Analysis, metabolism, effects and biological monitoring of N-methyl-2-pyrrolidone

Abstract

<i>N</i>-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is an organic solvent widely used in the industry. Irritation of the eyes and in the respiratory system has been reported after occupational exposure to low air levels of NMP. The EU has also classified it as a developmental toxicant. NMP is easily absorbed in the gastrointestinal tract and airways and through skin. The general aim of this thesis was to develop and evaluate methods for biological monitoring of NMP exposure. For the simultaneous analysis of NMP and its metabolites in plasma and urine, a fast analytical method using liquid chromatography coupled to a tandem mass spectrometer (LC-MS/MS) was developed. The method has high accuracy and precision, good recovery and sufficient detection limits for the analysis of NMP and its metabolites in plasma and urine from occupationally exposed workers. In a study where male and female volunteers were dermally exposed to NMP, no differences in toxicokinetics were found between the sexes. Dermal exposure to an aqueous NMP-solution caused a delay of the peaks for NMP and its metabolites. However, the impact of the delay on the biological levels was small for the metabolite 2-hydroxy-<i>N</i>-methylsuccinimide (2-HMSI). It was concluded that density was preferred over creatinine for adjustment of urinary dilution for some of the compounds. No differences in the total accumulated excretion were found in a study of volunteers after air exposure to dry and humid air, but the individual differences were larger after exposure in humid air, indicating a higher uptake for some of the subjects. However, it was suggested that a large dermal uptake was also present at air exposure. A new NMP metabolite, 2-Pyrrolidone (2-P), was identified. This may be of importance since 2-P has been reported to be developmentally toxic. Significant effects related to the NMP exposure were found for ECP in nasal lavages and for tear film BUT of the eyes. In one study, rats were shown to have a similar metabolism as humans. However, the relative biological levels differed. Thus, the plasma concentrations and area under the curve (AUC) following a developmentally toxic dose were much higher for NMP and 5-hydroxy-<i>N</i>-methyl-2-pyrrolidone (5-HNMP), while the levels for 2-HMSI were only about four times the levels found in humans experimentally exposed to 20 mg/m³ for 8 h. Based on the results in this thesis, 2-HMSI is suggested as a biomarker of NMP exposure. Post-shift sampling in the end of the working week, will monitor the last three days of exposure.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Inom industrin används många olika kemikalier. Många av dessa kan förorsaka mer eller mindre allvarliga hälsoproblem. För att kunna mäta exponeringen och förutsäga riskerna måste bra metoder för övervakningen utvecklas. Idag användes mest olika luftövervakningsmetoder men dessa har brister då upptaget är individuellt och bland annat beror på arbetsbelastningen. Dessutom har en del ämnen ett stort hudupptag och den typen av exponering missas helt om bara lufthalter mäts. Bättre övervakningsmetoder kan i stället vara att mäta den interna exponeringen, det vill säga de biologiska halterna i kroppen till exempel i blod- eller urinprov. <i>N</i>-metyl-2-pyrrolidon (NMP) är ett ämne som länge har ansetts ganska ofarligt. NMP tas dock väldigt lätt upp genom huden och efter rapporter om att arbetare inom industrin besvärats efter exponering vid låga halter, så har behovet av bra övervakningsmetoder ökat. Nu har NMP dessutom klassats som fosterskadande av EU. I den här avhandlingen har de biologiska halterna i kroppen av NMP och dess nerbrytningsprodukter (metaboliter) utvärderats för att användas för att mäta exponeringen för NMP, så kallad biologisk övervakning. Fokus har i huvudsak legat på hudupptagets betydelse. I avhandlingen har vi utvecklat nya analysmetoder där mycket avancerad metodik använts, så kallad vätskekromatografi tandem-masspektrometri. Metoden är enkel, noggrann och precis samt tillräckligt känslig för att mäta NMP och dess metaboliter i plasma och urin från personer som exponerats för mycket låga halter av NMP. Upptaget genom huden visade sig vara betydande. Fastän bara en mindre del av det som sattes på huden verkligen absorberades så motsvarade upptaget en 8 timmars exponering för halter omkring 10 mg NMP/m³. Om man väger in att bara 5 cm² av huden exponerades så inses att en större exponeringsarea kan ge ett upptag som motsvarar luftexponeringar på flera hundra mg NMP/m³. Tiden det tog för att uppnå maxkoncentrationerna i urin och blod för de flesta metaboliterna fördröjdes upp till 8 timmar då NMP utspädd med vatten användes. De här skillnaderna var inte alls lika tydliga för en av metaboliterna, 2-HMSI. Däremot kunde vi inte finna några skillnader i upptag, metabolism och utsöndring mellan män och kvinnor. För att kompensera för att urin har olika utspädningsgrad justeras ofta halterna i urin för halterna av kreatinin, som är ett ämne som utsöndras med en ganska konstant hastighet. Dock beror kretininhalterna bland annat på kön, muskelmassa och ålder. En annan metod är justering mot urins specifika vikt. Vi fann att den senare justeringen gav bättre resultat jämfört med kreatinin. Hos försökspersoner studerades effekter och upptag efter exponering för NMP i torr och fuktig luft i en exponeringskammare. Hypotesen var att ett större upptag skulle ses vid exponering i fuktig luft. Dock kunde inget ökat upptag påvisas, men spridningen uppåt i utsöndringen av NMP och dess metaboliter mellan personerna var större efter exponering i fuktig luft. Det indikerar att det finns ett visst ökat upptag hos en del av försökspersonerna. Om ökningen beror på ett ökat hudupptag eller på en ökad andning är okänt. Däremot konstaterades det att den utsöndrade mängden av NMP och dess metaboliter inte kunde förklaras av upptaget från luften. Detta indikerar att en stor del av upptaget, kanske upp till 50 %, kan bero på hudupptag, även vid exponering i torr luft. Det fanns en påverkan på ögats slemhinna vid exponering för 20 mg NMP/m³. Speciellt tydligt var detta vid exponering i fuktig luft. Även luftfuktigheten i sig påverkade ögats slemhinna. Det bör dock understrykas att ingen av försökspersonerna klagade på ögonirritation. Metabolismen hos råttor exponerade för NMP kartlades och halterna efter både en icke fosterskadande dos och en fosterskadande dos mättes och jämfördes med halterna i människa. Metabolismen hos råtta liknar den hos människa men urinutsöndringen är snabbare och förhållandet mellan mängderna av de olika metaboliterna som hittades i urinen skiljde sig mellan människor och råttor. Halterna i plasma för en av metaboliterna, 2-HMSI, var endast 4 gånger större än halterna för samma metabolit hos människor. Detta kan vara av stor betydelse om det visar sig att det skulle vara den här metaboliten som är fosterskadande. Utifrån resultaten i den här avhandlingen så föreslås att 2-HNMP är bäst lämpad att användas som biomarkör för övervakningen av NMP-exponering. Provtagning bör ske efter arbetspassets slut i slutet av en veckas arbete.

• author: Carnerup, Martin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Cocker, John, Health & Safety Laboratory, UK
• organization: Division of Occupational and Environmental Medicine, Lund University
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Environmental Health and Occupational Health
• keywords: Yrkesmedicin, arbetsmiljömedicin, industrial medicine, Occupational health, developmental toxicity, biomarkers, metabolsim, N-methyl-2-pyrrolidone, dermal absorption
• pages: 110 pages
• defense location: föreläsningssal F3, Lund University Hospital
• defense date: 2004-12-03 13:15:00
• ISBN: 91-628-6296-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Carnerup MA, Åkesson B, Jönsson BAG. Determination of 5-hydroxy-N-methyl-2-pyrrolidone and 2-hydroxy-N-methylsuccinimide in human plasma and urine using liquid chromatography-electrospray tandem mass spectrometry. J Chromatogr B 2001;761:107-13. Article: II. Åkesson B, Carnerup MA, Jönsson BAG. Evaluation of exposure biomarkers from percutaneous absorption of N-methyl-2-pyrrolidone. Scand J Work Environ Health 2004;30:306-12. Article: III. Carnerup MA, Spanne M, Jönsson BAG. Levels of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and its metabolites in plasma and urine from volunteers after experimental exposure to NMP in dry and humid air. (Manuscript) Article: IV. Carnerup MA, Saillenfait AM, Jönsson BAG. Concentrations of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and its metabolites in plasma and urine following oral administration of NMP to rats. (Manuscript)
• id: a02042ff-0e38-49be-88e7-9c3296143d26 (old id 467573)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:52:39
• date last changed: 2018-11-21 21:07:46