This is an HTML version of an attachment to the Official Information request 'Disclose Submissions: Assessing Risk Hazardous Substances 2018'.













 
 
 
Scientific methodologies for the 
assessment of combined effects of 
chemicals – a survey and literature 
review 
Use of novel and alternative 
methods in the assessment 
of effects from combined 
exposure to multiple 
chemicals 

Stephanie  Bopp,  Elisabet  Berggren,  Aude 
Kienzler,  Sander  van  der  Linden,  Andrew 
Worth 
2015 
EUR 27471 EN
 
 

 
 
Scientific methodologies for the 
assessment of combined effects of 
chemicals – a survey and literature 
review 
 
 

 
 
 
This publication is a Technical report by the Joint Research Centre, the European Commission’s in-house science 
service. It aims to provide evidence-based scientific support to the European policy-making process. The scientific 
output expressed does not imply a policy position of the European Commission. Neither the European 
Commission nor any person acting on behalf of the Commission is responsible for the use which might be made 
of this publication. 
 
 
JRC Science Hub 
https://ec.europa.eu/jrc 
 
 
JRC97522 
 
EUR 27471 EN 
 
ISBN 978-92-79-51925-3 (PDF) 
 
 
ISSN 1831-9424 (online) 
 
 
doi:10.2788/093511 (online) 
 
 
© European Union, 2015 
 
Reproduction is authorised provided the source is acknowledged. 
 
 
All images © European Union 2015 
 
How to cite: Bopp S, Berggren E, Kienzler A, van der Linden S, Worth A (2015) Scientific methodologies for the 
combined effects of chemicals – a survey and literature review; EUR 27471 EN; doi:10.2788/093511. 
 

 
Table of contents 
ABSTRACT .........................................................................................................................4 
1. 
Introduction ........................................................................................................5 
2. 
Introduction  to  main  concepts  and  terminology  in  the  assessment  of 
mixtures / effects from combined exposure .......................................................6 
2.1. 
Similar  vs  dissimilar  mode  of  action  (MoA)  and  grouping  of 
chemicals ..............................................................................................7 
2.2. 
Interactions ...........................................................................................9 
3. 
New scientific tools for hazard assessment and how they could be used for 
assessing mixtures/effects from combined exposure .......................................11 
3.1. 
Adverse Outcome Pathways (AOPs) .................................................11 
3.2. 
In vitro methods .................................................................................12 
3.3. 
Omics .................................................................................................13 
3.4. 
Quantitative Structure-Activity Relationships (QSARs) ...................14 
3.5. 
Read-across ........................................................................................16 
3.6. 
Toxicokinetic and toxicodynamic modelling .....................................18 
3.7. 
Dynamic Energy Budget (DEB) models ............................................19 
3.8. 
Threshold of Toxicological Concern (TTC) ......................................20 
3.9. 
Integrated Approach to Testing and Assessment (IATA) ..................21 
4. 
Status  of  current  mixture  risk  assessment  based  on  a  dedicated  expert 
survey ...............................................................................................................22 
4.1. 
Information on respondents ...............................................................22 
4.2. 
General experience with mixture toxicity/risk assessment ................23 
4.3. 
Experience  with  the  whole-mixture  and  component-based 
approaches ..........................................................................................25 
4.4. 
Expert opinions on mixture toxicity assessment ................................27 
4.5. 
Use of novel tools in mixture toxicity assessment .............................30 
4.5.1. 
Use of in vitro assays in mixture toxicity assessment ........................30 
4.5.2. 
Use of omics approaches in mixture toxicity assessment ..................32 
4.5.3. 
Use of (Q)SAR models in mixture toxicity assessment .....................34 
4.5.4. 
Use of read-across approaches in mixture toxicity assessment .........37 
4.5.5. 
Use of PBTK modelling in mixture toxicity assessment ...................38 
4.5.6. 
Use of the TTC approach in mixture toxicity assessment .................40 
4.5.7. 
Use of AOPs in mixture toxicity assessment .....................................41 
4.5.8. 
Use of DEB models in mixture toxicity assessment ..........................42 
4.5.9. 
Use of IATA frameworks in mixture toxicity assessment .................43 
4.5.10.  Summary on the use of novel tools in the assessment of mixtures ....44 
4.6. 
Frameworks  for  the  risk  assessment  of  combined  exposure  to 
multiple chemicals .............................................................................44 
4.7. 
General/additional remarks by experts in the survey .........................45 
4.8. 
Conclusions from the expert survey...................................................45 
5. 
Conclusions ......................................................................................................47 
 
2
 

 
REFERENCES ..................................................................................................................50 
LIST OF ABBREVIATIONS AND DEFINITIONS ........................................................56 
LIST OF FIGURES ...........................................................................................................58 
 
 
 
 
3
 

 
Abstract  
Exposure  of  humans  and  wildlife  to  chemicals  via  food,  consumer  products,  the 
environment  etc.  can imply exposure to an infinite number  of different combinations of 
chemicals  in  mixtures.  It  is  practically  impossible  to  test  all  these  possible  mixtures 
experimentally and it is therefore needed to find smart strategies to assess the potential 
hazards  using  new  tools  that  rely  less  on  in  vivo  testing  and  incorporate  instead 
alternative experimental and computational tools. In this report the current state of the 
art  for  the  application  of  these  alternative  tools  for  assessing  the  hazard  of  chemical 
mixtures is briefly reviewed. The focus is hereby on the adverse outcome pathway (AOP) 
concept,  in  vitro  methods,  omics  techniques,  in  silico  approaches  such  as  quantitative 
structure  activity  relationships  (QSARs)  and  read-across,  toxicokinetic  and  dynamic 
energy  budget  (DEB)  modelling,  and  on  integrated  approaches  to  testing  and 
assessment (IATA).  
Furthermore,  an  expert  survey  was  performed  to  collect  up  to  date  information  and 
experience  on  the  current  use  of  different  approaches  for  assessing  human  and 
environmental health risks from exposure to chemical mixtures, with a view to informing 
the development of a consistent assessment approach. An online survey was performed 
among experts in the field of combined exposure assessment in the period of January to 
March  2014,  addressing  both,  human  health  and  environmental  risk  assessment.  Fifty-
eight  experts  from  21  countries,  different  stakeholder  groups  and  sectors  of  legislation 
participated in the survey. The main sectors where most experience is already gained in 
assessing  mixtures  are  in  the  area  of  plant  protection  products  and  chemicals  under 
REACH.  These  were  also  rated  highest  regarding  the  priority  for  performing  mixture 
assessments. Experts have experience with the whole mixture as well as the component-
based approaches applying them to both, intentional and unintentional mixtures. Mostly 
concentration  addition  (CA)  based  methods  are  used  for  predicting  mixture  effects. 
Regarding  the  use  of  novel  and  alternative  tools  in  the  risk  assessment  of  mixtures, 
expert  opinions  are  split  between  those  applying  them  (often  more  in  a  research 
context) and those that generally think these tools are valuable but their use is currently 
limited because of lack of guidance, lack of data, or lack of expertise. A general need for 
clear guidance for combined exposure assessments was identified. 
Overall,  a  high  potential  in  applying  novel  tools  and  scientific  methodologies  for  the 
assessment  of  chemical  mixtures  can  be  identified.  They  allow  deriving  meaningful 
information  on  individual  mixture  components  or  whole  mixtures,  enabling  a  better 
understanding of the underlying mechanisms of mixture effects. Their main strengths lie 
in  their  integrated  use  and  smart  combination  to  put  different  aspects  regarding  the 
hazard  from  combined  exposure  to  multiple  chemicals  into  context.  In  order  to  benefit 
from  these  tools  in  the  hazard  assessment  of  mixtures,  more  guidance  on  their  use  is 
needed to facilitate a more widespread application. 
 
 
 
 
4
 

 
1. Introduction  
Humans and the environment are continuously exposed to a multitude of substances via 
different routes  of exposure. Some  of these chemical mixtures are intentional and thus 
have  a  known  composition,  e.g.  personal  care  products,  food  additives  and  pesticide 
formulations.  However,  in  many  cases,  mixtures  are  unintentional  and  (largely)  of 
unknown  composition,  e.g.  the  combination  of  substances  in  surface  water,  drinking 
water and air.  
While many pieces of EU legislation are in place to protect humans and the environment 
against  adverse  effects  of  chemicals  including  mixtures,  in  many  cases  it  remains 
unclear  how  to  consider  the  combined  exposure  to  chemical  mixtures  in  the  risk 
assessment. Current regulatory requirements do not generally address the exposure to a 
single  substance  by  multiple  pathways  and  routes  of  exposure,  following  its  possible 
different  uses  (i.e.  the  so-called  "aggregate  exposure").  Exposure  to  multiple 
components  from  one  or  different  exposure  pathways  (i.e.  combined  exposure)  might 
also pose a health problem even if the individual components are present at levels below 
their  respective  NOAELs  (No  Observed  Adverse  Effects  Levels),  as  these  levels  are 
derived  from  single  compound  testing.  However  the  different  existing  legislations  do 
often  not  take  into  account  such  risks  or  do  not  provide  clear  guidance  on  how  to 
perform  risk  assessment  for  aggregate  and  combined  exposures.  A  detailed  review  of 
regulatory requirements and related guidance can be found in Kienzler et al. (2014). 
In order to reflect the actual exposure scenarios, there is a need to develop a consistent, 
cross-sectorial  approach  to  deal  with  the  combined  exposure  to  multiple  chemicals.  In 
order  to  develop  such  a  harmonised  approach  it  is  important  to  consider  the  current 
scientific state of the art in this area. The objective of this report is to give an overview 
of  the  current  practices,  tools  and  scientific  developments  in  assessing  risks  from 
combined  exposure  to  chemical  mixtures.  For  this  purpose,  the  report  provides  some 
general  background  information  (Section 2),  a  brief  overview  of  new  scientific  tools  in 
relevant  areas  of  (eco)toxicology  based  on  current  literature  (Section 3)  and  presents 
the  results  of  a  recent  survey  among  experts  in  the  field  of  mixture  risk  assessment 
(Section 4). 
 
 
 
 
5
 

 
2. Introduction  to  main  concepts  and  terminology  in  the 
assessment of mixtures / effects from combined exposure  
The hazard of chemical mixtures can be assessed as a whole (whole-mixture approach), 
or  based  on  the  individual  components  of  the  mixture  (components-based  approach). 
Whole  mixture  effects  can  be  assessed  by  testing  the  mixture  itself,  but  can  also  be 
based on data generated with a mixture of similar composition (i.e. close in composition 
regarding components and proportions). If adverse effects are found in relevant toxicity 
studies,  a  quantitative  assessment  can  be  carried  out  directly  from  these  data.  This 
approach  allows  consideration  of  any  unidentified  materials  in  the  mixtures  and  any 
interactions  among  mixture  components,  but  it  does  not  identify  the  chemicals 
responsible for the mixture effects or interactions, and does not provide any information 
on the toxicity of individual mixture components. Moreover, this approach is restricted to 
mixtures  that  do  not  significantly  change  in  their  composition,  and  is  therefore  not 
recommended as a general approach (SCHER, SCCS, SCENIHR, 2012). 
Another  approach,  which  is  generally  used  when  the  components  of  the  mixture  are 
known, is to mathematically predict the combined action of the components. The choice 
of  the  mathematical  approach  to  use  depends  mainly  on  considerations  whether  the 
mixture components act by the same mode of action (MoA) or whether they are acting 
independently  (Groten  et  al.,  2001).  Its  optimal  use  is  therefore  dependent  on  the 
knowledge  of  the  composition  of  the  mixture  and  the  corresponding  MoA  of  the 
individual components,  or on the information regarding their association with groups  of 
chemicals demonstrating similar or identical MoA (assessment groups). Such information 
may  be  based  on  chemical  structures  and  structure-activity  relationships  (either 
qualitative  or  quantitative),  molecular  modelling,  structural  alerts  or  on  toxicological 
responses or effects (SCHER, SCCS, SCENIHR, 2012).  
Three  basic  types  of  action  for  combination  of  chemicals  are  usually  addressed  by:  (i) 
dose  or  concentration  addition  (CA),  applied  to  substances  with  a  similar  MoA;  (ii) 
independent  action  (IA)  or  response  addition,  applied  to  substances  with  a  dissimilar 
MoA;  and  (iii)  interactions  between  substances  in  the  mixture.  The  term  interaction 
includes all forms of joint action that deviate from the above additivity concepts. Hence, 
the  combined  effect  of  two  or  more  substances  is  either  greater  (synergistic, 
potentiating, supra-additive) or less (antagonistic, inhibitive, sub-additive, infra-additive) 
than that predicted on the basis of dose addition or response addition. Both, CA and IA, 
are  based  on  the  assumption  that  substances  do  not  influence  each  other's  toxicity  by 
interacting  at  the  biological  target  site,  and  they  have  been  suggested  as  default 
approaches  in  regulatory  risk  assessment  of  chemical  mixtures  (SCHER,  SCCS, 
SCENIHR,  2012),  although  chemical  mixtures  are  rarely  composed  of  either  only 
similarly  or  of  only  dissimilarly  acting  substance.  SCHER,  SCCS,  SCENIHR  (2012) 
recommend  applying  CA  if  no  MoA  information  is  available,  as  it  is  regarded  as  more 
protective. 
Another  way  of  addressing  risks  form  combined  exposure  is  to  apply  an  additional 
mixture assessment factor (MAF), which could be easily implemented in single substance 
RA. Detailed information on the ongoing discussion can be found in Backhaus (2015). A 
generally applicable MAF is hard to find due to the huge variety in mixture scenarios and 
the  need  to  be  protective  but  not  overly  conservative.  Therefore,  Backhaus  (2015) 
investigated  further  possibilities  to  develop  a  protective  MAF  concept  based  on 
addressing  the  most  important  uncertainties  that  are  supposed  to  be  covered  by  a 
suitable MAF. These uncertainties are incomplete knowledge of the mixture composition 
(compounds  and  concentrations),  incomplete  knowledge  on  hazard  of  mixture 
components,  possible  synergistic  interactions,  and  uncertainties  related  to  the  sole  use 
of  CA.  An  exercise  was  performed  to  consider  four  different  exposure  scenarios  with 
mixtures  of  15-42  components.  It  was  observed  that  single  substance  RA  and  risk 
management  and  mitigation  significantly  lowered  the  risk  of  the  mixture,  however  was 
 
6
 

 
insufficient to ensure protection against mixture effects. The Maximum Cumulative Ratio 
(Price and Han, 2011)  resulted as  an adequate approximation for a  MAF, which ranged 
from 2 to 17 in the investigated examples, highlighting the need for considering specific 
exposure scenarios. A scheme is suggested to determine the value of MAF depending on 
the  information  available  on  the  mixture  (e.g.  known  number  of  components  of  the 
mixture,  information  on  individual  risk  quotients  of  the  components,  information  on 
interactions).  Applying  a  MAF  in  the  RA  of  single  substances  is  however  difficult  since 
appropriate risk management and risk mitigation measures might need to be developed 
for scenarios in which many actors contribute to an overall risk with chemical emissions 
that  individually  have  a  risk  quotient  below  1.  The  conclusion  of  the  report  is  that  the 
risk quotient of an individual chemical should not only be viewed as a measure of risk in 
itself but also as a measure of the contribution of the compound to the overall risk and a 
combined  exposure  scenarios,  overcoming  the  concept  that  chemicals  with  a  risk 
quotient below 1 are automatically safe even in complex exposure scenarios.  
For further information on the underlying concepts please refer to e.g. Kortenkamp et al. 
(2009), SCHER, SCCS, SCENIHR (2012) or Kienzler et al. (2014). Here, recent literature 
regarding the approaches for mixtures of similarly and dissimilarly acting compounds are 
further  addressed,  as  well  as  regarding  the  considerations  of  interactions  in  the  risk 
assessment of chemical mixtures. 
2.1.  Similar  vs  dissimilar  mode  of  action  (MoA)  and  grouping  of 
chemicals 
As  mentioned  above,  usually  mixtures  of  components  with  similar  MoA  are  addressed 
based on the concept of concentration addition (CA) and compounds with different MoA 
are addressed based on the concept of independent action (IA). For deciding on the right 
concept,  the  distinction  of  (dis)similar  MoA  and  the  related  grouping  of  chemicals  in  a 
mixture  are  crucial.  Typically  two  main  approaches  are  used  for  deciding  if  mixture 
components  act  in  a  similar  or  dissimilar  way  and  to  perform  related  groupings  of 
mixture  components:  (1)  investigating  whether  components  follow  a  common  MoA,  or 
(2)  whether  they  elicit  common  phenomenological  effects  or  affect  the  same  target 
organs. 
EFSA's  PPR  Panel  (2014)  developed  a  methodology  for  forming  cumulative  assessment 
groups  (CAGs)  for  pesticides  in  the  context  of  setting  maximum  residue  levels  for 
pesticides  in  food.  The  proposed  methodology  follows  a  phenomenological  approach 
based  on  organ  or  system  toxicity.  Thus  all  pesticides  causing  a  specific  effect  are 
included  in  one  CAG  even  if  the  underlying  MoA  is  unknown.  Due  to  the  low  exposure 
levels  of  residues,  interactions  are  not  expected  to  occur  and  the  PPR  Panel  based  the 
approach  on  concentration  addition.  EFSA's  PPR  Panel  (2013)  further  discussed  the 
assessment  of  pesticides  with  dissimilar  MoA,  however  restricting  its  considerations  to 
substances  with  dissimilar  MoA  but  common  adverse  effects  on  the  same  organ  or 
system. The PPR Panel concluded from the reviewed literature that no case showed more 
conservative  predictions  of  combined  toxicity  using  IA  based  approaches  where  at  the 
same time the predictions were also more accurate than based on CA. The use of IA for 
predicting combination effects requires demonstration that modes of action of individual 
substances  in  a  mixture  are  strictly  independent,  a  condition  that  can  rarely  be  met  in 
practice.  In  addition,  CA  can  be  applied  with  existing  data  and  has  less  data 
requirements than IA (Kortenkamp et al., 2009). The PPR Panel therefore recommended 
using  cumulative  risk  assessment  methods  derived  from  CA  also  for  the  assessment  of 
mixtures of pesticides with dissimilar modes of action, provided they produce a common 
adverse outcome. 
Junghans  et  al.  (2006)  investigated  the  suitability  of  the  two  concepts  of  CA  and  IA  to 
predict  the  combined  effects  of  realistic  environmental  mixtures.  The  exercise  was 
performed on a realistic exposure scenario for agricultural field run-off water considering 
 
7
 

 
25  pesticides.  Effects  on  the  reproduction  of  the  freshwater  algae  Scenedesmus 
vacuolatus
  were  well  predicted  by  CA,  in  accordance  with  the  finding  that  toxicity  was 
dominated  by  a  group  of  similarly  acting  photosystem  II  inhibitors,  even  if  the  mixture 
included  also  pesticides  with  diverse  and  partly  unknown  MoA.  Predictions  based  on  IA 
slightly underestimated mixture toxicity, however, the difference in predictions based on 
CA  and  IA  was  rather  small  (factor  of  1.3).  The  authors  concluded  that  CA  provides  a 
precautionary  but  not  overprotective  approach  for  combined  effect  predictions  of 
pesticide  mixtures  under  realistic  exposure  scenarios,  irrespective  of  the  similarity  or 
dissimilarity of their mechanisms of action. 
Apart  from  the  combined  effects  of  pesticides,  the  combination  effect  of  endocrine 
disruptors  is  relatively  well  researched.  Kortenkamp  (2007)  reviewed  literature  on 
combination  effects  of  endocrine  disruptors  (EDs).  Examples  in  the  literature  clearly 
demonstrate  that  combinations  of  EDs  with  similar  effects  are  able  to  act  together  at 
doses  that  when  used  alone  do  not  lead  to  observable  effects.  The  experimental 
evidence is in line with the assumption of dose addition. For EDs it seems best to follow 
a  phenomenological  approach  to  produce  workable  grouping  criteria.  There  are 
arguments against using a toxicity equivalency factor (TEF) approach or other CA based 
approaches  for  EDs  since  it  would  ignore  potential  interactions,  however,  there  is 
overwhelming evidence showing that groups of estrogenic, anti-androgenic, and thyroid-
disrupting chemicals act together in an additive way. For the time being it is proposed to 
group  EDs  according  to  their  ability  to  provoke  similar  effects  rather  than  according  to 
similar mechanism of action. Given that the TEF concept unrealistically assumes parallel 
dose-response  curves  it  should  not  be  used.  Dose  addition  should  be  preferred  for 
calculating  quantitative  additivity  expectations.  Further  research  might  trigger 
adaptations  to  such  a  temporary  approach.  Comparatively  little  is  known  about 
combined  effects  of  EDs  belonging  to  different  classes,  how  these  might  interact  and 
produce combined effects. Also combinations with chemicals which are not producing the 
same effects under analysis but that can modulate the effects of other chemicals should 
be  investigated  further  since  such  effects  cannot  be  predicted  by  CA.  It  should  be 
explored  whether  the  direction  of  modulation  could  be  anticipated  qualitatively  e.g.  by 
analysing  interaction  at  the  level  of  metabolism  and  transport.  Further  research  should 
particularly focus on combinations of EDs that belong to different categories. 
Apart from most of the recommendations and current practices of focusing on combined 
effects  on  chemicals  with  similar  MoA,  recently  also  the  relevance  of  combinations  of 
dissimilarly  acting  compounds  was  highlighted.  Based  on  the  relatively  well  studied 
adverse effects of mixtures of pharmaceuticals, Hadrup (2014) suggested that chemicals 
with dissimilar mechanisms of action could be of bigger concern in the toxicological risk 
assessment  of  chemical  mixtures  than  chemicals  with  a  similar  mechanism  of  action. 
Examples  such  as  e.g.  in  cancer  and  HIV  treatment,  show  that  pharmacological 
combination  therapy  targeting  different  mechanisms  of  action  is  more  effective  than  a 
strategy where only one mechanism is targeted. Another argument is that also in many 
diseases  several  organ  systems  concomitantly  contribute  to  the  pathophysiology, 
implying that a grouping based on common target organs may be inadequate. In further 
considerations,  it  should  be  however  considered  that  in  pharmacology  usually  higher 
doses  are  applied,  whereas  at  lower  concentrations  some  specific  effects  might  not 
occur. 
Goodson  et  al.  (2015)  reviewed  actions  on  key  pathways  and  mechanisms  related  to 
carcinogenesis  for  85  chemicals.  The  analysis  suggested  that  the  cumulative  effects  of 
individual  (non-carcinogenic)  chemicals  acting  on  different  pathways  and  a  variety  of 
related  systems,  organs,  tissues  and  cells,  could  in  combination  produce  carcinogenic 
synergies. Additional basic research  on  carcinogenesis and low-dose  effects  of  chemical 
mixtures  is  needed.  However,  the  concept  of  assessing  combined  effects  strictly  based 
on grouping chemicals according to their MoA/AOP, might need to be  revisited in order 
not  to  underestimate  cancer-related  risks.  Risk  assessment  for  combined  exposure 
 
8
 

 
should  consider  synergies  of  chemicals  acting  via  dissimilar  processes,  acting  on 
different targets and tissues, and consider synergies between certain pathways. 
Overall, evidence in the literature supports the application of concentration addition as a 
first,  protective  approach.  It  is  therefore  also  the  default  approach  to  start  from  in 
several  international  recommendations  and  frameworks,  independent  of  components' 
similar  or  dissimilar  mode  of  action.  However,  once  a  detailed  risk  assessment  for  a 
mixture  is  performed,  chemical  grouping  should  be  considered  and  based  on  common 
target  organs  and/or  common  mode  of  action  (MoA).  The  choice  of  the  approach 
depends strongly on the context of the risk assessment as well as on the information on 
which  to  base  the  grouping  of  components.  Irrespective  of  the  starting  point  for 
grouping,  it  is  recommended  to  use  all  available  information  on  the  mixture  and  its 
components:  physico-chemical  properties,  structural  alerts,  (Q)SAR  and  read-across 
information,  evidence  from  omics,  in  vitro  (high  throughput  screening  or  other)  or  in 
vivo
 experimental data, depending on availability. 
2.2.  Interactions 
Toxicological  interactions  modulate  toxicokinetic  and/or  toxicodynamic  mechanisms  of 
individual  chemicals.  Toxicokinetic  interactions  could  be  e.g.  induction  of  metabolising 
enzymes,  alterations  in  uptake  mechanisms,  all  processes  linked  to  influence  of 
individual chemicals on ADME of others. Toxicodynamic interactions can be based on e.g. 
modulation of homeostasis or repair mechanisms. 
Boobis et al. (2011) performed a literature review, identifying 90 studies demonstrating 
synergisms in mammalian test systems performed at low doses (i.e. close to the point of 
departure, POD) for individual chemicals. Only in 6 of the 90 studies useful quantitative 
information  on  the  magnitude  of  synergy  was  reported.  In  those  six  studies  the 
difference between observed synergisms and predictions by CA did not deviate by more 
than a factor of 4. 
Cedergreen  (2014)  performed  a  systematic  literature  review  for  binary  mixtures  within 
three  groups  of  environmentally  relevant  chemicals  (pesticides,  metals,  antifouling 
agents).  Synergy  was  defined  as  a  minimum  two-fold  deviation  from  CA  predictions. 
Synergy  was  found  in  7%,  3%  and  26  %  of  the  pesticide,  metal  and  antifoulant 
mixtures, respectively. The extent of synergy was rarely more than factor of 10. Based 
on some more in depth analysis Cedergreen concluded that true synergistic interactions 
between  chemicals  are  rare  and  often  occur  at  high  concentrations.  Using  standard 
models as CA is regarded as the most important step in the RA of chemical mixtures. 
Kamo and Yokomizo (2015) performed a modelling exercise addressing three theoretical 
scenarios of non-interacting chemicals, directly and indirectly interacting chemicals. The 
results showed that combined effects obey CA only when the MoA of the components of 
the  mixture  are  exactly  the  same.  However,  nonlinear  effects  vanished  when  the 
chemical  concentrations  were  low,  suggesting  that  the  current  management  procedure 
of  assuming  CA  is  rarely  inappropriate  because  environmental  concentrations  of 
chemicals are generally low. 
Approaches  to  address  interactions  and  unravel  the  mechanisms  are  shown  e.g.  in 
sections 3.6 and 3.7. In guidance by ECHA (2014) for biocidal products and EFSA's PPR 
Panel  (2013)  for  pesticides,  a  deviation  between  CA  predictions  and  measured  mixture 
toxicities by a factor of 5 or more is regarded a synergistic/antagonistic interaction which 
has to be considered further. More generic approaches to address interaction in mixture 
hazard  assessments  look  at  the  use  of  classical  CA  based  methods  and  adding  an 
additional  safety  factor  to  account  for  possible  (unidentified)  interaction  effects.  This 
might  be  an  option  for  specific  cases  and  compound  classes  as  discussed  e.g.  in 
Backhaus et al. (2013), where an interaction factor of 2 for biocidal mixtures is proposed 
 
9
 

 
based  on  the  evidence  that  in  the  majority  of  cases  synergistic  effects  will  not  lead  to 
higher deviations from CA prediction.  
Overall,  evidence  in  the  literature  indicates  that the  interactions  at  lower  concentration 
levels  such  as  environmental  concentrations  are  rare  and  if  observed,  leading  to 
deviations from CA predictions that are relatively small. However, more knowledge could 
be gained from additional case studies covering different sectors to further underpin this. 
 
10
 

 
3. New  scientific  tools  for  hazard  assessment  and  how  they 
could  be  used  for  assessing  mixtures/effects  from 
combined exposure 

Exposure  of  humans  and  wildlife  to  chemicals  via  food,  consumer  products,  the 
environment  etc.  can imply exposure to an infinite number  of different combinations of 
chemicals  in  mixtures.  It  is  practically  impossible  to  test  all  these  possible  mixtures 
experimentally, especially in vivo. Therefore, smart strategies are needed to assess the 
potential hazards using new tools that rely less on in vivo testing and incorporate instead 
alternative experimental and computational tools. These tools are ideally simpler, faster, 
and more robust in providing the necessary toxicological information of defined and /or 
undefined mixtures.  
In  the  following  the  applicability,  benefits  and  limitations  of  the  main  current  methods 
and  concepts  are  discussed  in  the  context  of  hazard  assessment  of  mixtures  based  on 
recent literature. 
3.1.  Adverse Outcome Pathways (AOPs) 
The  Adverse  Outcome  Pathway  (AOP)  methodology  is  an  approach  which  provides  a 
framework to collect, organise and evaluate relevant information on chemical, biological 
and toxicological effects of chemicals. This approach supports the use of a mode (and/or 
mechanism)  of  action  basis  for  understanding  adverse  effects  of  chemicals  (OECD, 
2013). The approach is based on the concept that toxicity results from the chemical first 
reaching and then interacting with an initial target or targets in the organism. Thus, an 
AOP  is  a  sequence  of  events,  starting  from  the  molecular  initiating  event  (MIE;  at 
macromolecular  level),  via  intermediate  key  events  (KEs,  at  cellular  or  organ  level)  to 
the  in  vivo  outcome  of  interest  (adverse  outcome,  AO;  at  organism  and  population 
level).  
As  described  in  the  sections  below,  the  prediction  and  assessment  of  mixture  effects 
often  considers  mechanistic  information  in  order  to  determine  whether  mixture 
components  follow  a  similar  or  dissimilar  mode  of  toxic  action  and  hence  should  be 
assessed together or not. This is most often used in order to group mixture components 
and to decide whether to apply CA or IA based approaches for mixture effect predictions 
(Borgert et al, 2004). Ankley et al. (2010) illustrated how effects caused by mixtures of 
chemicals  that  act  via  the  same  molecular  initiating  event  or  affect  pathways  that 
converge  at  common  intermediate  steps,  can  be  aggregated  for  risk  characterization. 
Thus AOPs provide a valuable framework for grouping mixture components based on the 
Mode  of  Action  (MoA)  into  cumulative  assessment  groups  (CAGs).  Examples  in  the 
literature  sometimes  show  a  grouping  of  chemicals  based  on  similar  target  organs,  but 
often follow the AOP concept even if not presented as such. When chemicals are grouped 
based  on  their  MoA,  one  needs  to  keep  in  mind  that  depending  on  the  dose  ranges, 
chemicals might produce different effects by different mechanisms (Borgert et al, 2004), 
thus  following  different  AOPs.  Thus  the  mechanistic  considerations  need  to  take  due 
account of the relevant exposure concentrations.  
In the Solutions project presented in Altenburger et al. (2015), water quality monitoring 
is performed by a combination of chemical and bioanalytical tools for targeted and non-
targeted  screening  of  components  in  environmental  mixtures.  The  bioanalytical  tools 
should capture MIEs and KEs in order to inform about the toxic pressure in situ. Effects 
at  various  biological  levels  should  be  assessed  (molecular,  cellular,  organism  and 
population level), which is in line with the AOP concept. 
Using  AOPs  and  toxicokinetic  modelling,  results  from  in  vitro  testing  can  be  put  into 
context and used to support mixture  risk assessment with a reduced  number of animal 
testing (section 3.2).  
 
11
 

 
3.2.  In vitro methods 
In  vitro  models  usually  consist  of  cell  lines  that  are  cultured  in  the  laboratory  under 
standard conditions. The main advantage of in vitro models is that they allow the study 
of biological responses under such controlled conditions, where in vivo models might be 
influenced by non-chemical stressors that can make the assessment of chemical induced 
effect(s)  even  more  complex  and  challenging.  In  addition,  most  used  cell  lines  can  be 
cultured relatively easily, they can be used in a high throughput setting, which makes it 
possible to test for different effects and different combinations of compounds in parallel. 
As  such,  in  vitro  tools  provide  a  pivotal  role  in  toxicity  pathway  testing,  as  e.g.  put 
forward  by  the  NRC  report  on  Toxicity  Testing  in  the  21st  Century:  A  Vision  and  a 
Strategy (NRC, 2007). 
Most  in  vitro  tools  currently  applied  in  risk  assessment  consist  of  cell  lines  that  are 
designed  to  respond  to  specific  effects,  so  called  mechanistic  assays.  Generally,  they 
respond  to  the  activation  of  receptors  and/or  specific  pathways,  as  a  result  of  e.g. 
receptor  activation  or  triggering  of  cellular  repair  mechanisms.  As  such,  they  can  be 
used  to  elucidate  the  mechanism(s)  of  action  of  a  compound  or  combination  of 
compounds. By considering the effects in a broader context, e.g. as specific steps in an 
AOP,  in  vitro  tests  can  provide  important  information  on  MoA/AOP,  e.g.  for  subsequent 
grouping of chemicals or for prioritizing compounds for risk assessment (Caldwell et al, 
2014).  
The application of in vitro tools in the assessment of chemicals mixtures can be divided 
into  two  approaches:  top-down  and  bottom  up.  In  the  top-down  approach,  in  vitro 
assays are used to assess the overall amount of toxicity, effect, receptor activation etc. 
triggered  by  a  complex  mixture.  This  effect-based  environmental  monitoring  is 
increasingly  being  applied  to  assess  environmental  mixtures,  in  part  because  of  their 
ability  to  give  an  overall  response  to  the  mixture  present,  and  in  part  because  the 
compounds causing the effects were – and to a large extent still are – largely unknown 
(Tang  et  al.,  2013,  2014).  Because  of  this,  in  vitro  tools  are  also  widely  used  in 
identifying previously unknown or unconsidered effects, but are also used to identify the 
compound(s)  responsible  by  combining  sophisticated  chemical  analysis  with  in  vitro 
measurements, in a process frequently called Effect Directed Analysis (EDA) (Burgess et 
al., 2013, Beyer et al., 2014).  
While approaches like EDA start top-down, more bottom approaches are also utilized, in 
which many chemicals are screened for activity in a wide range of in vitro assays (Beyer 
et  al.  (2014).  Several  recent  initiatives  have  been  launched  to  profile  the  effects  of  a 
compound using a wide range of in vitro assays, like the ToxCast program from the US 
EPA, or the Tox21 by the National Institute of Health (NIH). These assays include assays 
focusing on specific pathways or effects, e.g. mitochondrial toxicity (Attene-Ramos et al., 
2013a),  cell  viability  and  nuclear  receptor  assays  including  hormone  receptors  and 
metabolic pathways (Huang et al., 2011) and various other endpoints (Tice et al., 2013). 
While  many  of  these  initiatives  initially  focused  on  environmental  chemicals,  these 
approaches  are  promising  for  all  chemical  risk  assessment  of  many  compounds, 
including  pharmaceutical,  personal  care  products  and  food  ingredients  (Rovida  et  al., 
2015).  Regardless  of  the  approach,  linking  the  total  mixture  toxicity  measured  in  vitro 
tools to compound concentrations is dependent on the mathematical model that is used 
to  describe  the  overall predicted  effects  based  on individual  concentration.  Similarly,  in 
vitro
  tools  can  be  used  to  assess  the  validity  of  specific  models  to  predict  mixture 
effects. 
A major hurdle in the acceptance of results obtained by in vitro tools is the question how 
to  translate  in  vitro  findings  to  adverse  in  vivo  effects  (which  is  the  actual  protection 
goal).  As  in  vitro  studies  generally  cannot  take  into  account  some  of  the  complexity  of 
the  whole  organisms,  including  uptake,  metabolism  and  feedback  mechanisms,  in  vitro 
 
12
 

 
to  in  vivo  extrapolation  (IVIVE)  is  currently  an  important  research  topic  (see  e.g. 
Adeleye et al., 2015). While in vitro assays can provide important information regarding 
the  mode  of  action  (the  toxicodynamics),  better  predictions  can  be  obtained  by 
extrapolating the in vitro exposure conditions to the in vivo situation using toxicokinetic 
models  (see  section  3.6).  Single  in  vitro  assays  cannot  cover  all  the  parameters 
necessary  to  make  the  translation  to  in  vivo.  Dedicated  in  vitro  assays  can  help  in 
identifying  and  quantifying  the  parameters  needed  to  validate  the  uptake,  metabolism 
and excretion models needed for the in vitro to in vivo translation. 
While  it  is  difficult  to  predict  the  actual  in  vivo  effects  based  solely  on  in  vitro 
concentrations, in vitro tools might be used for regulatory screening purposes by relying 
on  a  threshold  (both  human  and  environmental)  below  which  relevant  effects  are  not 
expected to occur in vivo. Different approaches have been put forward, mainly focusing 
on endocrine pathways (Brand et al., 2013, Jarosova et al., 2014, Escher et al., 2015). 
Based on their ability to predict in vivo or chemical analysis results (Browne et al., 2015, 
Sonneveld et al., 2006), several in vitro tools are accepted by regulatory bodies for the 
assessment of single compounds and mixtures. E.g. the US EPA is currently considering 
the  acceptance  of  ToxCast  ER  model  data  as  alternative  for  the  in  vivo  Uterotrophic 
Assay  (Browne  et  al,  2015).  Some  regulation  do  already  allow  for  the  use  of  in  vitro 
assay measurements for mixtures. For example, EU regulations 589/2014 and 709/2014 
specifically allow the use of in vitro methods to give an indication of the total TEQ level 
in food and feed respectively, expressing the results as Bioanalytical Equivalents (BEQ), 
rather  than  the  calculated  TEQ  based  on  individual  congener  concentrations  analysed 
chemically. 
3.3.  Omics 
Omics techniques allow a global analysis of gene transcripts (transcriptomics, also called 
gene  expression  profiling),  of  proteins  (proteomics)  and  of  small  molecule  metabolites 
(metabolomics)  including  their  relative  abundance  (see  e.g.  Schirmer  et  al  2011; 
Villeneuve  and  Garcia-Reyero  2011).  Omics  are  suitable  to  study  effects  at  low  doses 
which  are  more  relevant  for  environmental  mixture  exposure  due  their  high  sensitivity. 
However, the effects observed at omics level need to be interpreted with care since the 
molecular responses do not necessarily lead to an adverse outcome at the physiological 
level  (Borgert  2007;  Beyer  et  al  2014).  Furthermore,  mechanistic  information  on  the 
mode  of  toxic  action  and  affected  pathways  can  be  derived,  which  makes  the  tools 
valuable  in  the  context  of  mixture  toxicity  as  well  as  single  substance  toxicity 
investigations.  
Altenburger  et  al  (2012)  reviewed  literature  on  the  application  of  omics  techniques  in 
investigations of chemical mixtures. Among the 41 studies found (published 2002-2011), 
most were transcriptomics studies. Many studies investigate the mode of action of single 
substances  and  try  to  predict  responses  upon  exposure  to  chemical  mixtures.  Omics 
techniques  can  help  identifying  toxicological  mechanisms  of  individual  compounds  by  a 
non-biased  discovery  driven  approach  (Beyer  et  al  2014).  They  can  facilitate  the 
identification  of  key  molecular  events  and  complex  sequential  events  caused  by 
stressors.  They  can  support  building  a  more  complete  overview  of  stress-response 
profiles  (e.g.  toxicity  pathways),  both  for  single  stressors  and  mixtures;  identify  key 
MoAs;  to  mechanistically  understand  the  potential  for  interactions  between  mixture 
components; the selection of robust biomarkers for mixture prediction models in ERA.  
In the reviewed literature, Altenburger et al (2012) found no clear relationship between 
the  exposure  doses,  the  number  of  chemicals  in  a  mixture  and  the  number  of  related 
affected  gene  responses.  In  some  cases  responses  of  specific  pathways  upon  exposure 
to individual compounds were replaced by more general stress response upon exposure 
to  mixtures.  However,  by  delivering  more  mechanistic  information  also  on  individual 
components,  omics  results  can  help  in  generating  hypotheses  on  possible  interactions 
 
13
 

 
between  mixture  components  (El-Masri,  2007).  This  can  feed  into  the  development  of 
mechanistic  models  used  to  simulate  results  that  can  be  tested  by  model-designed 
experiments.  Dardenne  et  al.  (2008a)  used  multi-endpoint  bacterial  gene  profiling  in 
combination  with  cluster  and  principal  component  analysis  in  order  to  explore  to  what 
extent compounds can be grouped according to their toxicological mechanism of action. 
Several  clusters  of  MoA  could  be  identified  and  results  be  improved  by  combining 
different clustering techniques. Projection of two environmental samples in the principal 
component  analysis  (PCA)  plane  allowed  identifying  the  mixed  mode  of  action  of  these 
samples,  which  can  be  useful  for  deriving  first  information  on  samples  of  unknown 
composition. 
Several  studies  try  to  also  quantitatively  interpret  the  data,  using  the  concepts  of 
concentration  addition  and  independent  action  as  is  usually  done  for  apical  endpoints. 
The  major  limitation  for  applying  these  concepts  to  omics  studies  is  the  usually  limited 
number  of  tested  concentrations  (Altenburger  et  al.,  2012).  Another  limitation  that 
hampers  the  application  of  a  classical  toxic  unit  approach,  is  the  difficulty  of  deriving 
effect concentrations (ECx) since the maximum induction levels for different genes vary 
with  different  chemicals  (depending  e.g.  on  the  cytotoxicity  of  a  specific  compound) 
(Dardenne et al., 2008b). Dardenne et al. (2008b) investigated the effects of individual 
substances  and  binary  mixtures  on  14  stress  gene  promoters.  Mixture  responses  were 
fitted applying both, CA and IA models. In many cases both models were able to predict 
the mixture response from the individual compound responses. Differences between CA 
and  IA  predictions  were  rather  small.  Deviations  from  CA  and  IA  occurred,  sometimes 
with deviations being in opposite directions (i.e. synergistic or antagonistic) at high and 
low  dosage  level.  The  choice  of  the  best  fitting  model  could  not  be  made  objectively 
based on similar or dissimilar mode of action.  
In summary, to date the major benefit of applying omics in the context of mixtures is to 
use them for unravelling MoAs of the individual components in order to group them and 
facilitate appropriate predictions of mixture toxicity. 
3.4.  Quantitative Structure-Activity Relationships (QSARs) 
Quantitative  Structure-Activity  Relationship  (QSAR)  models  can  be  used  to  obtain 
information  on  the  properties  and  activities  of  substances  based  on  their  chemical 
structure  alone,  and  can  thus  be  used  to  fill  data  gaps  in  the  safety  assessment  of 
chemicals.  Predictive  approaches,  such  as  QSARs,  are  essential  for  estimating  mixture 
toxicity as the number of possible mixtures is extremely large (Kim and Kim, 2015). 
There  are  three  main  ways  in  which  QSARs  can  be  applied  for  the  assessment  of 
mixtures:  (1)  for  predicting  (missing)  information  on  individual  compounds  (physico-
chemical  properties,  toxicological  effects)  (2)  for  predicting  directly  or  stepwise  the 
combined  effects  and  interactions  of  chemicals  in  a  mixture  (3)  for  assessing  whether 
chemicals will act in a similar or dissimilar way to perform their grouping. 
Altenburger et al. (2003) outlined how QSARs could support mixture toxicity evaluations. 
All  organic  compounds  (also  those  with  specific  MoA),  will  exert  baseline  toxicity 
resulting  from  non-specific  effects,  related  to  partitioning  into  membranes  and 
adsorption  to  macromolecules.  Thus  all  organic  chemicals  will  contribute  in  an  additive 
way to baseline effects of a mixture also at very low concentrations. Thus a mixture will 
be  at  least  as  toxic  as  corresponds  to  the  sum  of  the  fractional  baseline  toxic 
concentrations  of  the  components.  This  holds  true  however  only  in  the  absence  of 
antagonism that could result from metabolic detoxification of some components induced 
by  other  components  of  the  mixture.  In  a  mixture  with  differently  acting  chemicals, 
specific  effects  might  not  be  triggered  due  to  very  low  concentrations  of  the  individual 
components. However, their contributions to baseline toxicity will remain and might add 
up  to  overall  significant  effects  of  the  mixture.  QSARs  can  therefore  be  used  to  predict 
 
14
 

 
the baseline toxicity of a mixture and when comparing to measured toxicity of a mixture 
help identifying if specific effects were occurring in addition.  
Altenburger et al. (2003) also found that it is sometimes assumed that if one QSAR can 
be  applied  to  predict  the  toxicity  of  all  mixture  components,  the  compounds  will  by 
default follow CA. However, this is not always the case since compounds may contribute 
to different extent to narcotic and specific toxicity in a QSAR. Therefore, this assumption 
is not generally valid. 
When  comparing  experimentally  measured  mixture  toxicities  with  those  predicted  by 
QSARs,  deviations  observed  were  bigger  for  binary  mixtures  than  for  multiple  mixtures 
(Altenburger et al., 2003). This might be due to greater experimental variability for more 
complex mixtures as well as due to an increasing degree of compensation of deviations 
with increasing number of components in the mixture.  
Direct  prediction  of  mixture  toxicity  by  QSARs  is  rather  rare.  It  is  only  possible  if  the 
detailed  mixture  composition  is  known.  In  some  cases  (Altenburger  et  al  2003), 
predicted  mixture  toxicity  is  higher  than  experimentally  determined,  mainly  due  to 
inadequate  predictions  for  some  individual  components.  If  predictions  are  based  on 
observations at higher concentrations, this can lead to overestimations of toxicity, since 
at low concentrations the specific effects  of  some compounds may not be triggered  yet 
(e.g.  in  the  case  of  pesticides)  and  hence  they  act  as  nonspecific  toxicants.  If  the 
mixtures  are  composed  of  compounds  that  are  predicted  adequately  individually,  also 
the joint toxicity is mostly predicted with a sufficient degree of accuracy.  
QSARs  can  be  used  to  discriminate  classes  of  toxicants,  i.e.  to  assess  mixture 
components  for  similar  or  dissimilar  mode  of  action.  QSAR-based  tools  to  look  for 
functional  similarities  comprise  molecular  indices,  topological  indices  and  atom  pairs, 
physicochemical  and  quantum  chemically  derived  stereoelectronic  descriptors,  together 
with  subsequent  discriminant  analysis.  A  sequential  analysis  applying  the  different 
approaches  can  enhance  the  predictive  capacity  when  dealing  with  several  different 
classes of chemicals (Altenburger et al., 2003). For example, Mwense et al. (2006) use a 
set  of  molecular  descriptors  to  determine  the  overall  structural  similarity  and 
dissimilarity  within  a  mixture  based  on  all  the  pairwise  similarities  and  dissimilarities 
between the constituent molecules. Then the degree of similarity vs dissimilarity is used 
to weight the relative contributions of concentration addition and independent action in a 
mathematical model based on both approaches.  
QSARs can be used  for modelling exposure  concentrations and have  been proposed for 
calculating  internal  exposure  concentrations  by  modelling  internal  distribution  and 
metabolism  (Altenburger  et  al.,  2003).  This  is  especially  important  when  chemicals  are 
reactive  or  interacting with  protein  macromolecules.  For  example,  Verhaar  et  al  (1997) 
illustrated  an  approach  to  assess  the  toxicity  of  complex  multi-component  mixtures, 
where QSARs can provide input parameters for PBPK models and a lumping analysis to 
reduce mixture complexity to a limited number of compound categories.  
Kim  and  Kim  (2015)  reviewed  recently  developed  computational  methods  based  on 
QSARs  for  predicting  mixture  toxicity  in  environmental  risk  assessment  (ERA).  They 
searched  for  related  peer-reviewed  articles  published  2011-2013  in  the  fields  of 
toxicology, environmental science and ecology and engineering. They identified empirical 
QSARs developed mainly based on partition coefficients. In the case of single substance 
QSARs  these  are  usually  based  on  Kow,  in  the  case  of  mixtures  it  is  proposed  to  base 
them on Kmd (i.e. the C18 EmporeDisk/water partition coefficient of the mixture). Kmd was 
found to be promising for predicting the mixture toxicity of some chemicals (halogenated 
benzenes,  phenols,  petroleum,  PCBs,  organochlorines,  herbicides).  However,  these 
QSARs  can  only  assess  EC50s  of  non-interacting  mixtures  ignoring  synergistic  effects. 
Tang et al. (2013) proposed an approach for deriving effect based water quality trigger 
 
15
 

 
values.  Trigger  values  are  derived  in  two  steps,  firstly  estimating  the  individual 
chemicals EC50 for non-specific MoA/baseline toxicity by QSARs and secondly calculating 
mixture  toxicity  by  CA.  This  represents  a  strategic  approach  to  quantitatively  derive 
reference  concentrations  of  mixture  toxicity  of  different  pollutants  regulated  by  water 
quality guidelines. Also non-empirical QSARs based on quantum chemistry and molecular 
docking  processes  were  identified.  Quantum-based  QSARs  based  on  atomic  charges 
were developed that allow the prediction of mixtures at non-equitoxic concentrations of 
the components. Two-step models are available that first assign chemicals via structural 
similarity to relevant MoA and then calculate the toxicity for similar chemicals based on 
CA and in a second step for the dissimilar groups based on IA. 
In  summary,  QSARs  can  provide  valuable  input  to  assessing  the  toxicity  of  mixtures. 
Some  general  challenges  and  limitations  for  application  of  QSARs  to  predict  mixture 
toxicities remain: 
1.  The principal difficulties in dealing with mixtures, limit the quantitative application of 
QSARs  in  environmental  field  research  (Altenburger  et  al.,  2003).  The  restrictions 
mostly  relate  to  the  characterization  of  proper  QSAR  input  parameters,  since  so  far 
the  impact  of  molecular  properties  on  the  mode  of  interaction  in  mixtures  is 
essentially unknown.  
2.  QSARs to date mainly use CA for mixture toxicity prediction; interactions (especially 
synergisms) need to be further addressed. The lack of quality data (on molecular and 
biological  mechanisms)  to  increase  understanding  of  synergism  is  essentially  the 
most  critical  challenge  in  modelling  it.  Molecular  docking  based  QSAR  models  have 
the  potential  to  contribute  to  the  prediction  of  synergisms.  The  main  influencing 
factors  for  synergisms  are  bioavailability,  internal  transportation,  metabolization, 
binding at the target site and excretion. Thus molecular docking theory seems most 
promising to address this (Kim and Kim, 2013). 
3.  Most  current  QSAR  developments  focus  on  binary  mixtures,  QSARs  enabling  the 
assessment of multi-component mixtures need to be further developed. Only two out 
of  eleven  reviewed  QSAR  models  were  able  to  address  multi-component  mixtures 
(Kim and Kim (2015). 
4.  It is important to acknowledge that the combined effect can be rather different when 
considering predictions based on EC50 values instead of considering low dose effects 
at  concentrations  below  the  NOEC  (Kim  and  Kim,  2015).  This  is  supported  by  the 
observation that at low concentrations, the specific effects of these compounds may 
not  be  triggered  yet  and  hence  they  act  as  nonspecific  toxicants  (Altenburger  et  al. 
2003).  Most  QSAR  models  for  mixtures  predict  an  EC50  for  the  mixture,  which  is 
probably  not  relevant  for  environmental  exposures.  QSAR  models  that  are  able  to 
predict  multi-point  estimates  around  threshold  effect  levels  should  be  developed 
(Kim and Kim, 2015).  
5.  Most current QSARs for mixtures focus on acute rather than chronic toxicity. QSARs 
based  on  molecular  docking  might  help  to  improve  chronic  predictions,  but  at  the 
moment are only able to predict toxicity for binary mixtures (Kim and Kim, 2015). 
Nevertheless,  descriptive  QSARs  can  be  very  useful for  deriving  basic  understanding  of 
relevant  interactions  and  molecular  mechanisms.  They  can  help  in  designing  and 
interpreting  studies  to  link  biological  effects  with  chemical  analysis  (Altenburger  et  al 
2003). 
3.5.  Read-across 
In  the  following  some  general  principles  of  read-across  and  specific  issues  to  consider 
when  applying  read-across  to  mixtures  will  be  briefly  discussed.  For  more  detailed 
general  considerations  please  refer  to  the  OECD  Guidance  on  Grouping  of  Chemicals 
(OECD, 2014) or to the ECHA Read-Across Assessment Framework (ECHA, 2015). 
 
16
 

 
Read-across  is  a  technique  that  allows  predicting  endpoint  or  test  information  for  a 
chemical (target chemical) based on the information available on the same endpoint or 
test  for  one  or  more  similar  chemicals  (source  chemical(s))  (OECD,  2014).  Two  main 
approaches for read-across are usually distinguished, i.e. the analogue and the category 
approach.  The  analogue  approach  is  usually  used  to  read-across  between  a  small 
number of similar chemicals, in a simplest case from a single source chemical to a target 
chemical. The category approach is usually applied to read-across between/within whole 
groups of similar chemicals, mostly used for structurally similar groups of chemicals and 
chemical families (ECHA, 2015).  
Read-across  can  be  applied  for  the  prediction  of  various  properties  in  order  to  fill  data 
gaps on e.g. physico-chemical properties, environmental fate, human health effects and 
ecotoxicity.  Read-across  can  be  performed  in  a  qualitative  or  quantitative  way. 
Qualitative predictions usually address the absence or presence of a certain property or 
activity.  Quantitative  read-across  instead  predicts  a  value  for  a  certain  property  or 
endpoint, e.g. a dose-response relationship and effect concentrations (such as NO(A)EL, 
LO(A)EL) (OECD, 2014). 
The basis for read-across from one or more chemicals to another chemical or a group of 
chemicals  is  the  similarity  in  structure,  properties  and  activities  of  the  involved 
chemicals.  Structural  similarity  provides  a  convenient  means  of  identifying  likely 
analogues.  Similarity  may  be  based  on  common  functional  groups,  common  chemical 
class, or common precursor or breakdown products (i.e. similar metabolic or degradation 
pathway).  In  addition  to  forming  groups  based  on  structural  similarity,  groups  can  be 
further developed based on biological information. The adverse outcome pathway (AOP) 
framework  (see  section  3.1)  can  help  to  group  chemicals  according  to  the  molecular 
initiating  events  (MIEs)  or  key  events  (KE)  that  they  trigger.  For  this  purpose  it  is  not 
needed  that  the  whole  sequence  of  events  of  an  AOP is  known,  however,  a  reasonable 
link needs to be made with the adverse outcome that is to be predicted by read-across 
(OECD, 2014). 
Read-across can be of value in the assessment of mixtures mainly in two ways: 
•  Read-across  for  untested  constituents  of  a  mixture  in  a  component  based 
approach.  
•  Read-across for similar mixtures in a whole mixture approach. 
For  the  first  case,  approaches  as  described  above  can  be  followed  for  the  individual 
mixture  components.  In  mixtures  of  structurally  diverse  compounds,  read-across  for 
several  constituents  might  be  an  option.  In  cases  of  mixtures  of  substances  of  one 
chemical  class,  a  category  approach  might  be  followed  to  read-across  among  different 
components of the class for which less information is available. An example is presented 
for phthalates by Health Canada/Environment Canada (2015).  
An example for the second case is the application of read-across to complex substances 
such  as  MCS  (Multi-Constituent  Substances)  and  UVCBs  (substances  of  Unknown  or 
Variable composition, Complex reaction products or Biological material). However, read-
across is limited to substances with sufficient knowledge about the composition (identity 
and properties of constituents) and understanding of key structures that are determining 
the mixture's behaviour. Category members are often grouped based on how these are 
manufactured,  defined  and  used,  which  can  provide  boundaries  for  the  constituents 
chemical space (OECD, 2014).  
The  OECD  QSAR  toolbox  is  a  software  application  that  allows  identifying  and  filling  of 
data gaps for chemical hazard assessment. It comprises (eco)toxicological experimental 
data  and  prediction  tools  which  can  be  used  for  grouping  of  chemicals  and  data  gap 
filling  (for  details  see  OECD,  2009  and  webpage  with  related  tutorials).  The  OECD 
 
17
 

 
toolbox  allows  also  the  assessment  and  prediction  of  mixtures  if  the  chemical 
components  are  known.  One  can  enter  the  individual components,  gather  the  available 
experimental  data  on  certain  endpoints  for  the  individual  components  and  the  toolbox 
can  provide  a  prediction  of  the  endpoint  for  the  mixture  giving  the  choice  of  similar  or 
different  MoA  consideration.  Thus  this  tool  allows  performing  data  gap  filling  by  read-
across and mixture endpoint prediction in one workflow. 
3.6.  Toxicokinetic and toxicodynamic modelling 
Toxicokinetics  (TK)  describe  the  concentration  and  time-dependent  fate  of  a  substance 
within  an  organism  whereas  toxicodynamics  (TD)  describe  the  subsequent  interaction 
with biological targets and how this may lead to adverse health effects (Bessems et al., 
2015).  In  the  context  of  human  health  and  environmental  risk  assessment  usually  the 
terminology of toxicokinetics and toxicodynamics is used, however, sometimes the terms 
pharmacokinetics  (PK)  and  pharmacodynamics  (PD)  are  used  synonymously  depending 
on the origin of the models and underlying data.  
TK/TD considerations can support the assessment of chemical mixtures in several ways 
with the main areas of application being: 
•  Determination  of  internal  exposure  concentrations,  e.g.  enabling  a  relation 
between  body  concentrations  and  in  vitro  experiments  (i.e.  IVIVE,  in  vitro  to  in 
vivo
  extrapolations),  of  relevance  for  single  chemicals  as  well  as  for  chemical 
mixtures. 
•  Considering  the  simultaneous  or  sequential  exposure  to  different  mixture 
components, assessing the probability that those reach the same target. 
•  Predicting interactions among mixture components on TK and TD level. 
The  classically  applied  methods  based  on  CA  and  IA  lack  a  mechanistic  basis  and  are 
thus  of  limited  utility  for  high-to-low  dose  or  animal-to-human  extrapolations.  PBPK 
models allow the extrapolation between doses, routes and species. PBPK/PD models can 
also  help  in  detecting  shifts  in  the  mechanism  of  action  at  varying  doses  and  in 
predicting interactions and their respective thresholds (El-Masri, 2007). 
Most of the identified relevant studies available in the literature, investigate the utility of 
physiologically based (PB) PK/PD models to assess and predict interactions of chemicals 
in a mixture, i.e. looking at deviations from strict additivity. Tan et al. (2011) reviewed 
PBPK/PD  modelling  efforts  to  investigate  the  chemical  interactions  at  the  PK  and  PD 
levels. Most interactions studied to date  focus  on PK interactions.  PK interactions mean 
that mixture components influence each other's target tissue dose. This can occur if one 
chemical  in  a  mixture  affects  the  absorption,  distribution,  metabolism  or  excretion 
(ADME) of other components of the mixture, e.g. by inducing or inhibiting metabolising 
enzymes, competing for transporters etc. PD interactions mean that mixture components 
influence  each  other's  target  tissue  response  based  on  one  unit  of  target  tissue  dose, 
e.g. if one chemical impairs repair or homeostasis mechanisms. Examples can be found 
in  Tan  et  al.  (2011);  however,  most  examples  address  higher  (occupational)  exposure 
where  interactions  are  more  likely  to  occur  than  at  lower  (environmental)  exposure 
levels.  
PBPK/PD  modelling  is  often  hampered  by  the  limited  availability  of  input  parameters. 
Verhaar  et  al.  (1997)  proposed  an  integrated  approach  using  PBPK/PD  modelling  with 
QSAR  analysis  and  lumping  analysis  to  predict  mixture  toxicity.  QSARs  were  used  to 
derive  needed  input  parameters  for  unknown  chemicals,  e.g.  partition  coefficients, 
metabolic  rate  constants,  and  pharmacodynamics  parameters.  Since  with  a  higher 
number of components in a mixture this becomes rather cumbersome, they proposed to 
combine  it  with  a  lumping  analysis  to  build  categories  to  reduce  the  number  of 
components of the mixture to be addressed. 
 
18
 

 
PBPK modelling can also support cumulative risk assessment including both, exposure to 
multiple  chemicals  and  non-chemical  stressors.  Wason  et  al.  (2012)  investigated  the 
cumulative  risk  for  children  exposed  to  multiple  pesticides  and  non-chemical  stressors, 
such as dietary factors. The study developed a general framework for such approaches, 
is however, not further discussed here since the focus is on chemical stressors. 
In  summary,  the  integration  of  TK  in  the  assessment  of  mixture  hazards  is  of  value  in 
order  to  generate  a  better  mechanistic  understanding  and  currently  mostly  used  to 
predict and interpret interactions between mixture components.  
3.7.  Dynamic Energy Budget (DEB) models 
The approach of dynamic energy budgets (DEBs) is applied in the ecotoxicology area. It 
considers  toxicity  as  a  process  over  time  that  depends  firstly  on  the  build-up  of  the 
internal concentration, and secondly on a hazard model that describes the adverse effect 
as  a  chance  process,  e.g.  using  a  killing  rate  (Løkke  et  al.,  2013).  Compared  to  the 
classical  approaches  based  on  CA  and  IA  that  interpret  effects  on  different  endpoints 
separately,  DEB  models  have  the  advantage  that  by  their  mechanistic  basis  they  allow 
extrapolating  experimental  results  to  e.g.  other  time  points,  time-varying  exposures, 
other mixtures,  other  organisms, and other (non-chemical) stressors, such as e.g. food 
limitation (Baas et al., 2010).  
DEB models mostly use few parameters which have a clear biological meaning (e.g. such 
as  killing  or  elimination  rates).  In  order  to  develop  DEB  models,  the  results  of  a  time 
series  of  toxicity  endpoints  (e.g.  data  on  survival)  are  needed,  which  might  add  extra 
costs; however, this allows some increased understanding of the underlying mechanisms 
and better predictions of mixture effects.  
The  first  step  in  the  DEB  model  addresses  toxicokinetics,  to  determine  the  internal 
concentration  looking  at  uptake  and  elimination  in  a  one  compartment  model.  Then  a 
model  description  of  the  processes  in  the  organism  follows  looking  at  assimilation, 
maintenance, growth, reproduction, death. Resulting effects on the organism can lead to 
changes in toxicokinetics for other mixture components and are considered in a feedback 
loop.  The  advantage  of  this  modelling  framework  is  that  it  can  be  applied  to  a  large 
variety  of  different  species,  in  contrast  to  e.g.  PBPK/PD  models  which  are  very  species 
specific  (Baas  et  al.,  2010).  For  each  component  in  the  mixture,  three  toxicity 
parameters are needed: the no effect concentration, the killing rate and the elimination 
rate. In addition one extra parameter to correct for the mortality in unexposed controls 
is  needed.  Among  different  examples  of  applying  the  DEB  model  to  binary  mixtures,  it 
was  also  proven  to  work  for  more  complex  mixtures.  Baas  et  al.  (2009)  addressed 
effects of mixtures of 80 different compounds in surface water on Daphnia, where 92% 
of  the  cases  were  correctly  predicted.  Using  this  approach  the  chemicals  driving  the 
effects could also be identified. 
Most  examples  in  the  literature  are  dedicated  to  predicting  mortality  and  similar 
endpoints. Studies by Jager et al. (2010, 2014) showed however that DEB modelling can 
be also applied for sub-lethal endpoints elicited by mixtures.  
In  summary,  for  the  time  being  DEB  models  are  not  yet  regularly  used  in  the 
assessment of mixtures. They are however a promising tool, since they look at effects in 
a more integrated and mechanistic way. However, more work has to be done to specify 
what type of information is needed to identify the various mechanisms of action, and to 
quantify  the  importance  of  a  correct  choice  for  the  population  effects  (Jager  et  al., 
2014). 
 
19
 

 
3.8.  Threshold of Toxicological Concern (TTC) 
The  Threshold  of  Toxicological  Concern  (TTC)  is  a  methodology  that  can  be  applied  to 
assess  potential  human  health  concerns  for  chemicals  based  on  their  chemical 
characteristics  and  estimated  exposure.  It  is  applicable  to  substances  for  which  the 
chemical structure is known but for which there are few or no relevant toxicity data. The 
classification  of  chemicals  according  to  their  chemical  structure  is  an  essential 
component of the current TTC approach (Cramer classes, Cramer et al., 1978, Munro et 
al.,  1996).  It  was  first  developed  for  substances  in  food  contact  materials.  EFSA's 
Scientific  Committee  (2012)  investigated  the  applicability  of  the  TTC  approach  for  its 
own  work  (i.e.  food-related  risk  assessments)  and  recommended  a  revision  and 
refinement  of  the  Cramer  Classes  and  underlying  database.  Nevertheless,  the  Cramer 
classification scheme is considered conservative and protective of human health (EFSA's 
Scientific  Committee,  2012).  EFSA's  Scientific  Committee  has  identified  several  cases 
where  the  TTC  approach  should  not  be  applied,  one  of  them  being  "mixtures  of 
substances containing unknown chemical structures". 
In their  opinion on the  "Toxicity and Assessment of  Chemical Mixtures" (SCHER, SCCS, 
SCENIHR,  2012),  the  Scientific  Committees  discussed  the  application  of  the  TTC 
approach  in  the  assessment  of  mixtures.  They  recommend  the  TTC  approach  could  be 
used at a screening level for comparing first estimates of combined exposure to the TTC. 
For  representative  substances  in  assessment  groups  where  data  on  limit  values  are 
missing,  QSAR  predictions,  read-across,  or  the  TTC  approach  could  be  used  to  fill  the 
data  gaps.  A  TTC-like  approach  can  be  used  to  eliminate  combinations  that  are  of  no 
concern, if conservative exposure concentrations are used. 
Exemplary  case  studies  exist  in  the  literature  where  the  TTC  approach  was  used  to 
assess  human  health  risk  from  chemical  mixtures  in  surface  water.  Price  et  al.  (2009) 
explored the use of the TTC approach for the evaluation of the chronic non-carcinogenic 
effects  of  hypothetical  and  actual  examples  of  chemical  mixtures  and  it  proved  to 
provide  conservative  estimates  of  mixture  toxicity.  They  therefore  propose  to  use  the 
TTC in screening assessments of mixtures where compound specific data for components 
of  a  mixture  are  missing.  Along  these  lines,  also  Boobis  et  al.  (2011)  showed  the 
application  of  the  TTC  approach  in  a  Tier  0  risk  assessment  with  the  intention  to 
prioritize  the  need  for  further  evaluation  of  chemical  mixtures.  Data  were  based  on 
surface water monitoring data in order to create a hypothetical mixture of 10 compounds 
from  different  classes  (fragrances,  pesticides,  surfactants,  personal  care  products, 
solvents,  petrochemicals).  They  applied  some  worst  case  assumptions  (i.e.  direct 
consumption  of  surface  water  without  treatment  and  investigating  lifelong  chronic 
exposure  at  maximum  detected  levels).  The  TTC  using  ToxTree  and  the  concentration 
addition  based  Hazard  Index  were  applied.  In  the  specific  case,  no  risk  was  identified. 
The case study confirmed the utility of using the TTC approach at Tier 0 as suitable tool 
for mixture assessments. Terry et al. (2015) showed the application of the TTC approach 
for  facilitating  the  risk  assessment  of  parent  substances  and  their  environmental 
metabolites  using  a  pesticide  as  an  example.  The  TTC  approach  was  used  for  some 
metabolites  with  low  predicted  concentrations.  Utilizing  information  on  mode  of  action, 
relative  potency,  hazard  characterisation,  read  across,  predicted  exposure  and  TTC 
provided a robust database minimizing animal use for the assessment. 
In  summary,  the  TTC  approach  provides  a  useful  tool  to  be  used  at  lower  tiers  in  the 
assessment  of  mixtures,  providing  limit  values  for  mixture  components  with  missing 
information.  It  is  currently  limited  to  its  application  in  the  area  of  human  health. 
However,  an  international  activity is  currently  ongoing  to  develop  the  ecoTTC  approach 
for  environmental  hazard  assessment,  which  is  based  mainly  on  aquatic  toxicity  data 
(Belanger et al. 2015).  
 
20
 

 
3.9.  Integrated Approach to Testing and Assessment (IATA) 
With the more regular use of new techniques like e.g. in vitro testing, omics approaches, 
computational  methods,  there  is  a  need  to  develop  strategies  for  evaluating  the  data 
generated  and  interpret  them  in  a  joint  approach.  There  is  also  a  need  to  strategically 
direct  testing  efforts  in  order  to  save  resources.  Efforts  for  developing  such  strategies 
are  ongoing in  various  fora  and  usually include  a  framework  to  integrate  test  and  non-
test  information  in  a  weight  of  evidence  approach.  Under  the  OECD,  these  approaches 
are  called  Integrated  Approaches  to  Testing  and  Assessment  (IATA).  They  "integrate 
existing  knowledge  based  on  classes  of  chemicals  with  the  results  of  biochemical  and 
cellular  assays,  computational  predictive  methods, exposure  studies,  and  other  sources 
of  information  to  identify  requirements  for  targeted  testing  or  develop  assessment 
conclusions.  In  some  cases,  the  application  of  IATA  could  lead  to  the  refinement, 
reduction,  and/or  replacement  of  selected  conventional  tests  (e.g.,  animal  toxicity 
tests)." (NAFTA, 2012). 
The  development  of  IATA  is  nowadays  strongly  linked  to  the  development  and 
availability of AOPs. The AOPs offer the biological framework to build around the testing 
and  assessment  strategy  (Tollefsen  et  al.,  2014).  A  testing  and  data  interpretation 
strategy can be developed by addressing MIEs and KEs in an AOP.  
Related testing strategies can follow a battery approach (all tests performed and results 
collected), sequential or tiered approaches (results are collected in a given sequence and 
further  testing  is  stopped  when  sufficient  information  is  available),  or  result-driven 
further  testing  approach  (depending  on  results  next  most  valuable  testing  is  decided). 
The  integration  of  results  from  the  different  information  sources  can  occur  at  different 
levels,  i.e.  form  raw  data  to  summary/category  level.  Different  approaches 
(deterministic,  decision  trees,  scoring  approaches  etc.)  can  be  applied  (Tollefsen  et  al., 
2014). 
IATA provide another framework to collect information on individual mixture components 
as  well  as  on  whole  mixtures,  allowing  a  more  structured  (and  if  AOP  based  more 
mechanistically relevant) way of data generation and interpretation.  
 
 
 
21
 

 
4. Status  of  current  mixture  risk  assessment  based  on  a 
dedicated expert survey 
In  order  to  gain  an  overview  of  the  current  practices  and  experiences  with  assessing 
effects  and  risks  from  combined  exposure,  a  survey  among  experts  in  authorities, 
academia and industry was performed. The online survey was published in the EU survey 
platform  (https://ec.europa.eu/eusurvey/)  on  23/01/2015  and  closed  on  23/03/2015. 
The  link  to  the  survey  was  sent  to  experts  in  the  field  that  were  identified  in  the 
following  ways:  (1)  from  scientific  literature,  (2)  experts  involved  in  developing  the 
WHO/ICPS framework for combined exposure to chemical mixtures, (3) experts involved 
in  developing  the  Opinion  of  the  SCHER/SCHENIHR/SCCS  on  "Toxicity  and  Assessment 
of Chemical Mixtures", (4) participants of the recent EFSA Scientific Colloquium N°21 on 
"Harmonisation  of  human  and  ecological  risk  assessment  of  combined  exposure  to 
multiple  chemicals",  (5)  representatives  of  the  ongoing  OECD  project  on  combined 
exposure  to  multiple  chemicals,  (6)  members  of  the  EURL  ECVAM  Stakeholder  Forum 
(ESTAF)  and  the  PARERE  expert  network  dedicated  to  the  Preliminary  Assessment  of 
Regulatory Relevance of alternative test methods proposed for validation.  
The questionnaire contained the following sections: 
•  General information on the respondent 
•  Experience with different approaches for the assessment of mixture toxicity 
•  Expert opinions regarding the use of specific approaches for mixture toxicity 
assessment 
•  Views on the use of novel tools for the assessment of mixture toxicity 
•  Comments on existing frameworks for the risk assessment of combined exposure 
to multiple chemicals 
•  Possibility to provide references or files regarding relevant projects, publications, 
case studies. 
 
4.1.  Information on respondents 
Fifty-eight valid responses were received and evaluated. Responses were received from 
48  experts  from  16  different  EU  countries  and  10  experts  from  5  non-EU  countries 
(Figure  1).  Survey  participants  represented  experts  from  academia,  authorities,  and 
industry  in  nearly  equal  parts  (Figure  2).  Participants  had  experience  in  the  following 
sectors:  chemicals  (multiconstituent  and  UVCB  substances  under  REACH),  plant 
protection products, biocides, pharmaceuticals, cosmetics, food or feed additives, food or 
feed  contaminants,  surface  water,  drinking  water,  waste  streams,  soil,  air,  medical 
devices, alloys, botanicals, cigarette smoke, landfill leachate, solid waste from industrial 
combustion  processes,  tobacco  toxicants,  jewellery,  toys,  food  contact  materials,  and 
sewage sludge. 
 
22
 

 
Country of respondent
2 3
10
Austria
Belgium
2
3
Denmark
France
4
Germany
Greece
1
Italy
Latvia
10
Netherlands
Portugal
5
Romania
Slovenia
3
Spain
Sweden
2
7
1
2 2
United Kingdom
Other
1
 
Figure  1  Country  of  Respondent.  Survey  participants  were  from  16  different  EU 
countries and 5 non-EU countries (indicated as "Other": Canada, Japan, Norway, Serbia, 
Switzerland, US). 
Type of Affiliation
2
Academia
16
Authority
20
Consultancy
Industry
Other
3
17
 
Figure 2 Survey respondents' affiliation 
4.2.  General experience with mixture toxicity/risk assessment 
The  majority  of  the  respondents  (48)  had  performed  risk  assessment(s)  for  chemical 
mixtures  in  the  area  of  human  health  risk  assessment  (HRA)  or  environmental  risk 
assessment (ERA) (Figure 3). Those that replied yes (i.e. had already performed mixture 
risk  assessment)  indicated  that  they  had  mainly  assessed  chemical  mixtures  in  the 
context of the authorisation of commercial products and research & development (Figure 
4).  
 
23
 

 
Did you ever need to perform a RA of chemical mixtures for HRA or 
ERA?
Yes
1
3
4
No, because the safety factors in single
2
compound assessment provide sufficient
protection against mixtures.
No, because there is a lack of legal
requirements.
No, due to the large knowledge gap on
the toxicity of the individual compounds
48
No, because of other reasons.
 
Figure  3    Replies  to  the  question  "Did  you  ever  need  to  perform  a  risk  assessment  of 
chemical mixtures for HRA or ERA?" 
For which purpose(s) did you assess the overall toxicity of chemical 
mixtures?
0
10
20
30
Authorisation of commercial products (i.e.
26
prospective RA)
Research and development
25
General exposure monitoring
15
RA of contaminated sites
12
Priority setting of risk reduction measures
6
Control of emission permits
4
Control of remediation works and their success
6
Other
2
 
Figure  4  Replies  to  the  question  "For  which  purpose(s)  did  you  assess  the  overall 
toxicity of chemical mixtures?" Other purposes indicated were 1) development of CEFIC 
MIAT conceptual framework and CLP workplace monitoring. 
 
24
 

 
4.3.  Experience  with  the  whole-mixture  and  component-based 
approaches 
Those  participants  having  experience  in  performing  mixture  risk  assessments  (i.e.  that 
answered  "yes"  to  the  question  in  Figure  3)  were  asked  about  their  experience  in 
applying whole mixture and component-based  approaches for assessing intentional and 
unintentional  mixtures  (Figure  5).  They  further  specified  for  which  type  of  commercial 
product  (intentional  mixture)  or  sample  (unintentional  mixture)  they  applied  such 
approaches (Figure 6) and which kind of component-based  approaches they are mostly 
using (Figure 7). 
Have you ever applied a mixture assessement using whole 
mixutre/component based approaches for un/intentional mixtures?
60
11
11
11
12
50
40
12
17
19
28
30
20
35
30
27
10
19
0
whole mixture approach / whole mixture approach /
component based
component based
intentional mixtures
unintentional mixtures
approach / intentional
approach / unintentional
mixtures
mixtures
no reply
No
Yes
 
Figure  5  Experience  in  performing  mixture  risk  assessments  using  whole  mixture  or 
component-based approaches applied to intentional or unintentional mixtures. 
 
25
 

 
Intentional mixtures
Unintentional mixtures
0
10
20
0
5
10
13
5
Chemicals
Sediment
3
12
5
Soil
8
14
PPPs
16
4
Food contaminants
9
6
4
Cosmetics
Surface Water
9
3
2
Air
5
5
Biocides
5
1
Biota
3
Food / feed
2
1
Drinking Water
5
additives
1
1
Ground Water
3
1
Pharmaceuticals
1
2
Industrial Waste Water
1
1
3
Municipal Waste Water
Others
2
3
0
Feed contaminants
0
0
Marine Water
1
whole-mixture approach
6
Other
component-based approach
6
 
Figure 6 Replies to the question "For which type of mixture(s) have you applied a whole 
mixture or component-based approach?" Chemicals were further specified in the survey 
as  "multiconstituent  or  UVCB  substances  under  REACH".  Other  types  of  mixtures 
mentioned were medical devices, alloys, botanicals, food ware materials, jewellery, toys, 
cigarette smoke/tobacco toxicants, human tissue extracts, landfill leachates, solid waste 
from industrial combustion processes, sewage sludge. 
Respondents  were  asked  which  kind  of  tests  they  used  for  the  whole-mixture  and 
component  based  approaches  for  assessing  intentional  and  unintentional  mixtures.  A 
wide range of tests reflecting all major tests usually used in single substance testing was 
mentioned. 
Experts  were  further  asked  about  their  experiences  with  different  component-based 
approaches.  The  approaches  most  frequently  used  by  the  participating  experts  are  the 
direct application of the Concentration Addition (CA) equation, the Hazard Index (HI) as 
well  as  Toxic  Equivalency  Factor  (TEF)  (Figure  7).  Concentration  Addition  based 
approaches  seem  much  more  wide  spread  than  independent  action  (IA)  based 
predictions. 
 
26
 

 
How often have you used the following component-based approaches?
60
50
34
40
37
34
46
43
53
50
50
47
50
54
30
20
9
12
15
10
10
15
6
6
12
5
6
6
6
6
5
4
2
0
1
2
3
2
5
2
Direct
TUS
TEF
RPF
PODI
HI
HI(Int)
MCR
Other CA
Direct
Other
Application
based
application approaches
of CA
approaches of the IA
formula
formula
Never+no reply
Occassionally
Frequently
 
Figure  7 Replies to question "How often have you used the following component-based 
approaches?"  (CA=concentration  addition,  TUS=Toxic  Unit  Summation,  TEF=Toxic 
Equivalency  Factor,  RPF=Relative  Potency  Factor,  PODI=Point  of  Departure  Index, 
HI=Hazard  Index,  HI(int)=Hazard  Index  including  interactions,  MCR=Maximum 
Cumulative Ratio, IA=Independent Action) 
Experts could also provide information on additional component-based approaches they 
are  using.  For  example,  ADIadjusted,  AOELadjusted,  ARfDadjusted  (based  on  common 
target organ/common toxicity; use of biotic ligand models (BLM); use of TTC and Margin 
of Safety (MoS) were mentioned. 
Experts  were  then  asked  about  their  experience  with  other  approaches  not  fitting  into 
the CA or IA category. Some examples mentioned were that mixtures were assessed and 
toxicity  related  to  the  main  two  constituents;  effect-directed  fractionation  (e.g.  toxicity 
identification  evaluation  TIE)  for  identifying  most  potent  components  in  a  mixture; 
approaches based on TKTD modelling, to assess dynamic effects of mixtures over time; 
history  of  safe  use  via  well-established  dietary  intakes.  These  additional  approaches 
were mainly used for research and development purposes. 
4.4.  Expert opinions on mixture toxicity assessment 
Experts  were  asked  about  their  opinions  on  mixture  toxicity  assessment.  Experts  gave 
their view on priority mixtures (Figure 8). Chemicals under REACH and plant protection 
products  were  mentioned  most  often.  Experts  were  further  asked  whether  they  see  a 
need  to  address  interactions  (e.g.  synergisms/antagonisms)  in  the  mixture  risk 
assessment.  Multiple  options  with  possible  reasons  to  take  combination  effects  into 
account or not were given in the survey. Interestingly, several experts selected yes and 
no  options  together.  The  overall  picture  can  be  found  in  Figure  9.  Among  the  experts 
that selected the "other" option, the main reasoning provided in the free text option was 
that  interactions  are  considered  rare,  especially  at  low/environmental  concentrations. 
However, most experts agreed that interactions should be taken into account on a case-
by-case  basis  and  one  expert  proposed  to  look  at  interactions  especially  in  the  case  of 
active substances like plant protection products, biocides, pharmaceuticals. 
 
27
 

 
Chemicals
10
11
3
3
1
PPPs
11
10
3
1 2
Pharmaceuticals
6
6
5
2 1
Biocides
4
9
3
2 1
Food or feed contaminants
6
8
2
3
academia
Surface Water
5
5
3
1 1
authority
Drinking Water
7
5
1 1
industry
Waste streams
3
3
4
consultancy
Food or feed additives
2
3
1
3
Soil
3
5
1
other
Air
3
3
2
Cosmetics
1
3
1
Other
1 1
0
5
10
15
20
25
30
 
Figure  8  Replies  to  the  question  "Which  type  of  mixture(s)  or  samples  would  you 
identify  as  highest  priority  for  risk  assessment  that  needs  to  take  mixture  effects  into 
account?" divided by  stakeholder group. Chemicals were further specified in the survey 
as  "multiconstituent  or  UVCB  substances  under  REACH".  Other  mixtures  of  importance 
mentioned were those present in human tissues and container systems. 
Based on your experience or knowledge about the toxicity of mixtures, do you 
consider it important to include interactions (e.g. potential synergism or 
antagonism) in the assessment?
0
10
20
30
Yes, but only if there is strong evidence from data
3
9
14
2 2
available, read-across etc.
Yes, case-specific interaction information should be
9
7
8
2
incorporated in the assessment.
No, it is sufficiently protective to base mixture
3
2 1 1
assessments on Concentration Addition models.
academia
No, interactions are rare and do not need to be addressed
3
3
specifically.
authority
No, but a default conservative safety factor should be
industry
applied which does not rely on case-specific interaction
2 1
information.
consultancy
Other
1 1
7
other
 
Figure  9 Replies to the question "Based on your experience or knowledge about the toxicity 
of mixtures, do you consider it important to include interactions (e.g. potential synergism or 
antagonism)  in  the  assessment?"  divided  by  stakeholder  group.  Among  the  experts  that 
selected  the  "other"  option,  the  main  reasoning  provided  in  the  free  text  field  was  that 
interactions  are  considered  rare,  especially  at  low/environmental  concentrations.  However, 
most experts  agreed that interactions  should be  taken  into  account  on a  case-by-case basis 
and  one  expert  proposed  to  look  at  interactions  especially  in  the  case  of  active  substances 
like plant protection products, biocides, pharmaceuticals. 
 
28
 

 
Experts  were  asked  about  approaches  that  they  consider  particularly  valuable  or  have 
abandoned  based  on  their  experience  as  well  as  information  on  software  tools  and 
databases relevant to assessing mixture effects (Figure 10). 
0
20
40
60
Are there any approaches or methodologies for
assessing the risk of chemical mixtures which you
4
53
1
have used or evaluated in the past but which you
have abandoned due to negative experience?
Are there any approaches or methodologies for
assessing the risk of chemical mixtures which you
consider particularly valuable for specific samples,
29
27
2
endpoints, or other purposes and which you
would recommend for a more extensive use in EU
Member States?
Are there any software tools or databases or
online resources that you find particularly useful
15
40
3
in carrying out mixture assessments?
Yes
No
no reply
 
Figure  10 Replies to the questions on approaches the experts have  abandoned due to 
negative experience, specific approaches that the experts would recommend for further 
considerations, and on use of relevant software tools and databases. 
The approach being mentioned most often as being abandoned was mainly Independent 
Action  with  the  general  reason  that  it  is  too  data  demanding.  Specific  approaches  that 
were  recommended  for  more  extensive  use  were  the  MCR  approach  (Price  and  Han, 
2011),  mixture  toxic  pressure  approach  (e.g.  De  Zwart  and  Posthuma,  2006),  whole 
mixture  testing  at  human  relevant  levels,  use  of  TTC,  in  vitro  methods,  TKTD  and  DEB 
modelling.  Software  tools  and  databases  mentioned  of  use  for  carrying  out  mixture 
assessments  were  CREME,  CARES,  MIXTOX,  DEBtox,  ToxTree,  DEREK,  Acropolis  tool 
MCRA, US EPA BMDS, ToxCalcMix, Metals Classification Tool MeClas.  
 
 
 
 
29
 

 
4.5.  Use of novel tools in mixture toxicity assessment 
Experts  were  asked  about  the  use  of  novel  tools  in  the  assessment  of  mixtures.  An 
overview of the general responses regarding their use can be found in Figure 11. 
Do you apply novel tools in the RA of mixtures?
60
2
2
3
3
5
3
3
3
50
28
27
40
30
no reply
33
No
46
41
43
47
30
Yes, for HRA and ERA
7
7
Yes, for ERA
5
1
20
2
3
Yes, for HRA
6
11
1
1
10
19
1
4
18
2
2
15
6
7
9
7
9
2
0
 
Figure  11  Replies  to  the  question  "Do  you  apply  in  vitro  tools/omics  approaches/ 
(quantitative)  structure  activity  relationships  ((Q)SARs)/  read-across/  physiologically 
based  pharmacokinetic  (PBPK)  modelling/  the  toxicological  threshold  of  concern  (TTC) 
concept/ Adverse Outcome pathways (AOPs)/ dynamic energy budget (DEB) models for 
human health risk assessment (HRA), environmental risk assessment (ERA) or both?" 
Experts  were  then  asked  further  on  their  reasons  for  using  specific  tools  or  not  using 
them. Results are presented in the following sections 4.5.1-4.5.9. 
4.5.1. 
Use of in vitro assays in mixture toxicity assessment 
In  vitro  tools  are  increasingly  applied,  both  in  human  and  environmental  risk 
assessment.  Not  only  because  they  are  powerful  tools  to  investigate  TK  processes,  but 
also  because  they  can  provide  key  information  on  the  mechanism  of  action.  Especially 
with complex mixtures like environmental samples, they might provide insight in toxicity 
beyond the traditional chemical analysis. 
28 experts replied that they use in vitro assays in the assessment of mixtures. The tests 
mentioned were tests from the OECD endocrine disruptor testing framework, cell-based 
transactivation  assays,  irritation/sensitisation  assays,  epiocular  assay,  dermal 
absorption,  Ames  test,  micronucleus  assay,  genotoxicity,  mutagenicity,  comet  assay, 
ROS  production,  cytotoxicity,  microtox,  algae  assays,  zebrafish  embryo  tests,  bacterial 
reporters, rodent and human cell lines and human tissue cultures.  
The  reasons  for  using  in  vitro  assays  are  presented  in  Figure  12.  Among  the  other 
reasons, one expert replied that the use of in vitro tools combined with PBPK modelling 
is the way forward for chemical risk assessment. Other 28 experts replied that they are 
not using in vitro assays and were asked for the reason(s) (Figure 13). The main reasons 
 
30
 

 
for  not  using  in  vitro  methods  are  the  lack  of  legal  drivers  and  lack  of  guidance  and 
validation. 
 
What are the main reasons you are using these in vitro assays?
0
5
10
15
The results are quickly available
15
The mechanism of action tested has a clear in
15
vivo relevance
The method is cost efficient
11
The method allows for whole mixture testing
10
The results are easy to interpret
8
In vivo method should be the last resort
8
The assay(s) can provide key TK information
2
Other reason(s)
4
 
Figure  12  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  these  in 
vitro
 assays?" Other reasons mentioned were for research purpose, Ames test because it 
is  a  data  requirement  in  some  regions,  and  combination  of  in  vitro  testing  with  PBPK 
modelling is seen as the way forward for chemical risk assessment. 
 
31
 

 
What are the main reason(s) you are not using in vitro assays?
0
5
10
The method lacks ecological relevance
7
There are no legal drivers for this method
7
The method is not validated
6
The method lacks (in vivo) predictability (in vitro to in
4
vivo extrapolation)
The method lacks the proper metabolisation steps
4
There is no generally accepted protocol (e.g. OECD) for
4
this test
The method is too costly
3
The results from the test are difficult to interpret
2
The method is too complicated
1
The samples are generally too complex to test reliably
1
There are no suitable reference matierals available
1
There is a lack of proper QA/QC for this method
1
The method is too labour intensive
0
The method is not reliable enough
0
The method takes too much time to produce results
0
Other reason(s)
11
 
Figure 13 Replies to the question "What are the main reasons you are not using in vitro 
assays? The main "other reasons" given were lack of EU guidance and validation, and in 
the case of cosmetics that in vitro tests are less relevant for the final products as clinical 
tests are performed with cosmetic formulations. 
4.5.2. 
Use of omics approaches in mixture toxicity assessment 
Omics technologies are increasingly applied to gain insight in the mechanism of action of 
compounds  and  mixtures,  at  the  transcription  level  (transcriptomics),  the  protein  level 
(proteomics)  or  even  the  whole  metabolome  (metabolomics).  Genomic  tools  can 
potentially be used also to investigate differences in responses between individuals and 
species. 
10  experts  had  experience  with  using  omics  tools  in  mixture  risk  assessment.  Most 
experience  is  available  for  transcriptomics,  and  to  a  lesser  extent  with  proteomics  and 
metabolomics (Figure 14). The main reasons for using omics technologies are presented 
in  Figure  15.  The  main  advantages  mentioned  were  the  possibility  to  study  overall 
effects  and  ability  to  gain  mechanistic  information  as  well  as  the  sensitivity  of  the 
methods.  46  experts  replied  they  were  not  using  omics  technologies  for  mixture  risk 
 
32
 

 
assessment. The main reasons for not using omics are presented in Figure 16, with one 
of the main problems identified being the lack of clear guidance and protocols. 
Which type of omics technologies are you using?
5
Transcirptomics
Proteomics
10
Metabolomics
4
 
Figure 14  Replies to the question "Which type of omics technologies are you using?" 
What are the main reasons you are using omics based approaches?
0
2
4
6
The approach allows an overall analysis of effects
6
The method is very sensitive (detects changes
6
before toxicologically relevant)
The approach allows for whole mixture testing
5
The approach has a clear in vivo relevance
2
The method is very cost efficient
1
Other reason(s)
2
 
Figure  15  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  omics 
based approaches?" The other reasons given were the possibility to study mechanisms of 
action. 
 
33
 

 
What are the main reason(s) you are not using omics based assays?
0
5
10
15
There are no legal drivers for this method
13
There is no generally accepted protocol (e.g. OECD)
13
for this method
The method is not validated
10
The data analysis is too complex
9
The method lacks (in vivo) predictability
9
The method is too complicated
7
The method lacks ecological relevance
6
There are no suitable reference materials available
3
The method is too costly
3
The method is too labour intensive
2
The samples are generally too complex to test
2
reliably
The method is not robust enough
1
There is a lack of proper QA/QC for this method
1
The method takes too much time to result
0
Other reason(s)
12
 
Figure  16  Replies to the question "What are the main reasons you are not using omics 
based assays?" The main "other reason" provided was the unavailability of the relevant 
practical  tools  in  the  facilities  of  the  responding  experts,  as  well  as  the  lack  of  clear 
guidance. 
4.5.3. 
Use of (Q)SAR models in mixture toxicity assessment 
(Quantitative)  structure  activity  relationship  ((Q)SAR)  models  are  mathematical  models 
that have been developed to predict a number of physico-chemical and (eco)toxicological 
properties  of  chemicals  without  performing  in  vitro  or  in  vivo  tests.  The  models  use 
information  on  the  structure  of  the  chemical,  and  combine  this  with  a  database  with 
toxicological information on related/comparable chemicals. 
25  of  the  participating  experts  are  using  (Q)SAR  in  the  mixture  risk  assessment.  They 
consider (Q)SARs very useful because they represent an alternative to in vivo studies to 
some  extent  and  they  can  serve  for  prioritising  experimental  testing,  and  results  are 
quickly available (Figure 17). The purposes for which the experts apply (Q)SAR methods 
are shown in Figure 18 with the main purpose being hazard identification. The endpoints 
for  which  (Q)SARs  are  mainly  used  are  endocrine  activity  in  cell  based  transactivation 
assays,  mortality,  reprotoxicity,  acute  (eco)toxicity,  mutagenicity,  genotoxicity,  cancer 
 
34
 

 
alerts,  skin  sensitisation,  toxicokinetics,  secondary  poisoning,  logKow,  logKoc,  BCF, 
biodegradation,  fate  and  behaviour.  Experts  were  also  asked  to  provide  information  on 
the QSAR tools they are using (Figure 19). 
30  experts  replied  that  they  are  not  using  QSARs  for  mixture  assessments.  The  main 
reasons for not using (Q)SARs are presented in Figure 20. 
What are the main reasons you are using (Q)SARs?
0
5
10
15
The results are quickly available
14
The method can replace in vivo testing (to
13
some extent)
The method is cost efficient
12
The mechanism of action considered has a
6
clear in vivo relevance
Other reason(s)
4
 
Figure  17 Replies to the question "What are the main reasons you are using (Q)SARs?" 
"Other reasons" mentioned were the application to metabolites and impurities where no 
data are available, and the possibility to identify substances of concern and drive further 
experimental testing. Also the use for chemical fate aspects was mentioned.  
For what purpose(s) are you applying (Q)SARs?
0
5
10
15
20
Hazard identification
21
Priority setting
9
Mode of Action identification
7
Exposure assessment
5
Other
5
 
Figure  18 Replies to the question "For what purpose are you applying (Q)SARs? "Other 
reasons"  mentioned  were  data  gap  filling,  prediction  of  physic-chemical  properties, 
grouping of metabolites and impurities, and fate predictions.  
 
35
 

 
Which (Q)SAR models do you apply?
0
5
10
15
OECD Toolbox
14
Derek (Nexus)
11
ECOSAR
8
Toxtree
7
TOPKAT
5
CAESAR
5
Danish EPA QSAR database
5
Lazar
2
OASIS TIMES
2
MultiCASE
1
DEMETRA
1
OncoLogic
0
HazardExpert
0
Meteor (Nexus)
0
Metabolexpert
0
CHEMPROP
0
Other(s)
7
 
Figure  19 Replies to the question "Which (Q)SAR models do you apply?" Other models 
mentioned were DEBtox, VEGA platform models, ACD Labs Percepta, Episuite, SarPy. 
 
36
 

 
What are the main reasons you are not using (Q)SARs?
0
5
10
The method is not properly validated
9
No good models are available for the inteded application
8
Too much expert judgement is needed to run the
7
method and interpret results
The method lacks (in vivo) predictability
5
There are no legal drivers for this method
5
Appropriate software is not available to the user
4
Competing models show conflicting results
2
There is a lack of information regarding the identity of
2
the compounds
The method lacks ecological relevance
0
There is a lack of proper QA/Q for this method
0
The method is too costly
0
Other reason(s)
11
 
Figure  20  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  not  using 
(Q)SARs?". The main "other reasons" given were that databases are not validated, lack 
of guidance, (Q)SARs are applied to single substances but not to mixtures because only 
qualitative  QSAR  information  is  used,  (Q)SARs  are  not  relevant  because  of  available 
testing information (e.g. for PPPs), too many uncertainties associated with (Q)SARs, lack 
of knowledge/training. 
4.5.4. 
Use  of  read-across  approaches  in  mixture  toxicity 
assessment 

Read-across  is  a  technique  for  predicting  endpoint  information  for  one  substance  by 
using  data  on  the  same  endpoint  from  (an)other  substance(s).  This  can  be  performed 
with  a  limited  set  of  substances  (analogue  approach)  or  within  a  large  group  of 
substances (category approach). 
28  experts  replied  that  they  are  using  read-across  in  the  assessment  of  mixtures.  The 
main  reason  given  for  using  read-across  was  to  replace  in  vivo  testing  to  some  extent 
(Figure  21).  Regarding  the  endpoints  for  which  read-across  is  applied,  experts  were 
mostly  answering  that  they  use  read-across  for  any  kind  of  endpoint  where 
needed/information  is  suitable  and  where  read-across  is  accepted  by  ECHA  for  REACH 
assessments.  Endpoints  mentioned  include  the  whole  spectrum  of  short  and  long-term 
animal  study  endpoints,  as  well  as  ecotoxicity.  27  experts  replied  they  are  not  using 
read-across approaches, mainly because of lack of expert knowledge (Figure 22). 
 
37
 

 
What are the main reasons you are using a read-across approach?
0
5
10
15
The method can replace in vivo testing (to some extent)
16
The results are quickly available
11
The method allows for whole mixture consideration
9
The method is very cost efficient
9
The mechanism of action tested has a clear in vivo
5
relevance
Other reason(s)
6
Figure  21  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  a  read-
across approach?" Main "other reasons" were that read-across is a useful tool for the use 
for  metabolites  and  impurities,  where  toxicity  information  is  limited,  it  is  encouraged 
under  REACH,  can  be  used  to  support  in  vitro  test  results  and  refine  experimental 
design. 
What are the main reasons you are not using a read-across approach?
0
5
10
The method requires too much expert
9
information/expert knowledge
The approach is non-formalised
8
The results from the read-across approach are difficult
7
to interpret
The method lacks (in vivo) predictability
5
There are no legal drivers for this method
5
The method is too complicated
2
The method lacks ecological relevance
0
Other reason(s)
11
 
Figure 22 Replies to the question "What are the main reasons you are not using a read-
across approach?" Main "other reasons" given were a lack of guidance and validation. 
4.5.5. 
Use of PBTK modelling in mixture toxicity assessment 
Physiologically  based  (PB)  models  are  used  for  modelling  toxicokinetic  (TK)  processes 
(PBTK)  or  TK  and  toxicodynamic  (TD)  processes  (PBTKTD).  The  PBTK  models  are 
especially  useful  to  assess  hazard,  as  they  provide  a  quantitative  means  to  address  TK 
processes.  PBTKTD  models  link  the  TK  and  TD  dimension  and  therefore  are  generally 
more complex. 
 
38
 

 
12  experts  replied  that  they  are  using  PBTK  modelling  in  the  assessment  of  mixtures. 
The  main  reasons  for  using  PBTK  models  were  the  replacement  of  in  vivo  testing  to  a 
certain extent, since PBTK models allow relating in vitro experiments to in vivo internal 
exposures  (Figure  23).  The  main  purpose  for  which  PBTK  modelling  is  used  in  mixture 
assessment is to correlate in vitro concentrations to in vivo scenarios/to link internal and 
external  dose,  to  identify  TK  interactions,  to  understand  metabolite  generation,  species 
comparison, route of exposure, assess effects of intermittent exposure often mentioned 
in the context of PPPs. 
 
What are the main reasons you are using a PBTK model?
0
2
4
6
The method can replace in vivo testing (to some
6
extent)
The method has a clear in vivo relevance
3
The method is cost efficient
2
The results are quickly available
1
Other reason(s)
3
 
Figure  23  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  a  PBTK 
model?"  The  main  "other  reasons"  were  to  study  mechanisms,  study  mechanisms  by 
which mixtures affect life-history traits, assess intermittent exposures 
What are the main reasons you are not using PBTK models?
0
5
10
15
20
Data on many important parameters are lacking
16
The method is too complicated
11
The method is not validated
10
There are no legal drivers for this method
9
The method takes too much time to produce results
7
The method is not robust enough
3
The method lacks (in vivo) predictability
3
There is a lack of proper QA/QC for this method
1
Other reason(s)
19
 
Figure 24 Replies to the question "What are the main reasons you are not using a PBTK 
model?" The main "other reasons" given were lack of knowledge/expertise/training, lack 
of guidance and tackling related uncertainties. 
 
39
 

 
41 experts are not using PBTK modelling for mixture assessments. The main reason for 
not  using  PBTK  modelling  is  a  lack  of  knowledge/training  as  well  as  the  lack  of  many 
input parameters (Figure 24). 
 
4.5.6. 
Use of the TTC approach in mixture toxicity assessment 
The  approach  of  the  threshold  of  toxicological  concern  (TTC)  is  based  on  historical 
toxicological  data,  that  show  empirically  that  there  is  a  threshold  below  which  toxicity 
does  not  occur  (for  non-cancer  effects)  or  likelihood  of  tumour  incidence  is  negligible 
(cancer  effects).  There  are  thresholds  derived  for  different  classes  of  compounds 
(Cramer classes). 
22 experts replied that they apply the TTC approach in the assessment of mixtures. The 
main reason is that it can allow the waiving of additional testing (Figure 25). 33 experts 
are  not  using  the  TTC  approach  with  the  main  reason  being  that  it  was  developed  for 
human health assessments and not for environmental assessments (Figure 26). 
What are the main reasons you are using the TTC approach?
0
5
10
15
The method can waive additional testing
14
The results are quickly available
13
The method is very cost efficient
10
Other reason(s)
5
 
Figure  25  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  the  TTC 
approach?" Main "other reasons" were the availability for chemicals without chronic data, 
the  use  to  identify  and  prioritise  testing  needs,  avoiding  testing,  and  application  to 
ingredients of biological origin and residual impurities.  
 
40
 

 
What are the main reasons you are not using the TTC approach?
0
5
10
15
The method was developed for human health only,
11
not for environmental assessments
Difficulties in assigning compound to the right class
7
There are no legal drivers for this method
7
The method lacks (in vivo) predictability
5
The method is not applicable to the compounds under
3
consideration, e.g. hormones
There is a lack of information on the identity of the
3
compounds
Other reason(s)
13
 
Figure  26  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  not  using  the 
TTC approach?" Main "other reasons" were the need of updating the TTC approach, the 
lack of experience, and dealing with higher substance concentrations. 
4.5.7. 
Use of AOPs in mixture toxicity assessment 
An  Adverse  Outcome  Pathway  (AOP)  is  an  analytical  construct,  describing  a  sequential 
chain  of  causally  linked  events  at  different  levels  of  biological  organisation  that  lead  to 
an  adverse  health  or  ecotoxicological  effect.  AOPs  might  provide  insight  into  the 
relevance of combinational effects when assessing the toxicity of mixtures. 
12  experts  replied  that  they  are  using  AOPs  in  the  assessment  of  mixtures.  The  main 
reasons for applying AOPs were that the method shows insight into potential interactions 
and  that  the  considered  mechanisms  have  a  clear  in  vivo  relevance  (Figure  27).  43 
experts  are  not  applying  AOPs  with  the  main  reason  being  the  limited  availability  of 
relevant, sufficiently developed AOPs (Figure 28). 
What are the main reasons you are using an AOP approach?
0
2
4
6
8
10
The method shows insight in potential
9
interactions
The mechanism of action considered has a
9
clear in vivo relevance
The approach has clear ecological relevance
2
Other reason(s)
1
 
Figure  27  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  an  AOP 
approach?"  The  "other  reason"  mentioned  was  to  explore  its  potential  for  risk 
assessment. 
 
41
 

 
What are the main reasons you are not using an AOP approach?
0
5
10
15
20
Relevant AOPs are not available or not sufficiently
20
developed
The approach is non-formalised
10
There are no legal drivers for this method
8
The results are difficult to interpret
5
Other reason(s)
18
 
Figure 28 Replies to the question "What are the main reasons you are not using an AOP 
approach?" The "other reasons" mentioned are mainly the lack of expertise/experience, 
and difficulties to implement this new concept in risk assessment. 
4.5.8. 
Use of DEB models in mixture toxicity assessment 
Dynamic Energy Budget (DEB) models aim to identify (simple) quantitative rules for the 
processes  of  uptake  of  substrate  by  organisms  and  the  use  for  maintenance,  growth, 
maturation and reproduction. By linking a TK model to the DEB, effects of chemicals can 
be incorporated as well. 
8  experts  replied  they  are  using  DEB  models  in  the  assessment  of  mixtures  with  the 
main reason being the  inclusion of multiple stressors, the ecological relevance, and the 
in  vivo  relevance  (Figure  29).  47  experts  were  not  using  DEB  models  with  the  main 
reason being on the one hand that it is a concept usually applied in ecotoxicology rather 
than for human health assessments and on the other hand the lack of expertise and the 
lack of validation (Figure 30). 
What are the main reasons you are using DEB models?
0
1
2
3
4
The mechanism of action under consideration has a clear in vivo
4
relevance
The method has a clear ecological relevance
4
The method allow the inclusion of multiple stressors
4
The method is very cost efficient
3
The results are quickly available
1
Other reason(s)
1
 
Figure  29  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  DEB 
models?"  The  "other  reason"  was  stating  that  DEB  models  are  the  most  promising 
approach to interpret and predict effects of stressors on growth and reproduction and to 
learn from experimental testing. 
 
42
 

 
What are the main reasons you are not using DEB models?
0
5
10
15
20
There are no legal drivers for this method
9
Much of the required information for the model is
7
lacking
The method is too complex
6
The method is not robust enough
5
The method lacks (in vivo) predictability
1
The method lacks ecological relevance
1
Other reason(s)
24
 
Figure  30  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  not  using  DEB 
models?"  Main "other reasons"  were a general lack of  expertise/experience, for experts 
in human RA its focus on environmental RA, and a lack of validation. 
4.5.9. 
Use of IATA frameworks in mixture toxicity assessment 
IATA provide a framework to integrate existing knowledge based on classes of chemicals 
with  the  results  of  biochemical  and  cellular  assays,  computational  predictive  methods, 
exposure studies, and other sources of information to identify requirements for targeted 
testing or develop assessment conclusions. 
8  experts  had  experience  in  applying  IATA  frameworks  to  the  assessment  of  mixtures 
(Figure 31). The IATA mentioned are skin and eye irritation, integrated testing strategies 
(ITS) described in the ECHA guidance and some tailored customised approaches.  
Do you use any IATA framework for the assessment of 
mixtures?
3
8
Yes
No
no reply
47
 
Figure  31 Replies to the question "Do you use any IATA framework for the assessment 
of mixtures?" 
 
 
43
 

 
 
4.5.10.  Summary  on  the  use  of  novel  tools  in  the  assessment  of 
mixtures 
Many experts are already using several of the new tools. Some are still more frequently 
used as research activity, but start being applied also in regulatory context. Many tools 
are considered as promising but not yet ready for regulatory purposes. Often mentioned 
reasons for not applying novel tools are the lack of legal drivers, lack of standardisation / 
validation, lack of guidance, and a lack of expertise.  
 
4.6.  Frameworks  for  the  risk  assessment  of  combined  exposure 
to multiple chemicals 
Several  international  frameworks  for  addressing  combined  exposure  to  chemical 
mixtures were developed in recent years. Experts were asked in the survey about their 
experience  with  the  most  widespread  three  frameworks,  i.e.  the  WHO/IPCS  framework 
(WHO/IPCS  2009,  Meek  et  al  2011),  Proposal  by  the  three  non-food  scientific 
committees  of  the  European  Commission  (SCHER,  SCENIR,  SCCS,  2012),  and  the 
proposal by CEFIC MIAT (Price et al., 2012). 35 experts were familiar with at least one of 
the three frameworks. Most experience was shown for the WHO/IPCS framework (Figure 
32). 
Which framework(s) do you apply?
WHO/IPCS 2009, Meek et al 2011
9
Proposal by the three non-food
Scientific Committees of the European
20
Commission from 2012
8
Proposal by CEFIC Mixtures Industry Ad-
Hoc team (MIAT) 2012
 
Figure  32  Replies  to  question  "Which  [international]  framework(s)  [for  addressing 
combined exposure] do you apply?" 
Experts  were  then  asked  to  provide  feedback  on  their  experience  with  the  above-
mentioned  frameworks.  The  experiences  were  generally  positive.  The  main  limitation 
mentioned  especially  for  the  WHO/IPCS  and  the  SCHER/SCENIHR/SCCS  framework  is 
that they provide a more conceptual framework and less practical guidance. 
The  experts commented positively on the WHO/IPCS, rating it an easy and transparent 
approach. Critics were that it is rather general and lacks criteria when refinement should 
be  stopped.  The  data  available  usually  allow  only  to  perform  Tier  1  and  2  assessments 
and  not  to  go  to  higher  tiers.  However,  it  was  appreciated  that  Tier  0  and  Tier1  can 
usually be performed with the data available.  
 
44
 

 
The  SCHER,  SCENIHR,  SCCS  framework  is  considered  useful  for  organising  data  and 
deciding how to perform the assessment, but it is more conceptual and provides limited 
guidance on refined assessments.  
The CEFIC MIAT framework was judged as useful since it comprises practical tools. Most 
input received on this framework was from experts involved in its development. 
Experts  were  then  asked  about  other  frameworks  they  are  applying  for  assessing 
combined  exposure.  15  experts  replied  they  had  experience  with  other  frameworks,  40 
replied  to  have  no  experience  with  other  frameworks  (Figure  33).  The  most  often 
mentioned  example  was  the  cumulative  assessment  for  plant  protection  products  as 
developed  by  EFSA  (EFSA  PPR  Panel,  2013).  Furthermore,  experts  mentioned  the  US 
EPA,  transitional  guidance  on  mixture  toxicity  assessment  of  biocidal  products  (2014); 
EFSA guidance on Birds and Mammals (2009); Backhaus and Faust 2012 (Environ. Sci. 
Technol., 46 (5)); UK Combined toxicity assessment for plant protection products (non-
dietary  and  dietary  risk  assessment);  Methodology  and  the  information  to  be  specified 
for  the  assessment  of  pesticides  used  in  tank-mixtures  subject  to  prior  assessment  in 
accordance  with  the  French  Ministerial  Order  of  7  April  2010;  Metals  Classification  tool 
(MeClas)/Transformation Dissolution Protocol. 
Are you familiar with or do you apply any other framework to 
assess the toxicity of mixtures?
3
15
Yes
No
no reply
40
 
Figure  33  Replies  to  the  question  "Are  you  familiar  with  or  do  you  apply  any  other 
framework to assess the toxicity of mixtures?" 
 
4.7.  General/additional remarks by experts in the survey 
In the end of the questionnaire, experts had the possibility to add some general remarks 
or  provide  additional  information  in  the  form  of  references  or  uploading  files.  Experts 
were providing many useful references. 
 
4.8.  Conclusions from the expert survey 
The  expert  survey  was  a  success  with  58  experts  participating  and  providing  extensive 
information  in  the  free  text  fields.  The  results  from  the  survey  allow  to  derive  a  clear 
picture on the current status of assessing mixtures.  
 
45
 

 
The main sectors where most experience is already gained in assessing mixtures are in 
the  area  of  plant  protection  products  and  chemicals.  These  were  also  rated  highest 
regarding  the  priority  for  performing  mixture  assessments.  However,  mixture 
assessments are also performed in many other areas. 
Experts  have  experience  with  the  whole  mixture  as  well  as  the  component-based 
approaches applying them to both, intentional and unintentional mixtures. 
Mostly  concentration  addition  (CA)  based  methods  are  used  for  predicting  mixture 
effects.  In  contrast,  several  experts  would  not  recommend  the  further  use  of 
independent action (IA) based approaches, mainly because of the higher need for input 
data  for  IA  and  considering  the  small  differences  in  predictions  by  IA  compared  to  CA. 
Experts were asked about their opinion on considering interactions. Most experts stated 
that interactions should be considered if there is specific evidence for interactions and on 
a case-by-case basis. 
Regarding  the  use  of  novel  tools  in  the  risk  assessment  of  mixtures  (such  as  in  vitro 
methods,  omics,  (Q)SARs,  read-across,  PBTK  modelling,  TTC  approaches,  AOPs,  DEB 
models,  IATA),  expert  opinions are split between those applying them (often more in a 
research context) and those that generally think these tools are valuable but their use is 
currently limited because of lack of guidance, lack of data, or lack of expertise. 
Experts  had  experience  with  assessing  mixtures,  both  in  the  context  of  human  health 
and  environmental  risk  assessment.  Apart  from  some  tools  that  were  developed  for  a 
specific  application  in  HRA  (e.g.  TTC  approach)  or  ERA  (e.g.  DEB  modelling),  there 
seems to be no clear difference in the opinions/experiences provided. 
A general need for clear and harmonised guidance  for  combined exposure assessments 
can be identified from the survey. 
 
46
 

 
5.  Conclusions 
Humans and the environment are continuously exposed to a multitude of substances via 
different  routes  of  exposure.  However,  the  risk  assessment  of  chemicals  for  regulatory 
purposes  does  not  generally  take  into  account  the  “real  life”  exposure  to  multiple 
substances,  but  mainly  relies  on  the  assessment  of  individual  substances.  A  previous 
review on regulatory requirements for the assessment of mixtures shows that combined 
exposure  is  nowadays  taken  up  in  several  pieces  of  legislation,  however  a  harmonised 
consistent  approach  on  performing  mixture  assessments  across  different  regulatory 
sectors is still lacking (Kienzler et al., 2014). 
Assessment in different sectors 
Our expert survey showed that mixture risk assessment is taken up in various fields. The 
main sectors where  most  experience is already gained in assessing mixtures are in the 
area  of  plant  protection  products  (PPPs)  and  chemicals  falling  under  REACH,  which  is 
however also linked to the fields of work of the respondents. PPPs and chemicals under 
REACH  were  also  rated  highest  regarding  the  priority  for  performing  mixture 
assessments by the  experts. The survey  respondents seemed to rate  active substances 
(such  as  biocides,  plant  protection  products  and  pharmaceuticals)  overall  of  higher 
concern,  also  regarding  a  potential  presence  of  interactions  (i.e.  including  the  risk  of 
synergistic  effects).  However,  mixture  assessments  are  also  performed  in  many  other 
areas.  Looking  at  the  available  experience  derived  through  the  survey  and  at  case 
studies  in  the  literature  (Kienzler  et  al.,  unpublished  report),  many  examples  can  be 
found  where  environmental  exposure  or  occupational  exposure  to  mixtures  were 
retrospectively  assessed,  based  on  monitored  exposure  data.  Examples  in  the 
prospective  risk  assessment  are  rarer.  One  major  achievement  in  this  area  is 
represented  by  the  cumulative  risk  assessment  and  respective  cumulative  assessment 
groups  as  developed  by  EFSA's  PPR  Panel  (EFSA  PPR,  2014).  Further  development  of 
consistent approaches for prospective risk assessment is still needed. 
Component-based assessment approaches: concentration addition vs independent action 
Currently,  many  experts  have  experience  with  the  whole  mixture  as  well  as  the 
component-based  approaches  applying  them  to  both,  intentional  and  unintentional 
mixtures,  without  a  clear  trend  in  their  combination.  Regarding  component-based 
approaches, survey respondents mostly use concentration addition (CA) based methods 
for  predicting  mixture  effects.  Several  experts  would  even  not  recommend  the  further 
use of independent action (IA) based approaches, mainly because of the higher need for 
input data for IA and considering the small differences in predictions by IA compared to 
CA. Overall, evidence in the literature supports the application of concentration addition 
as a first, protective approach. It is therefore also the default approach to start from in 
several  international  recommendations  and  frameworks,  independent  of  components' 
similar  or  dissimilar  mode  of  action.  However,  once  a  detailed  risk  assessment  for  a 
mixture is performed, relevant groupings will be based on common target organs and/or 
MoA  (e.g.  based  on  AOPs).  The  choice  of  the  approach  used  depends  strongly  on  the 
context  of  the  risk  assessment  as  well  as  on  the  information  on  which  to  base  the 
grouping  of  components.  Irrespective  of  the  starting  point  for  grouping,  it  is 
recommended  to  use  all  available  information  on  the  mixture  and  its  components: 
physico-chemical  properties,  structural  alerts,  (Q)SAR  and  read-across  information, 
evidence  from  omics,  in  vitro  (high  throughput  screening  or  other)  or  in  vivo 
experimental data, depending on availability. 
Considering interactions in mixture assessments 
Current evidence in the literature suggests that interactions (synergistic or antagonistic 
effects) at lower concentration levels such as environmental concentrations are rare and 
 
47
 

 
if  observed,  leading  to  deviations  from  CA  predictions  that  are  relatively  small.  In  the 
survey, experts were asked about their opinion on considering interactions. Most experts 
stated that interactions should be considered if there is specific evidence for interactions 
and  on  a  case-by-case  basis.  Experts  commented  that  the  highest  potential  for 
interactions  should  be  assumed  for  active  substances  (such  as  PPPs,  biocides, 
pharmaceuticals).  Some  experts  answered  that  they  consider  interactions  rare  and 
hazard sufficiently covered using CA based approaches. Only very few experts agreed to 
introduce  a  default  safety  factor  to  cover  potential  interactions,  which  is  sometimes 
proposed in the literature (for overview see Backhaus, 2015). However, more knowledge 
could  be  gained  from  additional  case  studies  covering  different  sectors  to  further 
underpin this. 
To  address  and  predict  interactions,  toxicokinetic  and  toxicodynamic  modelling  are 
valuable  tools.  PBTK  and  DEB  modelling  can  support  gaining  further  mechanistic 
understanding and looking at effects of individual chemicals in a mixture in an integrated 
approach.  Toxicokinetic information to feed into these models, can be gained e.g.  from 
in  vitro  studies.  Also  read-across  information  from  similar  mixtures  can  be  used  to 
identify mixtures where interactions could play a role and should be further investigated. 
Application of "novel tools" in the assessment of mixtures 
In  this  report  the  current  state  of  the  art  of  the  application  of  alternative  tools  for 
assessing the hazard of chemical mixtures was briefly reviewed. The focus is hereby on 
the  adverse  outcome  pathway  (AOP)  concept,  in  vitro  methods,  omics  techniques,  in 
silico
 approaches such as quantitative structure activity relationships (QSARs) and read-
across,  toxicokinetic  and  dynamic  energy  budget  (DEB)  modelling,  and  on  integrated 
approaches to testing and assessment (IATA). A brief summary of the main possibilities 
for the application of each of these tools in the context of mixtures is given below: 
•  AOPs are already used for the grouping of chemicals according to their MoA, which is 
an  important  step  in  the  assessment  of  mixtures.  Apart  from  this,  they  can  help  in 
putting  results  from  in  vitro  tests  and  computational  modelling  into  context,  e.g.  in 
developing AOP based IATA, that allow for the integration of different data types. 
•  In  vitro  methods  can  support  the  assessment  of  mixtures  in many  ways,  mainly  in 
"whole-mixture  testing"  applied  e.g.  in  effect-based  environmental  monitoring  or  in 
deriving  relevant  information  on  individual  mixture  components.  Performing  high-
throughput  screening  of  many  chemicals  in  many  different  assays  enables  the 
characterisation of chemicals regarding their MoA which can help e.g. in the grouping 
of  chemicals.  AOPs  can  help  in  integrating  data  from  diverse  in  vitro  tests  that 
address  different  steps  in  a  chain  of  biological  events.  If  in  vitro  test  results  are 
interpreted  in  connection  with  toxicokinetic  information,  even  quantitative 
information on potency can be derived. 
•  The main potential of omics techniques (transcriptomics, proteomics, metabolomics) 
regarding  the  assessment  of  mixtures  lies  in  the  investigation  of  affected  pathways 
for unravelling MoAs and investigating possible interactions, which can again support 
the grouping of chemicals. 
•  QSAR  models  can  be  used  to  obtain  information  on  the  properties  and  activities  of 
substances  from  chemical structure alone, and can thus be used to  fill data gaps in 
the safety assessment of chemicals. There are three main ways in which QSARs can 
be  applied  for  the  assessment  of  mixtures:  (1)  for  predicting  (missing)  information 
on  individual  compounds  (physico-chemical  properties,  toxicological  effects)  (2)  for 
predicting directly or stepwise the combined effects and interactions of chemicals in a 
mixture (3) for assessing whether chemicals will act in a similar or dissimilar way. 
•  Read-across can be of value in the assessment of mixtures mainly in two ways, i.e. 
to predict missing information for untested constituents of a mixture in a component 
based approach, or to read-across for similar mixtures in a whole mixture approach. 
 
48
 

 
•  Toxicokinetics  (TK)  and  toxicodynamics  (TD)  considerations  can  support  the 
assessment of chemical mixtures in several ways with the main areas of application 
being (1) determination of internal exposure concentrations, e.g. enabling a relation 
between body concentrations and in vitro experiments (i.e. IVIVE, in vitro to in vivo 
extrapolations),  of  relevance  for  single  chemicals  as  well  as  for  chemical  mixtures, 
(2)  considering  the  simultaneous  or  sequential  exposure  to  different  mixture 
components,  assessing  the  probability  that  those  reach  the  same  target,  and  (3) 
predicting interactions among mixture components on TK and TD level.  
•  The approach of dynamic energy budgets (DEBs) is applied in the ecotoxicology area. 
For  the  time  being  DEB  models  are  not  yet  regularly  used  in  the  assessment  of 
mixtures.  They  are  however  a  promising  tool,  since  they  look  at  effects  in  a  more 
integrated  and  mechanistic  way,  potentially  integrating  chemical  and  non-chemical 
stressors. 
•  The  TTC  approach  is  recommended  in  the  literature  for  use  at  a  screening  level 
mixture assessment, for comparing first estimates of combined exposure to the TTC. 
It  can  serve  eliminating  combinations  that  are  of  low  concern  and  to  prioritise 
mixtures for further assessment. Currently, the TTC approach is limited to application 
in  human  health  risk  assessment;  however,  a  corresponding  ecoTTC  approach  is 
under development.  
•  In the context of the risk assessment from combined exposure, IATA provide another 
framework  to  collect  information  on  individual  mixture  components  as  well  as  on 
whole mixtures, allowing a more structured (and if AOP based more  mechanistically 
relevant) way of data generation and interpretation.  
In  the  survey,  expert  opinions  regarding  these  methodologies  and  tools  were  split 
between  those  applying  them  (often  more  in  a  research  context)  and  those  that 
generally think these tools are valuable but see their use as currently limited because of 
a lack of guidance, lack of data, or lack of expertise. 
 
Overall,  a  high  potential  in  applying  novel  tools  and  scientific  methodologies  for  the 
assessment  of  chemical  mixtures  can  be  identified.  They  allow  deriving  meaningful 
information  on  individual  mixture  components  or  whole  mixtures,  enabling  a  better 
understanding of the underlying mechanisms of mixture effects. Their main strengths lie 
in  their  integrated  use  and  smart  combination  to  put  different  aspects  regarding  the 
hazard  from  combined  exposure  to  multiple  chemicals  into  context.  In  order  to  benefit 
from  these  tools  in  the  hazard  assessment  of  mixtures,  more  guidance  on  their  use  is 
needed to facilitate a more widespread application. 
 
 
 
49
 

 
References  
Adeleyea Y, Andersen M, Clewell R, Davies M, Dent M, Edwards S, Fowler P, Malcomber 
S,  Nicol  B,  Scott  A,  Scott  S,  Sun  B,  Westmoreland  C,  White  A,  Zhang  Q, 
Carmichael PL, 2015. Implementing Toxicity Testing in the 21st Century (TT21C): 
Making safety decisions using toxicity pathways, and progress in a prototype  risk 
assessment. Toxicology, 332, 102–111. 
Altenburger  R,  Ait-Aissa  S,  Antcak  P,  Backhaus  T,  Barceló  D,  Seiler  TB,  Brion  F,  Busch 
W,  et  al.,  2015.  Future  water  quality  monitoring  —  Adapting  tools  to  deal  with 
mixtures  of  pollutants  in  water  resource  management.  Science  of  the  Total 
Environment, 512–513, 540–551. 
Altenburger  R,  Nendza  M,  Schüürmann  G,  2003.  Mixture  toxicity  and  its  modeling  by 
quantitative structure-activity relationships. Environmental Toxicology and Chemistry, 
22(8), 1900-1915. 
Altenburger R, Scholz S, Schmitt-Jansen M, Busch  W,  Escher BI, 2012. Mixture toxicity 
revisited  from  a  toxicogenomic  perspective.  Environmental  Science  and  Technology, 
46, 2508-2522. 
Ankley  GT,  Bennett  RS,  Erickson  RJ,  Hoff  DJ,  Hornung  MW,  Johnson  RD,  Mount  DR, 
Nichols  JW,  Russom  CL,  Schmieder  PK,  Serrano  JA,  Tietge  JE,  Villeneuve  DL,  2010. 
Adverse  outcome  pathways:  a  conceptual  framework  to  support  ecotoxicology 
research and risk assessment. Environmental Toxicology and Chemistry, 29 (3), 730–
741. 
Attene-Ramos MS, Huang R, Sakamuru S, Witt KL, Beeson GC, Shou L, Schnellmann RG, 
Beeson  CC,  Tice  RR,  Austin  CP,  Xia  M,  2013.  Systematic  study  of  mitochondrial 
toxicity of environmental chemicals using quantitative high throughput screening. 
Chemical Research in Toxicology, 26 (9), 1323–1332 
Baas J, Jager T, Kooijman B, 2010. A review of DEB theory in assessing toxic effects of 
mixtures. Science of the Total Environment, 408, 3740–3745. 
Baas J, Willems J, Kraak M, Vandenbrouck T, Jager T, Kooijman SALM, 2009. Prediction 
of daphnid survival after in situ exposure to complex mixtures. Environmental Science 
and Technology, 43, 6064–6069. 
Backhaus  T,  2015.  An  additional  assessment  factor  (MAF)  –  A  suitable  approach  for 
improving  the  regulatory  risk  assessment  of  chemical  mixtures?  Report  for  Swedish 
Chemicals 
Agency 
(KEMI) 
5/15.  
http://kemi.se/Documents/Publikationer/Trycksaker/Rapporter/Rapport-5-15.pdf  
Backhaus T, Altenburger R, Faust M, Frein D, Frische T, Johansson P, Kehrer A, Porsbring 
T.  2013.  Proposal  for  environmental  mixture  risk  assessment  in  the  context  of  the 
biocidal product authorization in the EU. Environmental Sciences Europe, 25 (1), 4. 
Belanger SE, Sanderson H, Embry MR, Coady K, DeZwart D, Farr BA, Gutsell S, Halder 
M, Sternberg R, Wilson P, 2015. It is time to develop ecological thresholds of 
toxicological concern to assist environmental hazard assessment. Environmental 
Toxicology and Chemistry, accepted article.  
Bessems  J,  Coecke  S,  Gouliarmou  V,  Whelan  M,  Worth A  (2015)  EURL  ECVAM  strategy 
for  achieving  3Rs  impact  in  the  assessment  of  toxicokinetics  and  systemic  toxicity. 
EUR27315 
EN, 
 
50
 

 
http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC96418/eurl%20ecvam%
20toxicokinetics%20strategy.pdf 
Beyer  J,  Petersen  K,  Song  Y,  Ruus  A,  Grung  M,  Bakke  T,  Tollefsen  KE,  2014. 
Environmental  risk  assessment  of  combined  effects  in  aquatic  ecotoxicology:  A 
discussion paper. Marine Environmental Research, 96, 81-91. 
Boobis A,  Budinsky R,  Collie S, Crofton K,  Embry M, Felter, S, Hertzberg R, Kopp  D,  et 
al.,  2011.  Critical  analysis  of  literature  on  low-dose  synergy  for  use  in  screening 
chemical  mixtures  for  risk  assessment.  Critical  Reviews  in  Toxicology,  41  (5),  369–
383. 
Boobis A, Budinsky R, Crofton K, Embry M, Felter S, Mihlan G, Mumtaz M, Price P, 
Solomon K, Zaleski R, 2011. Annex B - Example case study B: Tier 0 - Substances 
potentially detectable in surface water. In: Meek ME, Boobis AR, Crofton KM, 
Heinemeyer G, Van Raaij M, Vickers C, 2011. Risk assessment of combined exposure 
to multiple chemicals: A WHO/IPCS framework. Regulatory Toxicology and 
Pharmacology, 60, S1–S14. 
Borgert  CJ,  2007.  Predicting  interactions  from  mechanistic  information:  Can  omic  data 
validate theories? Toxicology and Applied Pharmacology, 223 (2), 114-120. 
Borgert CJ,  Quill TF, McCarty  LS,  Mason AM, 2004. Can mode of action predict mixture 
toxicity for risk assessment? Toxicology and Applied Pharmacology, 201 (2), 85-96. 
Burgess  RM,  Ho  KT,  Brack  W,  Lamoree  M,  2013.  Effects-directed  analysis  (EDA)  and 
toxicity  identification  evaluation  (TIE):  Complementary  but  different  approaches 
for  diagnosing  causes  of  environmental  toxicity.  Environmental  Toxicology  and 
Chemistry, 32 (9), 1935–1945. 
Brand W, de Jongh CM, van der Linden SC, Mennes W, Puijker LM, van Leeuwen CJ, van 
Wezel  AP,  Schriks  M,  Hering  MB,  2013.  Trigger  values  for  investigation  of 
hormonal  activity  in  drinking  water  and  its  sources  using  CALUX  bioassays. 
Environment International, 55, 109–118. 
Browne  P,  Judson  RS,  Casey  WM,  Kleinstreuer  NC,  Thomas  RS,  2015.  Screening 
chemicals  for  estrogen  receptor  bioactivity  using  a  computational  model. 
Environmental Science and Technology, 49 (14), 8804–8814. 
Caldwell  DJ,  Mastrocco  F,  Margiotta-Casaluci  L,  Brooks  BW,  2014.  An  integrated 
approach  for  prioritizing  pharmaceuticals  found  in  the  environment  for  risk 
assessment, monitoring and advanced research. Chemosphere, 115, 4–12. 
Cedergreen  N,  2014.  Quantifying  Synergy:  a  systematic  review  of  mixture  toxicity 
studies within Environmental Toxicology. PLoS ONE 9(5), e96580. 
Cramer  GM,  Ford  RA,  Hall  RL,  1978.  Estimation  of  toxic  hazard  -  a  decision  tree 
approach. Food and Cosmetic Toxicology, 16, 255-276. 
Dardenne F, Van Dongen S, Nobels I, Smolders R, De Coen W, Blust R, 2008a. Mode of 
action  clustering  of  chemicals  and  environmental  samples  on  the  bases  of  bacterial 
stress gene inductions. Toxicological Sciences, 101 (2), 206-214. 
Dardenne F, Nobels I, De Coen W, Blust R, 2008b. Mixture toxicity and gene inductions: 
Can we predict the outcome? Environmental Toxicology and Chemistry, 27 (3), 509-
518. 
 
51
 

 
ECHA  (European  Chemicals  Agency).  2014.  Transitional  Guidance  on  mixture  toxicity 
assessment for biocidal products for the environment. 
ECHA,  2015.  Read-Across  Assessment  Framework  (RAAF).  ECHA-15-R-07-EN. 
http://echa.europa.eu/documents/10162/13628/raaf_en.pdf 
EFSA  (European  Food  Safety  Authority),  2013.  International  framework  dealing  with 
human  risk  assessment  of  combined  exposure  to  multiple  chemicals.  EFSA  Journal 
2013; 11 (7):3313. [69 pp.] doi:10.2903/j.efsa.2013.3313.  
EFSA  Panel  on  Plant  Protection  Products  and  their  Residues  (PPR),  2014.  Scientific 
Opinion  on  the  identification  of  pesticides  to  be  included  in  cumulative  assessment 
groups on the basis of their toxicological profile (2014 update). EFSA Journal 2013, 11 
(7):3293, 131 pp. doi:10.2903/j.efsa.2013.3293 
EFSA  Panel  on  Plant  Protection  Products  and  their  Residues  (PPR),  2013.  Scientific 
Opinion  on  relevance  of  dissimilar  mode  of  action  and  its  appropriate  application  for 
cumulative  risk  assessment  of  pesticides  residues  in  food.  EFSA  Journal  2013;11 
(12): 3472, 40 pp. doi:10.2903/j.efsa.2013.3472 
EFSA  Scientific  Committee,  2012.  Scientific  Opinion  on  exploring  options  for  providing 
advice  about  possible  human  health  risks  based  on  the  concept  of  Threshold  of 
Toxicological  Concern  (TTC).  EFSA  Journal  2012,  10  (7),  2750  [103  pp.] 
doi:10.2903/j.efsa.2012.2750. 
EFSA  Panel  on  Plant  Protection  Products  and  their  Residues  (PPR),  2013.  Guidance  on 
tiered risk assessment for plant protection products for aquatic organisms in edge-of-
field 
surface 
waters. 
EFSA 
Journal 
2013, 
11 
(7): 
3290, 
268 
pp. 
doi:10.2903/j.efsa.2013.3290. 
El-Masri  H,  2007.  Experimental  and  mathematical  modelling  methods  for  the 
investigation of toxicological interactions. Toxicology and Applied Pharmacology, 223, 
148-154. 
Escher  BI,  Neale  PA,  Leusch  FDL,  2015.  Effect-based  trigger  values  for  in  vitro 
bioassays:  Reading  across  from  existing  water  quality  guideline  values.  Water 
Research, 81, 137–148. 
Goodson  WH,  Lowe  L,  Carpenter  DO,  Gilbertson  M,  Manaf  AA,  Lopez  de  Cerain 
Salsamendi A, Lasfar A, et al. 2015. Assessing the carcinogenic potential of low-dose 
exposures  to  chemical  mixtures  in  the  environment:  the  challenge  ahead. 
Carcinogenesis, 36 (Suppl 1), S254-S296. 
Groten,  J.P.,  Feron,  V.J.,  Sühnel,  J.,  2001.  Toxicology  of  simple  and  complex  mixtures. 
Trends in Pharmacological Sciences, 22, 316-322. 
Hadrup  N,  2014.  Evidence  from  pharmacology  and  pathophysiology  suggests  that 
chemicals  with  dissimilar  mechanisms  of  action  could  be  of  bigger  concern  in  the 
toxicological  risk  assessment  of  chemical  mixtures  than  chemicals  with  a  similar 
mechanism of action. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 69 (3), 281-283. 
Health  Canada  /  Environment  Canada,  2015.  Proposed  approach  for  cumulative  risk 
assessment  of  certain  phthalates  under  the  chemicals  management  plan,  August 
2015. http://www.ec.gc.ca/ese-ees/default.asp?lang=En&n=723C9007-1 
Huang RL, Xia MH, Cho MH, Sakamuru S, Shinn P, Houck KA, Dix DJ, Judson RS, et al., 
2011.  Chemical  genomics  profiling  of  environmental  chemical  modulation  of 
 
52
 

 
human  nuclear  receptors.  Environmental  Health  Perspectives,  119  (8),  1142–
1148. 
Jager  T,  Gudmundsdottir  EM,  Cedergreen  N,  2014.  Dynamic  modeling  of  sublethal 
mixture toxicity in the nematode Caenorhabditis elegans. Environmental Science and 
Technology, 48, 7026−7033. 
Jager T, Vandenbrouck T, Baas J, De Coen WM, Kooijman SALM, 2010. A biology-based 
approach for mixture toxicity of multiple endpoints over the life cycle. Ecotoxicology, 
19, 351−361. 
Jarošová  B,  Bláha  L,  Giesy  JP,  Hilscherová  K,  2014,  What  level  of  estrogenic  activity 
determined  by  in  vitro  assays  in  municipal  waste  waters  can  be  considered  as 
safe? Environment International, 64, 98–109. 
Kamo  and  Yokomizo,  2015.  Explanation  of  non-additive  effects  in  mixtures  of  similar 
mode of action chemicals. Toxicology, 335, 20–26. 
Kienzler A, Berggren A, Bessem J, Bopp S, van der Linden S, Worth A (2014) 
Assessment of mixtures - Review of regulatory requirements and guidance (EUR 
26675 EN) 
Kim J, Kim S, 2015. State of the art in the application of QSAR techniques for predicting 
mixture  toxicity  in  environmental  risk  assessment.  SAR  and  QSAR  in  Environmental 
Research, 26 (1), 41-59. 
Kortenkamp,  A.,  Backhaus,  T.,  Faust,  M.,  2009.  State  of  the  art  report  on  mixture 
toxicity. Final report. 070307/2007/485103/ETU/D.1, 391 p. 
Løkke H, Ragas AMJ, Holmstrup M, 2013. Tools and perspectives for assessing chemical 
mixtures and multiple stressors. Toxicology, 313, 73– 82. 
Meek ME, Boobis AR, Crofton KM, Heinemeyer G, van Raaij M, Vickers C (2011) Risk 
assessment of combined exposure to multiple chemicals: A WHO/IPCS framework. 
Regulatory Toxicology and Pharmacology, 60 (2), S1–S14.  
Munro IC, Ford RA, Kennepohl E, Sprenger JG, 1996. Correlation of structural class with 
no observed effect levels: a proposal for establishing a threshold of concern. Food and 
Chemical. Toxicology, 34, 829-867. 
Mwense  M,  Wang  XZ,  Buontempo  FV,  Horan  N,  Young  A,  Osborn  D,  2006.  QSAR 
approach  for  mixture  toxicity  prediction  using  independent  latent  descriptors  and 
fuzzy  membership  functions.  SAR  and  QSAR  in  Environmental  Research,  17  (1),  53-
73. 
NAFTA  (North  American  Free  Trade  Agreement),  2012.  Technical  Working  Group  on 
Pesticides  -  (Quantitative)  Structure  Activity  Relationship  ((Q)SAR)  Guidance 
Document. 
186 
pp. 
Available 
at:  
[http://www.epa.gov/oppfead1/international/naftatwg/guidance/qsar-guidance.pdf]. 
National  Research  Council,  2007.  Toxicity  testing  in  the  21st  century:  a  vision  and  a 
strategy. 
OECD,  2009.  Guidance  document  for  using  the  OECD  (Q)SAR  application  toolbox  to 
develop  chemical  categories  according  to  the  OECD  guidance  on  grouping  of 
chemicals.  Series  on  Testing  and  Assessment,  No  102.  ENV/JM/MONO(2009)5,  24-
Feb-2009. 
 
53
 

 
OECD,  2013.  Guidance  document  on  developing  and  assessing  adverse  outcome 
pathways.  Series  on  Testing  and  Assessment.  No.  184,  ENV/JM/MONO(2013)6.  17-
Apr-2013. 
OECD, 2014. Guidance on grouping of chemicals, second edition. Series on Testing and 
Assessment, No. 194, ENV/JM/MONO(2014)4, 14-Apr-2014. 
Price PS and Han X, 2011. Maximum cumulative ratio (MCR) as a tool for assessing the 
value of performing a cumulative risk assessment. International Journal of 
Environmental Research and Public Health, 8 (6), 2212-2225. 
Price PS, Hollnagel HM, Zabik JM, 2009. Characterizing the noncancer toxicity of 
mixtures using concepts from the TTC and quantitative models of uncertainty in 
mixture toxicity. Risk Analysis, 29 (11), 1534-1548. 
SCHER, SCCS, SCENIHR (2012) Opinion on the toxicity and assessment of chemical 
mixtures.  
Schirmer  K,  Fischer  BB,  Madueira  DJ,  Pillai  S  (2010)  Transcriptomics  in  ecotoxicology. 
Analytical and Bioanalytical Chemistry, 397 (3), 917-923. 
Sonneveld E, Riteco JAC, Jansen HJ, Pieterse B, Brouwer A, Schoonen WG, van der Burg 
B, 2006. Comparison of In Vitro and In Vivo Screening Models for Androgenic and 
Estrogenic Activities. Toxicological Sciences, 89 (1), 173-187. 
Tan  YM,  Clewell  H,  Campbell  J,  Andersen  M,  2011.  Evaluating  pharmacokinetic  and 
pharmacodynamic  interactions  with  computational  models  in  supporting  cumulative 
risk assessment. International Journal of Environmental Research and Public Health, 8 
(5), 1613-1630. 
Tang JYM, McCarty S,  Glenn E, Warne  MSJ,  Escher BI, 2013. Mixture effects  of organic 
micropollutants  present  in  water:  Towards  the  development  of  effect-based  water 
quality trigger values for baseline toxicity. Water Research, 47 (10), 3300-3314. 
Tang  JYM,  Busetti  F,  Charrois  JWA,  Escher  BI,  2014.  Which  chemicals  drive  biological 
effects in wastewater and recycled water. Water Research, 60, 289–299. 
Tice  RR,  Austin  CP,  Kavlock  RJ,  Bucher  JR,  2013.  Improving  the  human  hazard 
characterization of chemicals: a Tox21 update. Environmental Health Perspectives, 
121 (7), 756–765. 
Rovida C, Asakura S, Daneshian M, Hofman-Huether H, Leist M, Meunier L, Reif D, Rossi 
A,  Schmutz  M,  Valentin  J-P,  Zurlo  J  and  Hartung  T,  2015,  Toxicity  testing  in  the 
21st Century Beyond Environmental Chemicals. Altex, 32 (3),171-181. 
Terry C, Rasoulpour RJ, Knowles S, Billington R, 2015. Utilizing relative potency factors 
(RPF) and threshold of toxicological concern (TTC) concepts to assess hazard and 
human risk assessment profiles of environmental metabolites: A case study. 
Regulatory Toxicology and Pharmacology, 71 (2), 301-317. 
Toleffsen KE, Scholz S, Cronin MT, Edwards SW, de Knecht J, Crofton K, Garcia-Reyero 
N,  Hartung  T,  Worth  A,  Patlewicz  G,  2014.  Applying  Adverse  Outcome  Pathways 
(AOPs)  to  support  Integrated  Approaches  to  Testing  and  Assessment  (IATA). 
Regulatory Toxicology and Pharmacology, 70, 629–640 
Verhaar  HJM,  Morroni  JR,  Reardon  KF,  Hays  SM,  Gaver  DP,  Carpenter  RL,  Yang  RSH, 
1997. A proposed approach to study the toxicology of complex mixtures of petroleum 
 
54
 

 
products:  the  integrated  use  of  QSAR,  lumping  analysis  and  PBPK/PD  modeling. 
Environmental Health Perspectives, 105 (Suppl 1), 179-195. 
Villeneuve  and  Garcia-Reyero  (2011)  Predictive  ecotoxicology  in  the  21st  Century. 
Environmental Toxicology and Chemistry, 30 (1), 1-8. 
Von Stackelberg K, Guzy E, Chu T, Henn BC, 2015. Exposure to mixtures of metals and 
neurodevelopmental  outcomes:  a  multidisciplinary  review  using  an  adverse  outcome 
pathway framework. Risk Analysis, 35 (6), 971-1016. 
Wason  SC,  Smith  TJ,  Perry  MJ,  Levy  JI,  2012.  Using  physiologically-based 
pharmacokinetic  models  to  incorporate  chemical  and  non-chemical  stressors  into 
cumulative  risk  assessment:  a  case  study  of  pesticide  exposures.  International 
Journal of Environmental Research and Public Health, 9, 1971-1983. 
WHO/IPCS (2009) Assessment of combined exposures to multiple chemicals: report of a 
WHO/IPCS international workshop on aggregate/cumulative risk assessment.  
 
 
 
 
55
 

 
List of abbreviations and definitions 
AOP 
Adverse Outcome Pathway 
CA 
Concentration Addition 
CEFIC MIAT 
European Chemical Industry Council Mixtures Industry Ad-hoc Team 
CLP 
Classification, labelling and packaging 
DEB 
Dynamic Energy Budget modelling 
ECHA 
European Chemicals Agency 
EFSA 
European Food Safety Authority 
ERA  
Environmental Risk Assessment 
ESTAF 
EURL ECVAM Stakeholder Forum 
EURL ECVAM 
European  Union  Reference  Laboratory  for  alternatives  to  animal 
testing 
HI 
Hazard Index 
HIint 
Hazard Index considering Interactions 
HRA 
Human Health Risk Assessment 
IA 
Independent Action 
IATA 
Integrated approaches to testing and assessment 
MCR 
Maximum Cumulative Ratio 
MoA 
Mode of Action 
OECD 
Organisation for Economic Co-operation and Development 
PARERE 
EURL  ECVAM's  Network  for  Preliminary  Assessment  of  Regulatory 
Relevance 
PBTK 
Physiologically Based Toxicokinetic modelling 
PODI 
Point of Departure Index 
PPP 
Plant Protection Product 
QA/QC 
Quality Assurance/Quality Control 
QSAR 
Quantitative Structure Activity Relationship 
RA 
Risk Assessment 
REACH 
Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals 
RPF 
Relative Potency Factor 
 
56
 

 
SCCS 
Scientific Committee on Consumer Safety 
SCENHIR 
Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks 
SCHER 
Scientific Committee on Health and Environmental Risks 
TEF 
Toxic Equivalence Factor 
TKTD 
Toxicokinetic/Toxicodynamic modelling 
TTC 
Threshold of Toxicological Concern 
TUS 
Toxic Unit Summation 
WHO/IPCS 
World  Health  Organisation/  International  Programme  on  Chemical 
Safety 
 
 
 
 
57
 

 
List of figures  
Figure  1  Country  of  Respondent.  Survey  participants  were  from  16  different  EU 
countries and 5 non-EU countries (indicated as "Other": Canada, Japan, Norway, Serbia, 
Switzerland, US). ................................................................................................ 23 
Figure 2 Survey respondents' affiliation ................................................................ 23 
Figure  3    Replies  to  the  question  "Did  you  ever  need  to  perform  a  risk  assessment  of 
chemical mixtures for HRA or ERA?" ...................................................................... 24 
Figure  4  Replies  to  the  question  "For  which  purpose(s)  did  you  assess  the  overall 
toxicity of chemical mixtures?" Other purposes indicated were 1) development of CEFIC 
MIAT conceptual framework and CLP workplace monitoring. ..................................... 24 
Figure  5  Experience  in  performing  mixture  risk  assessments  using  whole  mixture  or 
component-based approaches applied to intentional or unintentional mixtures. ........... 25 
Figure 6 Replies to the question "For which type of mixture(s) have you applied a whole 
mixture or component-based approach?" Chemicals were further specified in the survey 
as  "multiconstituent  or  UVCB  substances  under  REACH".  Other  types  of  mixtures 
mentioned were medical devices, alloys, botanicals, food ware materials, jewellery, toys, 
cigarette smoke/tobacco toxicants, human tissue extracts, landfill leachates, solid waste 
from industrial combustion processes, sewage sludge. ............................................. 26 
Figure  7 Replies to question "How often have you used the following component-based 
approaches?"  (CA=concentration  addition,  TUS=Toxic  Unit  Summation,  TEF=Toxic 
Equivalency  Factor,  RPF=Relative  Potency  Factor,  PODI=Point  of  Departure  Index, 
HI=Hazard  Index,  HI(int)=Hazard  Index  including  interactions,  MCR=Maximum 
Cumulative Ratio, IA=Independent Action) ............................................................. 27 
Figure  8  Replies  to  the  question  "Which  type  of  mixture(s)  or  samples  would  you 
identify  as  highest  priority  for  risk  assessment  that  needs  to  take  mixture  effects  into 
account?" divided by  stakeholder group. Chemicals were further specified in the survey 
as  "multiconstituent  or  UVCB  substances  under  REACH".  Other  mixtures  of  importance 
mentioned were those present in human tissues and container systems. .................... 28 
Figure  9  Replies  to  the  question  "Based  on  your  experience  or  knowledge  about  the 
toxicity  of  mixtures,  do  you  consider  it  important  to  include  interactions  (e.g.  potential 
synergism or antagonism) in the assessment?" divided by stakeholder group. Among the 
experts  that  selected  the  "other"  option,  the  main  reasoning  provided  in  the  free  text 
field  was  that  interactions  are  considered  rare,  especially  at  low/environmental 
concentrations.  However,  most  experts  agreed  that  interactions  should  be  taken  into 
account  on  a  case-by-case  basis  and  one  expert  proposed  to  look  at  interactions 
especially  in  the  case  of  active  substances  like  plant  protection  products,  biocides, 
pharmaceuticals. ................................................................................................. 28 
Figure  10 Replies to the questions on approaches the experts have  abandoned due to 
negative experience, specific approaches that the experts would recommend for further 
considerations, and on use of relevant software tools and databases. ........................ 29 
Figure  11  Replies  to  the  question  "Do  you  apply  in  vitro  tools/omics  approaches/ 
(quantitative)  structure  activity  relationships  ((Q)SARs)/  read-across/  physiologically 
based  pharmacokinetic  (PBPK)  modelling/  the  toxicological  threshold  of  concern  (TTC) 
concept/ Adverse Outcome pathways (AOPs)/ dynamic energy budget (DEB) models for 
human health risk assessment (HRA), environmental risk assessment (ERA) or both?" 30 
Figure  12  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  these  in 
vitro
 assays?" Other reasons mentioned were for research purpose, Ames test because it 
is  a  data  requirement  in  some  regions,  and  combination  of  in  vitro  testing  with  PBPK 
modelling is seen as the way forward for chemical risk assessment. .......................... 31 
 
58
 

 
Figure 13 Replies to the question "What are the main reasons you are not using in vitro 
assays? The main "other reasons" given were lack of EU guidance and validation, and in 
the case of cosmetics that in vitro tests are less relevant for the final products as clinical 
tests are performed with cosmetic formulations. ..................................................... 32 
Figure 14  Replies to the question "Which type of omics technologies are you using?" 33 
Figure  15  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  omics 
based approaches?" The other reasons given were the possibility to study mechanisms of 
action. ............................................................................................................... 33 
Figure  16  Replies to the question "What are the main reasons you are not using omics 
based assays?" The main "other reason" provided was the unavailability of the relevant 
practical  tools  in  the  facilities  of  the  responding  experts,  as  well  as  the  lack  of  clear 
guidance. ........................................................................................................... 34 
Figure  17 Replies to the question "What are the main reasons you are using (Q)SARs?" 
"Other reasons" mentioned were the application to metabolites and impurities where no 
data are available, and the possibility to identify substances of concern and drive further 
experimental testing. Also the use for chemical fate aspects was mentioned. .............. 35 
Figure  18 Replies to the question "For what purpose are you applying (Q)SARs? "Other 
reasons"  mentioned  were  data  gap  filling,  prediction  of  physic-chemical  properties, 
grouping of metabolites and impurities, and fate predictions. .................................... 35 
Figure  19 Replies to the question "Which (Q)SAR models do you apply?" Other models 
mentioned were DEBtox, VEGA platform models, ACD Labs Percepta, Episuite, SarPy. . 36 
Figure  20  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  not  using 
(Q)SARs?". The main "other reasons" given were that databases are not validated, lack 
of guidance, (Q)SARs are applied to single substances but not to mixtures because only 
qualitative  QSAR  information  is  used,  (Q)SARs  are  not  relevant  because  of  available 
testing information (e.g. for PPPs), too many uncertainties associated with (Q)SARs, lack 
of knowledge/training. ......................................................................................... 37 
Figure  21  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  a  read-
across approach?" Main "other reasons" were that read-across is a useful tool for the use 
for  metabolites  and  impurities,  where  toxicity  information  is  limited,  it  is  encouraged 
under  REACH,  can  be  used  to  support  in  vitro  test  results  and  refine  experimental 
design. .............................................................................................................. 38 
Figure 22 Replies to the question "What are the main reasons you are not using a read-
across approach?" Main "other reasons" given were a lack of guidance and validation. . 38 
Figure  23  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  a  PBTK 
model?"  The  main  "other  reasons"  were  to  study  mechanisms,  study  mechanisms  by 
which mixtures affect life-history traits, assess intermittent exposures ...................... 39 
Figure 24 Replies to the question "What are the main reasons you are not using a PBTK 
model?" The main "other reasons" given were lack of knowledge/expertise/training, lack 
of guidance and tackling related uncertainties. ........................................................ 39 
Figure  25  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  the  TTC 
approach?" Main "other reasons" were the availability for chemicals without chronic data, 
the  use  to  identify  and  prioritise  testing  needs,  avoiding  testing,  and  application  to 
ingredients of biological origin and residual impurities. ............................................. 40 
Figure  26  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  not  using  the 
TTC approach?" Main "other reasons" were the need of updating the TTC approach, the 
lack of experience, and dealing with higher substance concentrations. ....................... 41 
Figure  27  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  an  AOP 
approach?"  The  "other  reason"  mentioned  was  to  explore  its  potential  for  risk 
assessment. ....................................................................................................... 41 
 
59
 

 
Figure 28 Replies to the question "What are the main reasons you are not using an AOP 
approach?" The "other reasons" mentioned are mainly the lack of expertise/experience, 
and difficulties to implement this new concept in risk assessment. ............................ 42 
Figure  29  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  using  DEB 
models?"  The  "other  reason"  was  stating  that  DEB  models  are  the  most  promising 
approach to interpret and predict effects of stressors on growth and reproduction and to 
learn from experimental testing. ........................................................................... 42 
Figure  30  Replies  to  the  question  "What  are  the  main  reasons  you  are  not  using  DEB 
models?"  Main "other reasons"  were a general lack of  expertise/experience, for experts 
in human RA its focus on environmental RA, and a lack of validation. ........................ 43 
Figure  31 Replies to the question "Do you use any IATA framework for the assessment 
of mixtures?" ...................................................................................................... 43 
Figure  32  Replies  to  question  "Which  [international]  framework(s)  [for  addressing 
combined exposure] do you apply?" ...................................................................... 44 
Figure  33  Replies  to  the  question  "Are  you  familiar  with  or  do  you  apply  any  other 
framework to assess the toxicity of mixtures?" ....................................................... 45 
 
 
 
60
 

 
 
 
 
 
 
 
Europe Direct is a service to help you find answers to your questions about the European Union 
Free phone number (*): 00 800 6 7 8 9 10 11 
(*) Certain mobile telephone operators do not allow access to 00 800 numbers or these calls may be billed. 
 
A great deal of additional information on the European Union is available on the Internet. 
It can be accessed through the Europa server http://europa.eu 
How to obtain EU publications 
 
Our publications are available from EU Bookshop (http://publications.europa.eu/howto/index_en.htm), 
where you can place an order with the sales agent of your choice. 
 
The Publications Office has a worldwide network of sales agents. 
You can obtain their contact details by sending a fax to (352) 29 29-42758. 
 
 













 
L
B
-NA-27471-EN-N 
 
JRC Mission 
 
As the Commission’s  
in-house science service,  
the Joint Research Centre’s  
mission is to provide EU  
policies with independent,  
evidence-based scientific  
and technical support  
throughout the whole  
policy cycle. 
 
Working in close  
cooperation with policy  
Directorates-General,  
the JRC addresses key  
societal challenges while  
stimulating innovation  
through developing  
new methods, tools  
and standards, and sharing  
its know-how with  
the Member States,  
the scientific community  
and international partners. 
 
Serving society  
Stimulating innovation  
Supporting legislation 
 

doi:10.2788/093511 
ISBN 978-92-79-51925-3 
 
2