Predictive testing for contact allergy Comparison of some guinea pig and mouse protocols including dose-response designs

Abstract

Contact allergy (delayed hypersensitivity) may develop as a result of skin exposure to contact allergens (haptens) and can lead to allergic contact dermatitis. The purpose of this study was to evaluate some predictive animal test methods for contact allergens. It was done with the aim that the test methods giving the clinically most relevant results should be used in risk assessment of chemicals and in research. A slightly modified multi-dose-response induction protocol was evaluated with two model contact allergens when applied to three guinea pig predictive test methods. The protocol was easily applied to the cumulative contact enhancement test (CCET) and the Freund's complete adjuvant test (FCAT), which have only one induction route. However, for the guinea pig maximization test (GPMT) with two induction routes, the topical doses at induction interacted with the logistic model. The protocol would benefit from further development and some modifications are suggested. Calculations of the estimated concentration sensitizing 50 % of the animals (EC 50 ) improves the possibility for proper ranking of contact allergens and augments the information used in risk assessment. The calculated EC 50 -values for the model allergens were: 0.00045 % in the FCAT, 0.0025 % in the GPMT and 0.0042 % in the CCET for potassium dichromate (K 2 Cr 2 O 7 ), and 0.068 % in the GPMT, 0.89 % in the FCAT and 1.8 % in the CCET for hydroxycitronellal (HC). A multi-dose-response induction protocol was applied on a modified mouse ear swelling test (MEST) and evaluated with four contact allergens and one irritant. This protocol could detect the moderate to strong contact allergens as sensitizers, but not one (HC) of the two weak contact allergens. The irritant (negative control) gave a Ônegative' response. The EC 50 -values calculated for the three detected allergens were 0.002 % for oxazolone, 0.03 % for K 2 Cr 2 O 7 and 0.7 % for methyldibromo glutaronitrile (MDBGN). The murine local lymph node assay (LLNA) is a predictive test method, but its ability to discriminate between allergens and irritants has been questioned. Eight contact allergens and six irritants were investigated in the evaluation of the LLNA. The moderate to strong allergens gave clearly Ôpositive' results (stimulation index (SI) = 12.8 : 39.9), but one weak allergen (benzocaine) was not classified as a sensitizer (SI<3). The irritants tested, i.e. chloroform/methanol, methylsalicylate, nonanoic acid, oxalic acid, sodium dodecyl sulfate (SDS), Triton X-100, however, gave also Ôpositive' results (SI = 5.0 : 10.7), not distinguishable from the results with weak and moderate contact allergens (SI = 3.4 : 17.1). The addition of 10% SDS could not be used to reduce the induced proliferation due to irritation from the test chemicals, nor could an alternative choice of vehicle. The allergenicity of a preservative, i.e. Euxyl K 400, and one of its ingredients, MDBGN, was investigated in three different animal predictive test methods, and patch testing in dermatitis patients was performed for comparison. The CCET using57 a multi-dose-response induction protocol (EC 50 = 1.9 % for MDBGN) and the LLNA (SI = 7.4 : 7.9 for MDBGN and 8.4 : 12.0 for Euxyl K 400) confirmed the sensitization potential of the substance based on dermatitis patients patch test results (total frequency varied between 0.9 : 1.8 %). However, the results from the GPMT were not statistically significant. In conclusion, even though the LLNA and the MEST have some advantages compared to the guinea pig test methods concerning speed, labor-intensiveness and cost, and the use of an objective end point, the methods are at present not capable of replacing the predictive guinea pig test methods. Both the LLNA and MEST gave a lower sensitization rate with the weak and moderate contact allergens tested than the guinea pig test methods did. The MEST is judged to be less capable of detecting potential contact allergens than the LLNA, but on the other hand no false Ôpositive' reactivity with the irritant tested was seen. Dose-response designs of predictive test methods increase the amount of information obtained from each sensitization study and should be considered for inclusion in the protocols used when the sensitizing potential of a substance is investigated. Investigators are advised to select the predictive test method with the induction procedure that is most relevant for the prospected use of the substance being tested. A test method with a particular induction route may be more suitable for testing a substance than one of the recommended methods, so there is also a possibility to use other available standardized predictive animal test methods. However, that predictive test methods have a varying capacity to detect the sensitizing potential of a substance is evident. Key words: contact allergens, contact allergy, cumulative contact enhancement test, dose-response, evaluation, Freund's complete adjuvant test, guinea pig maximization test, local lymph node assay, mouse ear swelling test, patch test, predictive testing, statistical analysis.

Kontaktallergi (fördröjd överkänslighet) kan utvecklas vid hudexponering för kontaktallergen (hapten) och kan orsaka allergiskt kontakteksem. Syftet med studien var att utvärdera några djurmetoder för prediktiv testning av kontaktallergen. Tyngdpunkt lades vid att den testmetod som ger de kliniskt mest relevanta resultaten bör användas vid riskvärdering av kemikalier och inom forskning. Ett delvis modifierat protokoll för induktion med multi-dos-respons utvärderades med två modellkontaktallergen som applicerades på tre prediktiva testmetoder på marsvin. Protokollet kunde utan svårigheter tillämpas på "the cumulative contact enhancement test" (CCET) och "the Freund«s complete adjuvant test" (FCAT), vilka har endast en exponeringsväg vid induktion. Men i "the guinea pig mazimization test" (GPMT) som använder två exponeringsvägar, interagerade den topikala dosen i induktionen med den logistiska modellen. Protokollet skulle kunna förbättras ytterligare genom några modifieringar som föreslogs. Beräkning av den koncentration som sensibiliserar 50 % av djuren (EC 50 ) förbättrar möjligheten att rangordna kontaktallergen och ökar mängden information för riskvärdering. De beräknade EC 50 -värdena för modellallergenen blev 0,00045 % med FCAT, 0,0025 % med GPMT och 0,0042 % med CCET för kaliumdikromat (K 2 Cr 2 O 7 ), och 0,068 % med GPMT, 0,89 % med FCAT och 1,8 % med CCET för hydroxycitronellal (HC). Ett induktionsprotokoll för multi-dos-respons applicerades på ett modifierat "mouse ear swelling test" (MEST) och utvärderades med fyra kontaktallergen och en irritant. Protokollet kunde identifiera de testade moderata till starka kontaktallergenen som sensibiliserande, men inte det ena (HC) av två svaga kontaktallergen. Irritanten (negativ kontroll) gav ett 'negativt' svar. De beräknade EC 50 -värdena för de tre ämnen som identifierades som allergen var 0,002 % för oxazolon, 0,03 % för K 2 Cr 2 O 7 och 0,7 % för metyldibromoglutaronitril (MDBGN). "The murine local lymph node assay" (LLNA) är en prediktiv testmetod, vars förmåga att skilja mellan allergen och irritanter har ifrågasatts. Åtta kontaktallergen och sex irritanter användes i utvärderingen av LLNA. De moderata till starka allergenen gav tydliga 'positiva' resultat (stimuleringsindex (SI) = 12,8 : 39,9), men ett svagt allergen (bensokain) blev inte klassificerat som sensibiliserande (SI<3). Irritanterna som testades, kloroform/metanol, metylsalicylat, nonansyra, oxalsyra, natriumdodecylsulfat (SDS), Triton X-100, gav också 'positivt' resultat (SI = 5,0 : 10,7), som inte kunde särskiljas från resultaten med svaga och moderata allergen (SI = 3,4 : 17,1). Tillägg av 10 % SDS minskade inte proliferationen som orsakats av irritation från testkemikalierna, inte heller användandet av annan vehikel gjorde detta. Den allergiframkallande potentialen hos ett konserveringsmedel, Euxyl K 400 och en av dess ingredienser, MDBGN, undersöktes med tre olika prediktiva testmetoderpå djur, och resultaten jämfördes med resultat från lapptestning på eksempatienter. CCET med ett induktionsprotokoll för multi-dos-respons (EC 50 = 1,9 % för MDBGN) och LLNA (SI =7,4 : 7,9 för MDBGN och 8,4 : 12,0 för Euxyl K 400) bekräftade substansernas allergiframkallande förmåga, liksom lapptestresultat hos eksempatienter giorde (total frekvens positiv varierade mellan 0,9 % och 1,8 %). Resultaten från GPMT var inte statistiskt signifikanta. Slutsatsen är att, även om LLNA och MEST har några fördelar jämfört med marsvinsmetoderna beträffande tidsåtgång, arbetsinsats och kostnad, och användande av objektiv mätmetod, kan metoderna inte ännu ersätta marsvinsmetoderna. Både LLNA och MEST gav lägre sensibiliseringsfrekvens med de testade svaga och moderata kontaktallergenen än marsvinsmetoderna. MEST bedöms ha sämre förmåga att upptäcka potentiella kontaktallergen än LLNA, men å andra sidan iakttogs inte någon falsk positiv reaktivitet med den testade irritanten. Dos-responsdesign hos prediktiva testmetoder ökar mängden information från varje sensibiliseringsstudie och bör övervägas att inkluderas i protokoll för undersökning av den sensibiliserande potentialen hos substanser. Rekommendationen blir att en prediktiv testmetod med en induktionsväg som är mest relevant för den framtida användningen av den testade substansen bör användas. En testmetod med en viss induktionsväg kan vara mer lämpad för testning av substansen än någon av de rekommenderade metoderna, så det är också möjligt att använda andra tillgängliga standardiserade prediktiva testmetoder utförda på djur. Men, det är uppenbart att de prediktiva testmetoderna har olika förmåga att identifiera den sensibiliserande potentialen hos substanser.