Advancing chemical risk assessment through in silico new approach methodologies (NAMs): a quantitative adverse outcome network (qAON) framework linking perfluorooctanoic acid (PFOA) exposure to cardiovascular disease (CVD)-relevant mechanisms

Abstract

This thesis develops and applies an integrated source-to-outcome New Approach Methodology (NAM) framework for the quantitative assessment of industrial and health risks associated with perfluorooctanoic acid (PFOA), using Gendorf Chemical Park and the surrounding Altötting region as the case study. The framework connects acute process safety, historical emissions, environmental transport, external exposure, internal dosimetry, molecular perturbation, population-level associations, and adverse-outcome-relevant progression within a single assessment chain. It integrates quantitative risk assessment, atmospheric dispersion and multimedia fate modelling, probabilistic exposure reconstruction, physiologically based pharmacokinetic (PBPK) modelling, human biomonitoring, liver transcriptomics, survey-weighted NHANES analysis, adverse outcome pathway (AOP) development, quantitative in vitro-to-in vivo extrapolation (QIVIVE), and quantitative adverse outcome network (qAON) modelling. For acute process safety, the governing 600-second tetrafluoroethylene release under stable, low-wind conditions produced a maximum lower flammability limit distance of 1,617 m. The highest displayed location-specific risk contour, 1 × 10⁻⁶ per year, remained confined to the modelled process and storage area. For chronic PFOA exposure, groundwater was identified as the dominant long-term exposure-relevant compartment, while soil acted as a persistent secondary reservoir. Across 10,000 Monte Carlo simulations, the median cumulative external dose was 191.87 µg/kg and the median lifetime-average daily dose was 0.006571 µg/kg/day. Drinking water accounted for 84.35% of exposure, followed by diet at 14.01% and inhalation at 1.21%. PBPK modelling translated reconstructed exposure histories into serum concentrations and was evaluated against human biomonitoring data. The measured median serum concentration declined from 23.18 µg/L in 2018 to 10.00 µg/L in 2022, a 57% reduction closely aligned with the 63% modelled reduction. Integrated mechanistic and population evidence did not support hepatic steatosis as the primary adverse outcome. Instead, it supported a liver-centred pathway involving hepatobiliary regulation, bile-acid and sterol homeostasis, atherogenic lipid-risk signalling, and atherosclerosis-relevant vascular biology. A PFOA plaque-progression qAON was constructed by linking transcriptomic key-event functions, PBPK/QIVIVE dose translation, AOP-informed relationships, and a dynamic cholesterol–atherosclerosis model. The framework derived a serum/plasma screening threshold of 9 µg/L. Under the protective strong key-event-relationship scenario, this concentration corresponded to approximately one month earlier attainment of a normalized plaque-progression milestone over a 40-year horizon. Historical exposure from 1969 to 2018 produced a median advancement of 84.34 days, while residual burden from 2018 to 2040 produced 11.60 days, equivalent to 13.8% of the historical burden. These outputs quantify relative changes within a normalized plaque-progression model and do not represent individual cardiovascular event probabilities or clinical predictions. Overall, the thesis establishes a human-relevant, internal-dose-anchored, mechanism-based framework for Next Generation Risk Assessment and Safe and Sustainable by Design, with demonstrated value for regulatory screening, chemical prioritization, biomonitoring interpretation, and safer substitution without generating new in vivo animal data.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο Νέων Μεθοδολογιών Προσέγγισης (NAMs), από την πηγή έως τη δυσμενή έκβαση, για την ποσοτική αξιολόγηση των βιομηχανικών κινδύνων και των κινδύνων για την υγεία που συνδέονται με το υπερφθοροοκτανοϊκό οξύ (PFOA), με μελέτη περίπτωσης το Χημικό Πάρκο Gendorf και την περιοχή Altötting. Το πλαίσιο συνδέει την ασφάλεια διεργασιών, τις ιστορικές εκπομπές, την περιβαλλοντική μεταφορά, την εξωτερική έκθεση, την εσωτερική δοσιμετρία, τη μοριακή διαταραχή, τις πληθυσμιακές συσχετίσεις και την εξέλιξη βιολογικών διεργασιών σχετικών με δυσμενείς εκβάσεις. Ενσωματώνει ποσοτική εκτίμηση κινδύνου, μοντελοποίηση ατμοσφαιρικής διασποράς και πολυμεσικής περιβαλλοντικής τύχης, πιθανοκρατική ανακατασκευή έκθεσης, φυσιολογικά βασισμένη φαρμακοκινητική μοντελοποίηση (PBPK), ανθρώπινη βιοπαρακολούθηση, μεταγραφωμική ήπατος, ανάλυση NHANES με στάθμιση βάσει του δειγματοληπτικού σχεδιασμού, ανάπτυξη διαδρομής δυσμενούς έκβασης (AOP), ποσοτική αναγωγή από in vitro σε in vivo (QIVIVE) και μοντελοποίηση ποσοτικού δικτύου δυσμενούς έκβασης (qAON). Για την οξεία ασφάλεια διεργασιών, το καθοριστικό σενάριο απελευθέρωσης τετραφθοροαιθυλενίου διάρκειας 600 δευτερολέπτων, υπό σταθερές συνθήκες και χαμηλή ταχύτητα ανέμου, έδωσε μέγιστη απόσταση 1.617 m έως το κατώτερο όριο αναφλεξιμότητας. Η υψηλότερη ισοκαμπύλη ειδικού κινδύνου θέσης, 1 × 10⁻⁶ ανά έτος, παρέμεινε εντός της μοντελοποιημένης περιοχής διεργασιών και αποθήκευσης. Για τη χρόνια έκθεση σε PFOA, τα υπόγεια ύδατα αναδείχθηκαν ως το κυρίαρχο μακροχρόνιο διαμέρισμα έκθεσης, ενώ το έδαφος λειτούργησε ως επίμονη δευτερογενής δεξαμενή. Σε 10.000 προσομοιώσεις Monte Carlo, η διάμεση σωρευτική εξωτερική δόση ήταν 191,87 µg/kg και η διάμεση μέση ημερήσια δόση για όλη τη διάρκεια ζωής 0,006571 µg/kg/ημέρα. Το πόσιμο νερό συνεισέφερε 84,35%, η διατροφή 14,01% και η εισπνοή 1,21%. Η PBPK μοντελοποίηση μετέφρασε τις ανακατασκευασμένες ιστορίες έκθεσης σε συγκεντρώσεις ορού και αξιολογήθηκε έναντι δεδομένων ανθρώπινης βιοπαρακολούθησης. Η διάμεση συγκέντρωση ορού μειώθηκε από 23,18 µg/L το 2018 σε 10,00 µg/L το 2022, δηλαδή κατά 57%, σε στενή συμφωνία με τη μοντελοποιημένη μείωση κατά 63%. Η ολοκληρωμένη μηχανιστική και πληθυσμιακή τεκμηρίωση δεν υποστήριξε την ηπατική στεάτωση ως κύρια δυσμενή έκβαση. Αντίθετα, υποστήριξε μία ηπατοκεντρική οδό που περιλαμβάνει ηπατοχολική ρύθμιση, ομοιόσταση χολικών οξέων και στερολών, αθηρογόνο σηματοδότηση λιπιδαιμικού κινδύνου και αγγειακή βιολογία σχετική με την αθηροσκλήρωση. Αναπτύχθηκε ένα qAON εξέλιξης αθηρωματικής πλάκας για το PFOA, το οποίο συνέδεσε συναρτήσεις μεταγραφωμικών κομβικών συμβάντων, μετάφραση δόσης μέσω PBPK/QIVIVE, σχέσεις βασισμένες σε AOP και ένα δυναμικό μοντέλο χοληστερόλης–αθηροσκλήρωσης. Από το πλαίσιο προέκυψε όριο διαλογής 9 µg/L σε ορό ή πλάσμα. Υπό το προστατευτικό σενάριο ισχυρών σχέσεων μεταξύ κομβικών συμβάντων, η συγκέντρωση αυτή αντιστοιχούσε σε περίπου έναν μήνα νωρίτερη επίτευξη ενός κανονικοποιημένου ορόσημου εξέλιξης της πλάκας σε ορίζοντα 40 ετών. Η ιστορική έκθεση κατά την περίοδο 1969–2018 οδήγησε σε διάμεση επίσπευση 84,34 ημερών, ενώ η υπολειμματική επιβάρυνση για την περίοδο 2018–2040 σε 11,60 ημέρες, δηλαδή στο 13,8% της ιστορικής επιβάρυνσης. Τα αποτελέσματα εκφράζουν σχετικές μεταβολές εντός ενός κανονικοποιημένου μοντέλου εξέλιξης της πλάκας και δεν αποτελούν πιθανότητες ατομικών καρδιαγγειακών συμβαμάτων ή κλινικές προβλέψεις. Συνολικά, η διατριβή θεμελιώνει ένα ανθρωποκεντρικό, μηχανιστικό πλαίσιο, αγκυρωμένο στην εσωτερική δόση, για την Αξιολόγηση Κινδύνου Νέας Γενιάς και τον Ασφαλή και Βιώσιμο Σχεδιασμό, με εφαρμογή στη ρυθμιστική διαλογή, την ιεράρχηση χημικών ουσιών, την ερμηνεία της βιοπαρακολούθησης και την ασφαλέστερη υποκατάσταση, χωρίς παραγωγή νέων in vivo δεδομένων σε ζώα.