Abstract Background Recently in Japan, six workers at a chemical plant that manufactures resins developed interstitial lung diseases after being involved in loading and packing cross-linked water-soluble acrylic acid polymers (CWAAPs). Since CWAAPs are not on the list of occupational diseases, the present study examined the lung damage potential of two CWAAPs (CWAAP-A and CWAAP-B) in rats, investigated pathological mechanisms, and established a method to rapidly evaluate the harmfulness of CWAAPs. Methods Using a whole-body inhalation exposure system, male F344 rats were exposed once to 40 or 100 mg/m 3 of CWAAP-A for 4 hours or to 15 or 40 mg/m 3 of CWAAP-A for 4 hours per day once per week for 2 months (a total of 9 exposures). In a separate set of experiments, male F344 rats were administered 1 mg/kg CWAAP-A or CWAAP-B by intratracheal instillation once every two weeks for 2 months (a total of five doses). Lung tissues, mediastinal lymph nodes, and bronchoalveolar lavage fluid were collected and subjected to biological and histopathological analyses. Results A single 4-hour exposure to CWAAP caused alveolar injury, and repeated exposures resulted in regenerative changes in the alveolar epithelium with activation of TGFβ signaling. During the recovery period after the last exposure, some alveolar lesions were partially healed, but other lesions developed into alveolitis with fibrous thickening of the alveolar septum. Rats administered CWAAP-A by intratracheal instillation developed qualitatively similar pulmonary pathology as rats exposed to CWAAP-A by inhalation. At 2 weeks after intratracheal instillation, rats administered CWAAP-B appeared to have a slightly higher degree of lung lesions compared to rats administered CWAAP-A, however, there was no difference in these lesions of CWAAP-A and CWAAP-B in rats examined 18 weeks after administration of these materials. Conclusions The present study provides evidence of rat lung pathogenesis after inhalation exposure to CWAAP-A. This study also demonstrates that the lung pathology of rats exposed to CWAAP-A by systemic inhalation was qualitatively similar to that of rats administered CWAAP-A by intratracheal instillation. The use of intratracheal instillation as an adjunct to systemic inhalation is expected to significantly accelerate the risk assessment for a variety of CWAAPs.

Abstract Background With the rapid development of alternative methods based on the spirit of animal welfare, the publications of animal studies evaluating endpoints such as cancer have been extremely reduced. There have been no systemic inhalation exposure studies of titanium dioxide nanoparticles (TiO 2 NPs) using CByB6F1-Tg(HRAS)2Jic (rasH2) 26-week study mice model for detecting carcinogenicity. Methods Male and female rasH2 mice were exposed to 2, 8 or 32 mg/m 3 of TiO 2 NPs for 6 hours/day, 5 days/week for 26 weeks using a whole-body inhalation exposure system, with reference to the Organization for Economic Co-operation and Development principles of Good Laboratory Practice. All tissues including lungs, and blood were collected and subjected to biological and histopathological analyses. Additionally, Ki67 positive index were evaluated in mice lung alveolar epithelial type 2 cell (AEC2). Results This study established a stable method for generating and exposing TiO 2 NPs aerosol, and clarified the dose-response relationship by TiO 2 NPs inhalation to rasH2 mice. TiO 2 NPs exposure induced deposition of particles in lungs and mediastinal lymph nodes in a dose-dependent manner in each exposure group. Additionally, alveolar inflammation was only observed in 32 mg/m 3 exposure group in both the sexes. Exposure to TiO 2 NPs, as well as other organs, did not increase the incidence of lung tumors in any group, and pulmonary fibrosis and pre-neoplastic lesions were not observed in all groups. Finally, the cell proliferative activity of AEC2 was examined, and it was not increased by exposure to TiO 2 NPs. Conclusions This is the first report showing the lack of pulmonary fibrogenicity and carcinogenicity (no evidence of carcinogenic activity) of TiO 2 NPs in 26-week inhalation study in rasH2 mice exposed up to 32 mg/m 3 , which is considered to be a high concentration. Macrophages undergoing phagocytosis due to TiO 2 NPs exposure formed inflammatory foci in the alveolar regions of exposed mice but did not develop fibrosis or hyperplasia or tumors. Moreover, the cell proliferative ability of AEC2 in lesions was not increased. In addition, no carcinogenicity was observed for any organs other than the lungs in this study.

Abstract Background Most toxicological studies on titanium dioxide (TiO 2 ) particles to date have concentrated on carcinogenicity and acute toxicity, with few studies focusing of pneumoconiosis, which is a variety of airspace and interstitial lung diseases caused by particle-laden macrophages. The present study examined rat pulmonary lesions associated with pneumoconiosis after inhalation exposure to TiO 2 nanoparticles (NPs). Methods Male and female F344 rats were exposed to 6.3, 12.5, 25, or 50 mg/m 3 anatase type TiO 2 NPs for 6 hours/day, 5 days/week for 13 weeks using a whole-body inhalation exposure system. After the last exposure the rats were euthanized and blood, bronchoalveolar lavage fluid, and all tissues including lungs and mediastinal lymph nodes were collected and subjected to biological and histopathological analyses. Results Numerous milky white spots were present in the lungs after exposure 25 and 50 mg/m 3 TiO 2 NPs. Histopathological analysis revealed that the spots were alveolar lesions, characterized predominantly by the agglomeration of particle-laden macrophages and the presence of reactive alveolar epithelial type 2 cell (AEC2) hyperplasia. We defined this characteristic lesion as pulmonary dust foci (PDF). The PDF is an inflammatory niche, with decreased vascular endothelial cells in the interstitium, and proliferating AEC2 transformed into alveolar epithelial progenitor cells. The AEC2 in the PDF had acquired DNA damage. Based on PDF induction, the lowest observed adverse effect concentration for pulmonary disorders in male and female rats in this study was 12.5 mg/m 3 and 6.3 mg/m 3 , respectively. The no observed adverse effect concentration for male rats was 6.3 mg/m 3 . There was a sex difference in lung lesion development, with females showing more pronounced lesion parameters than males. Conclusions Inhalation exposure to TiO 2 NPs caused PDF, an air-space lesion which is an alveolar inflammatory niche containing particle-laden macrophages and proliferating AEC2. This PDF histopathologically resembles some pneumoconiosis lesions (pulmonary siderosis and hard metal pneumoconiosis) in workers and lung disease in smokers, suggesting that it is an early pneumoconiosis lesion caused by exposure to TiO 2 NPs in rats and a common alveolar reaction in mammals.

Abstract 2-Bromopropane (2-BP) is a colorless liquid at room temperature and is used in closed systems in factories, mainly as an intermediate for medicines, pesticides, and other chemicals. However, the carcinogenicity of 2-BP is still unknown. The CByB6F1-Tg(HRAS)2Jic (rasH2) transgenic mouse model has been established as an alternative to long-term studies (1.5years-lifetime) to detect carcinogenicity in as short a time as six months. We performed a 26-week inhalation exposure study of 2-BP using the rasH2 mouse model. Male and female rasH2 mice were exposed to 0, 67, 200, or 600 ppm of 2-BP for 6 hours/day, 5 days/week for 26 weeks. All tissues and blood were collected and subjected to biological and histopathological analyses. The results showed a concentration-dependent increase in lung tumor development in male and female rasH2 mice exposed by inhalation to 2-BP, which was significant by Peto’s trend test. Furthermore, in male rasH2 mice, 2-BP was found to be a testicular toxin. This study is the first to demonstrate that 2-BP is carcinogenic in male and female mice and a testicular toxin in male mice in the rasH2 mouse model.

Abstract Background In Japan, six workers handling cross-linked water-soluble acrylic acid polymer (CWAAP) at a chemical plant suffered from lung diseases, including fibrosis, interstitial pneumonia, emphysema, and pneumothorax. We recently demonstrated that inhalation of CWAAP-A, one type of CWAAP, causes pulmonary disorders in rats. It is important to investigate dose-response relationships and recoverability from exposure to CWAAPs for establishing occupational health guidelines, such as setting threshold limit value for CWAAPs in the workplace. Methods Male and female F344 rats were exposed to 0.3, 1, 3, or 10 mg/m 3 CWAAP-A for 6 hours/day, 5 days/week for 13 weeks using a whole-body inhalation exposure system. At 1 hour, 4 weeks, and 13 weeks after the last exposure the rats were euthanized and blood, bronchoalveolar lavage fluid, and all tissues including lungs and mediastinal lymph nodes were collected and subjected to biological and histopathological analyses. In a second experiment, male rats were pre-treated with clodronate liposome or polymorphonuclear leukocyte-neutralizing antibody to deplete macrophages or neutrophils, respectively, and exposed to CWAAP-A for 6 hours/day for 2 days. Results CWAAP-A exposure damaged only the alveoli. The lowest observed adverse effect concentration (LOAEC) was 1 mg/m 3 and the no observed adverse effect concentration (NOAEC) was 0.3 mg/m 3 . Rats of both sexes were able to recover from the tissue damage caused by 13 weeks exposure to 1 mg/m 3 CWAAP-A. In contrast, tissue damage caused by exposure to 3 and 10 mg/m 3 was irreversible due to the development of interstitial lung lesions. There was a gender difference in the recovery from CWAAP-A induced pulmonary disorders, with females recovering less than males. Finally, acute lung effects caused by CWAAP-A were significantly reduced by depletion of alveolar macrophages. Conclusions Pulmonary damage caused by inhalation exposure to CWAAP-A was dose-dependent, specific to the lung and lymph nodes, and acute lung damage was ameliorated by depleting macrophages in the lungs. CWAAP-A had both a LOAEC and a NOAEC, and tissue damage caused by exposure to 1 mg/m 3 CWAAP-A was reversible: recovery in female rats was less than for males. These findings indicate that concentration limits for CWAAPs in the workplace can be determined.