenluftkonzentration Zeit (Minuten) * nach Angaben der ad-hoc-arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der Innenraumlufthygienekommission und der Landesgesundheitsbehörden

5 Welche biologischen (gesundheitlichen) Effekte könnten infolge einer Exposition gegenüber VOC-Emissionen erwartet werden?

6 Sensorische und irritative Effekte* (1) Olfaktorische (sensorische) Stimulation N.olfactorius-Rezeptor-Bindung / Zell-/Gewebeschäden DD: Irritation (höhere Expositionsdosen und geringere Selektivität) (2) Chemo(sensorische) Irritation trigeminal, glossopharyngeal, vagal (polymodale Nozirezeptoren); Zell-/Gewebeschäden, Syptome: Stechen, Brennen, Kribbeln, reflexhaft: Lidschlagfrequenz (3) Irritation pathophysiologische Korrelate (Vaskularisation, inflamm. Marker, Lidschlagfrequenz ) (4) Mucous Membrane Irritation (MMI) Infammation und Schmerzen der Schleimhäute; TNF-α, Interleukine, IgE z.b. bei Exposition gegenüber Schimmel, Stäuben, VOC (5) Neurogene Inflammation Hypothese: Reizung (trigeminaler) Irritanzrezeptoren Freisetzung von Neuropeptiden (Substanz P, Neurokin A, CGRP) Inflammation Schmerzempfindung * Relevanteste Effekte für Nicht-CMR-VOC

7 Effekte von Inhalationstoxinen Olfaktorische (sensorische) Stimulation GERUCH Chemo(sensorische) Irritation LIDSCHLAGFREQUENZ Irritation LIDSCHLAGFREQUENZ, NO, INFLAMMATIONSMARKER [Mucous Membrane Irritation (MMI)] [Neurogene Inflammation] Veränderung der Lungenfunktion (z.b. FEV1) [Chronische Effekte (auch CMR) FIBROSE / TUMOREN ] Akute Zytotoxizität / Nekrose / Gewebeschäden DOSIS

8 Emissionen aus Holz bzw. Holzwerkstoffen TERPENE [α-pinen, β-pinen, Δ-3-Caren 2), Limonen 2) ] C 1 -C 2 -Aldehyde [Formaldehyd 1)2)3), Acetaldehyd 1) ] GESÄTTIGTE C 3 -C 10 -ALDEHYDE [Propanal, Butanal, Pentanal, Hexanal, Heptanal, Octanal, Nonanal, Decanal] α/β-ungesättigte C 5 -C 11 -ALDEHYDE [2-Pentenal, 2-Heptenal, 2-Hexenal, 2-Octenal, 2-Decenal, 2-Undecenal] ZYKLISCHE ALDEHYDE [Furfuraldehyd 1), Benzaldehyd] SÄUREN [Essigsäure, Butansäure, Pentansäure, Hexansäure (Capronsäure)] ALKANE 4) C 2 -C 4 -ALKYLBENZOLE 4)

9 α-pinen Molmasse Siedepunkt Dichte Dampfdruck Sättigung 136,24 g/mol 155 C 0, Pascal ~ 20 g/m 3 Mersch-Sundermann, Umweltmedizin in Forschung und Praxis 12 (2007) Zwei toxikologisch relevante Enantiomere: (+)-α-pinen (-)-α-pinen

10 Problem aus medizinischer Sicht: EXPOSITION gegenüber holzspezifischen VOC-EMISSIONEN (sowie deren atmosphärischen Reaktionsprodukten) Frage: Gesundheitliche/Toxikologische Effekte? Forschungsprojekt am Universitätsklinikum der Universität Freiburg in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut (WKI) Braunschweig Gesundheitliche Wirkungen holzspezifischer Emissionen

11 Durchgeführte Studien im Gesamtprojekt ( ) in vivo in vitro humane Biomarker mit Effektschwellen Dosis-Wirkungskurven für Ableitungen (I) Humane Kammerexposition mit OSB (II) Humane Kammerexposition mit Kiefern-Vollholz (III) In vitro-studien mittels Biologischer Kammerexposition (BIKAS)

12 Probandenstudie mit jeweils Probanden Einschlusskriterien Jahre gesund nicht-rauchend Ausschlusskriterien chronische, insbesondere pulmonale Vorerkrankungen Allergien, insbesondere Atemwegsallergien akute Infekte keine Hypersensitivität (Geruchsempfindlichkeit bis unspezifische bronchiale Hyperreagibilität)

13 Charakterisierung der Probanden (N = 24) Anamnese Medizinische Untersuchung Testung auf Geruchsempfindlichkeit ( Sniffin Sticks ) Laboruntersuchungen (Blutbild, IgE, CrP) Freiburger Persönlichkeitsinventar (FPI) Fragebogen zur Lebenszufriedenheit (FLZ)

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15 Untersuchte Effekte Medizinische Untersuchung der Probanden (vor und nach Exposition) Lungenfunktionsanalytik (FVC, FEV1) (vor und nach Exposition) Bestimmung des exhalierten Stickoxids (NO) (vor und nach Exposition) Messung der Lidschlussfrequenz (während der gesamten Exposition) 100 mm-visual analog Scales (VAS) (vor, während und nach der Exposition) Geruchsklassifikation (Semantisches Differenzial) (Kalibrierung vor und Erhebung nach Exposition)

16 100 mm - Visual Analog Scale (VAS) Zeitpunkt (Minuten): Proband (Nr): Datum: Geben Sie die Stärke der jeweiligen Empfindung auf den Linien mit einem dünnen, senkrechten Strich an! Reizung, Brennen, Jucken oder Tränen der Augen Keine Kaum Etwas Ziemlich Stark Sehr stark Fast unerträglich Reizung, Brennen, Jucken oder Laufen der Nase Reizung oder Brennen in Mund, Rachen oder Atemwegen Atmungsschwierigkeiten Geruch Kopfschmerzen Schwindel Erschöpfung VAS nach Ernstgard et al., Tox Lett 165 (2006) (modifiert)

17 Studie Gesundheitliche Effekte von Kiefernvollholz

18 Kiefernholzstudie Studiendesign (N=15 Probanden) Exposition 1 (E1): Exposition 2 (E2): Exposition 3 (E3): Exposition der Probanden gegenüber Reinluft (Reinluft-Referenz 1). 2 Wochen nach E1: Exposition der Probanden gegenüber frischem Kiefernholz mit einer Beladung von 1 m²/m³ 2 Wochen nach E2: Exposition der Probanden gegenüber frischem Kiefernholz mit einer Beladung von 3 m²/m³ Exposition 4 (E4): 6 Wochen nach E3: Exposition der Probanden gegenüber frischem Kiefernholz mit einer Beladung von 2 m²/m³ Exposition 5 (E5): 2 Wochen nach E2: Exposition der Probanden gegenüber Reinluft (Reinluft-Referenz 2).

19 0 Gr 1 Gr 2 Gr 3 Gr 4 Gr 5 Gr 6 Gr 1 Gr 2 Gr 3 Gr 4 Gr 5 Gr 6 Gr 1 Gr 2 Gr 3 Gr 4 Gr 5 Gr 6 Gr 1 Gr 2 Gr 3 Gr 4 Gr 5 Gr 6 Gr 1 Gr 2 Gr 3 Gr 4 Gr 5 Gr VOC-Konzentrationen in der Expositionskammer (Kiefernholz-Studie) VOC [µg/m3] Gesamtterpene [µg/m3] a-pinen [µg/m3] 3-Caren [µg/m3] Andere Terpene [µg/m3] Formaldehyd [µg/m3] Andere Aldehyde [µg/m3] 0 m2/m3 1 m2/m3 2 m2/m3 3m2/m3 0 m2/m3 Kammer-Konzentrationen [µg/m3]

20 Temperatur und relative Feuchte in der Expositionskammer (Kiefernholz-Studie) (Bsp.: Untersuchung von 5 Gruppen von jeweils 3-4 Probanden) temperature rel. humidity temperature [ C] relative humidity [%] h 0.5 h 1 h 1.5 h 2 h 0 h 0.5 h 1 h 1.5 h 2 h 0 h 0.5 h 1 h 1.5 h 2 h 0 h 0.5 h 1 h 1.5 h 2 h 0 h 0.5 h 1 h 1.5 h clean air (I) 1 m²/m³ 2 m²/m³ 3 m²/m³ clean air (II) exposure conditions 2 h 10 0

21 Lidschlussfrequenz (Kiefernholz-Studie)

22 Stärke der Empfindung: 0,0 cm: keine 0,6 cm: kaum 2,6 cm: etwas 4,8 cm: ziemlich 7,2 cm: stark 10 9,0 cm: sehr stark 10 cm: fast unerträglich 9 Augenirritationen (VAS-Skalen) Kiefernholz-Studie VAS-Score min 20 min 40 min 60 min 80 min 100 min 120 min mg-i 4 mg 8mg 12 mg 0 mg-ii

23 Stärke der Empfindung: 0,0 cm: keine 0,6 cm: kaum 2,6 cm: etwas 4,8 cm: ziemlich 10 7,2 cm: stark 9,0 cm: sehr stark 9 10 cm: fast unerträglich Rachenirritationen (VAS-Skalen) Kiefernholz-Studie 8 VAS-Score min 20 min 40 min 60 min 80 min 100 min 120 min mg-i 4 mg 8mg 12 mg 0 mg-ii pro m 3

24 Stärke der Empfindung: 0,0 cm: keine 0,6 cm: kaum 2,6 cm: etwas 4,8 cm: ziemlich 7,2 cm: stark 10 9,0 cm: sehr stark 10 cm: fast unerträglich 9 Müdigkeit (VAS-Skalen) Kiefernholz-Studie 8 7 VAS-Score min 20 min 40 min 60 min 80 min 100 min 120 min Clean 0 mg-iair 1 4 mmg 2 /m 3 2 m8mg 2 /m mmg 2 /m 3 clean 0 mg-ii air

25 Stärke der Empfindung: 0,0 cm: keine 0,6 cm: kaum 2,6 cm: etwas 4,8 cm: ziemlich 7,2 cm: stark 9,0 cm: sehr stark 10 cm: fast unerträglich Geruchsintensität (VAS-Skalen) Kiefernholz-Studie

26 Hedonik (Kiefernholz, N=15, semantisches Differenzial, GIRL 1995 ) 4 3 Duft Gestank 0 m2/m3 (I) 1 m2/m3 2 m2/m3 3 m2/m3 0 m2/m3 (II) angenehm / unangenehm schön / hässlich friedlich / aggressiv mild / streng harmonisch / unharmonisch vergnügt / missmutig frisch / abgestanden passiv / aktiv leer / voll verspielt / ernst dumpf / stechend würzig / schal weich / hart leise / laut seicht / tief wach / müde kalt / warm interessant / langweilig herb / süss dunkel / hell rau / glatt aufregend / beruhigend wild / sanft alt / jung schwer / leicht robust / zart niederdr / erhebend grob / fein stark / schwach Profilwerte

27 Hedonik (Kiefernholz, N=15, semantisches Differenzial, GIRL 1995 ) 3 2 Odour Malodour pinewood 3 m²/m³ Duft : + 1,36 Gestank : - 1,46 single representative profile value Volunteers Kiefernholz wurde in den humanen Kammerexpositionsstudien überwiegend als duftend wahrgenommen!

28 Ergebnisse der in vivo-untersuchungen mit Kiefernvollholz keine klinischen Symptome keine Veränderungen in Lungenfunktionsparametern keine Veränderungen der NO-Exhalation keine Veränderung der Liedschlußfrequenz außer Geruch keine Veränderungen in VAS der Geruch wird als neutral bis angenehm eingestuft

29 Durchgeführte Studien im Gesamtprojekt ( ) in vivo in vitro humane Biomarker mit Effektschwellen Dosis-Wirkungskurven für Ableitungen (I) BIKAS / A549-Studien mit OSB (Zyto- und Gentox) (II) BIKAS / A549-Studien mit Kiefernvollholz (Zyto- und Gentox) (III) BIKAS / A549-Studien mit Einzelstoffen (Zyto- und Gentox)

30 Emissionskammer (BIKAS ) mit Transwell-Expositionsmodul (Vitrocell )

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32 Labor-Messaufbau für die in vitro-untersuchung zellbiologischer Effekte von Emissionen aus OSB und Kiefernholz CULTEX Expositionsmodul

33 VOC-Konzentrationen in der Emissionskammer durch Kiefernholz (13 m 2 /m 3 ) compounds VOC concentration [µg/m 3 ] tested in bioassays at day Terpenes α-pinene β-pinene carene camphene limonene Sum terpenes Aldehydes Pentanal Hexanal Heptenal N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. 2-Octenal N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. Sum aldehydes TVOC ND not detectable

34 Zellvitalität/DNA-Migration nach Exposition gegenüber VOC aus Kiefernholz in A549-Zellen ** OTM viability [%] synth. air day 1 day 3 day 7 day 14 day 21 day 28 2-butenal 100 mg/m total VOC total terpenes total aldehydes 70 VOC [mg/m³] day 1 day 3 day 7 day 14 day 21 day 28

35 Overview of results of the in vitro studies with selected terpenes and aldehydes in A549 human lung cells (in brackets: LOEC, lowest-observed-effect-concentration) Results LOEC Concentrations Results DNA or LCI Ratio Compound/ tested cytotoxicity migration NOEC LOECtest material (erythrosine B) NOEC/ [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] LCI α-pinene ND : Caren ND :400 Hexanal (2000) ND : Heptenal (100) + (100) : Octenal ND + (40) :2222 Pine wood panels a ND ND 79 Load: 12.6 m 2 /m 3 OSB panels Load: 13 m 2 /m a ND ND 82 +, positive; ND, not detectable; NOEC, no-observable-effect-concentrations; LCI, lowest concentration of interests. a total volatile organic compounds (TVOC); b LCI given for α-pinene; c LCI given for hexanal; 1.5 b 1: c 1: b 1: c 1:92

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37 aus: Joanneum Research 2003

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39 Konzentration von α-pinen in realen Innenräumen Anzahl/Objekte Raumluftkonzentrationen (µg/m 3 ) Mittel Range Referenz n=11 (neue Häuser) 29,7-330 Hodgson et al n= ) 250 2) Hippelein 2004 n=1417 (1.Jahr) nur neuere Häuser 296 4) ) Park und Ikeda 2006 n= 483 (2.Jahr) nur neuere Häuser 93 4) ) Park und Ikeda 2006 n=251 (3.Jahr) nur neuere Häuser 38 4) ) Park und Ikeda 2006 n=1417 (1.Jahr) nur ältere Häuser 36 4) ) Park und Ikeda 2006 n= 483 (2.Jahr) nur ältere Häuser 33 4) ) Park und Ikeda 2006 n=251 (3.Jahr) nur ältere Häuser 30 4) ) Park und Ikeda 2006 n=1 (neu gebautes Haus) [232 5) ] Hodgson et al n= ,8 1) 293 2) Rehwagen et al ) Median 2) Maximum 3) +/- Standardabweichung 4) arithm.mittelwert 5) Einzelwert

40 Konklusionen Gemessen an den in Realräumen auftretenden Konzentrationen holzspezifischer VOC sind auf der Basis der jetzt durchgeführten Untersuchungen gesundheitliche Risiken für die Bewohner nicht zu erkennen, zumal bei sachgerechter Verbauung die Konzentrationen spezifischer VOC niedrig sind und relativ schnell weiter absinken.

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43 Volker Mersch-Sundermann*, Richard Gminski, Sebastian Kevekordes, Tao Tang Department of Environmental Health Sciences, Freiburg University Medical Center Rainer Marutzky, Frank Fuhrmann, Werner Bürger, Stefan Thiele Fraunhofer - Wilhelm-Klaudnitz-Institut, Materialanalytik und Innenluftchemie, Braunschweig Dieter Hauschke Institut für Medizinische Biometrie, Universität Freiburg, Freiburg * Studienleitung Wissenschaftlicher Beirat Uwe Heinrich [Norbert Krug] Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), Hannover Gerhard Triebig Institut und Poliklinik für Arbeits- und Sozialmedizin, Universität Heidelberg Christoph van Thriel Leibnitz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund

44 Besten Dank für Ihr Aufmerksamkeit