Rezidua léčiv v životním prostředí III (Ekotoxické účinky vybraných lékových skupin)

Rezidua léčiv v životním prostředí III

(Ekotoxické účinky vybraných lékových skupin)

Miloslav PouzarEkologie zdravotnických pracovišť P899

Povrchová voda

Analgetika a NSAID

K. Fent et al. / Aquatic Toxicology 76 (2006) 122–159

-blokátoryLátky snižující krevní tukyNeuroaktivní látky (antiepileptika, antidepresiva)

Upravená odpadní voda

Antineoplastika, protinádorové léky

Nesteroidní protizánětlivé léky (NSAID)• slabé kyseliny reversibilně či ireversibilně inhibující enzym cyklooxygenázu (COX-1 a COX-2) - vliv na syntézu prostaglandinů (zánětlivé

procesy)

• u ptáků mají prostaglandiny vliv na tvorbu vaječné skořápky – vystavení inhibitorům COX vede ke ztenčení skořápky !!!

• u ryb hrají prostaglandiny klíčovou roli při reprodukci - parakrinní signalizace ve vaječnících, stimulace ovulace, produkce estradiolu, vliv na sexuální chování samců i samic

• makrofágy ryb (např. pstruh duhový) syntetizují enzym podobný lidskému COX – homologie savčího a rybího COX-2 = 84%, homologie COX-1 = 77%

Daphnia magna

Akutní ekotoxicita• nejtoxičtější diclofenac – EC50 a LC50 100 mg.L-1 pro

všechny testy• U NSAID neexistuje korelace mezi Log KOW a LC50 pro

Daphnia magna

Analgetika a NSAID – akutní toxicita

K. Fent et al. / Aquatic Toxicology 76 (2006) 122–159

Analgetika a NSAID – chronická toxicita

K. Fent et al. / Aquatic Toxicology 76 (2006) 122–159

Nesteroidní protizánětlivé lékyDiclofenac• akutní toxicita pro vodní organismy při koncentracích 100 g.L-1

• pstruh duhový (Oncorhynchus mykiss)

– BCF = 10 – 2 700 (játra) a 5 – 1 000 (ledviny)

– 1 g.L-1 po dobu 28 dní - cytologické změny na játrech, ledvinách a žábrách

– 5 g.L-1 po dobu 28 dní - léze na ledvinách a skřelíh

Pstruh duhový

DICLOFENAC

Nesteroidní protizánětlivé lékyDiclofenac• na počátku 90-tých let 20. st. – dramatický pokles (95%) populace

bělohlavých supů (Gyps bengalensis) v jižní Asii

• mnoho hypotéz o příčině – např. patogenní organismy, pesticidy

• akutní selhání ledvin v důsledku akumulace kyseliny močové

Sup bengálský

• Prof. J. Lindsay Oaks (Washington State University) – příčinou diclofenak (Nature,2004).

• V Asii využíván ve veterinární medicíně – mršiny likvidovány v tzv. supích restauracích

• diclofenak selektivně toxický pro supy• nárůst případů vztekliny

• Indie - regulace používání diclofenaku ve veterinární medicíně

Supí restaurace

Nesteroidní protizánětlivé lékyIbuprofen• Medaka japonská (Oryzias latipes) - vitelogeneze, zvětšená játra a zvýšená produkce vajíček

• test na Daphnia magma - redukce populací v rozmezí koncentrací 0-80 g.L-1

• okřehek (Lemna minor) - 7 dní, 1 000 g.L-1, inhibice růstu (75% pokles)

• sinice Synechocystis - 5 dní, 10 g.L-1 stimulace růstu (75% nárůst)

Medaka japonská Okřehek menšíIbuprofen

Nesteroidní protizánětlivé lékyAcetaminofen – Paracetamol • Brown Tree snake (Boiga irregularis ), původem z

východní Indonésie, invazivní druh na Guamu 1940 – 1950)

• bez přirozených nepřátel – odhad hustoty populace 15 000 jedinců na čtvereční míli

• decimuje populace ptáků, netopýrů a plazů

• velké ekonomické ztráty – uštknutí lidí, likvidace domácích zvířat, poškození elektrického vedení

• 80 mg v potravě (mrtvé myši) zabije hada do tří dnů.

• dosud nepopsány otravy jiných živočichů

J. J. Johnston et al. Environ. Sci. Technol. 2002, 36(17):3827-3833.

Léčiva jako biocidyLéčivo Medicínské využití Biocid

4-aminopyridin roztroušená skleróza avicid (ptáci)

Warfarin antikoagulant rodenticit (hlodavci)

Triclosan součást zubních past biocid (všechno)

Acetaminofen analgetikum hadi (Indonézie)

Kofein stimulant žáby (Hawai)

Diclofenac analgetikum, antipyretikum

supi (Indie, Pákistán)

-blokátory• kompetitivní inhibitory -adrenergního receptoru, snížení krevního tlaku

Propranolol• vysoce lipofilní látka - Log KOW = 3,48

• stabilizace buněčné membrány - snížení prostupnosti Na+, K+ a Ca2+ iontů

• ryby - chronický účinek zasahuje kardiovaskulární systém a reprodukci

• Ceriodaphnia dubia - reprodukční toxicita NOEC 125 g.L-1 a LOEC 250 g.L-1

• Hyalella azteca - reprodukční toxicita, 27 dní, 100 g.L-1

• Medaka japonská - 4 týdny, snížený počet vajíček při 0,5 a 1 g.L-1, nikoli však při 50 a 100 g.L-1, změna hladiny vitellogeninu nepozorována, pozorována změna hladiny oxytoxinu

C. dubia

H. azteca

-blokátoryOrganismus test propranolol

EC50 [mg/L]atenolol

EC50 [mg/L]metoprolol

EC50 [mg/L]nadolol

EC50

[mg/L]bakterie (Vibrium fishery)

bioluminiscence 60 min 81 130 144

zelená řasa(Scenedasmus subspicatus)

růst24h3 dny

4,10,73

1335620

407,9

zelená řasa (Ps. subcapitata)

inhibice růstu 96h 7,4

korýš (Daphnia magna)

mortalita 48h 7,7 a 1,6 313 a 200 438 a 64 >100

korýš (Ceriodaphnia dubia)

inhibice mobility48h

1,5 a 0,85 33,4 45,3 a 8,8 163,4ryba(Medaka japonská)

mortalita48h 29,8 a 24,3

S.K. Khetan et al. / Chem. Rev. 107 (2007) 2319–2364

Látky snižující obsah krevních tuků• snížení koncentrace cholesterolu (statiny, fibráty) a triglyceridů (fibráty) v krvi

Statiny• inhibice koenzymu HMG-CoA - zpětnovazebná kontrola

syntézy cholesterolu

• u hmyzu v juvenilním stádiu inhibice syntézy hormonů

• Fytotoxicita – inhibice syntézy rostlinných sterolů (50%) u okřehku (Lemma giba) při sedmidenní expozici 64 g.L-1

lovastatinu a 36 g.L-1 atorvastatinu (PEC/PNEC 0,1)

• 96 test na krevetě (Palaemonetes pugio) - simvastatin - LC50 (larva) = 1,18 mg.L-1 a LC50 (dospělá kreveta) > 10 mg.L-1

• test na buchance (Nitocra spinipes) - 96-h LC50 = 0.81 mg.L-1

• koncentrace statinů v neupraveném čistírenském kalu 4-117ng.L-1, v povrchové vodě 1 ng. L-1

Paleomonetes pugio

Nitocra spinipes

Látky snižující obsah krevních tuků

Lovastatin

StatinyAtorvastatin

Simvastatin

Látky snižující obsah krevních tukůFibráty• vliv na transkripci genů pro proteiny řídcí metabolismus tuků – aktivace

některých enzymů

• aktivace specifického transkripčního faktoru patřícího do skupiny nukleárních hormonálních receptorů - PPARs (peroxisome proliferatoractivated receptors)

• PPAR receptory u ryb a lidí - ze 43-48 % shodné sekvence aminokyselin, klofibrát a benzafibrát – indukce PPAR v hepatocytech lososa

• fibráty indukují vznik hepatokarcinomu u myší – oxidativní stres spojený s indukcí tvorby peroxisomů a následnou tvorbou H2O2

FibrátyOrganismus test Klofibrát Kyselina

klofibrovábakterie (Vibrium fishery)

bioluminiscence 30 min - IC50 = 91,8 mg.L-1

korýš (Daphnia magna)

mortalita 24h EC50 = 28,2 mg.L-1 -

korýš(Artemia parthenogenetica)

mortalita 48h LC50 = 36,6 mg.L-1 LC50 = 87,2 mg.L-1

zelená řasa (Tetraselmis chuii)

inhibice růstu 96h IC50 = 39,7 mg.L-1 IC50 = 318,2 mg.L-1

ryba(Gambusia holbruki)

mortalita96h LC50 = 7,7 mg.L-1 LC50 = 526,5 mg.L-1

S.K. Khetan et al. / Chem. Rev. 107 (2007) 2319–2364

Látky snižující obsah krevních tukůFibráty• vliv na aktivitu CYP-450 u ryb – popsána indukce i inhibice

• Danio rerio - expozice klofibrátu 0,5 - 1 mg.L-1 v larválním stadiu - změny morfologických charakteristik, letargie

• karas zlatý (Carasius auratus) - 14 denní expozice gemfibrozilu 1,5 g. L-1 - více než 50% pokles hladiny testosteronu

• gemfibrozil – v krevní plazmě zlatého karase během 14 dnů 113-krát vyšší koncentrace než ve vodě (BCF = 113)

• vysoká perzistence metabolitů (kyselina klofibrová) v ŽP - tato látka detekována i v pitných vodách a v Severním ledovém oceánu

Danio rerio Zlatý karas gemfibrozil

Neuroaktivní látky - Antidepresiva• inhibice zpětného vychytávání serotoninu ze synaptické

štěrbiny

• u ryb serotonin ovládá chování (agrese, chuť k jídlu, obrana teritoria), endokrinní funkce a reprodukci

Fluoxetin (Prozac)•ryba kněžík dvoupruhý (Thalassoma bifasciatum) -samečci ztrácí schopnost teritoriální agrese po dvoutýdenní expozici 6 g.L-1

•střevle americká (Pimephales promelas) - snížená schopnost ulovit kořist při expozici 23,2 – 100,9 g.L-1 koncentrační a časová závislost

•medaka japonská (Oryzias latipes) – při koncentraci 0,1-5 g.L-1 - zvýšená tvorba estradiolu, předčasná dospělost samiček mimo hlavní sezónu

•korýš (Gammarus pulex) – nízké koncentrace (10-100 ng.L-

1 vyvolávají snížení pohyblivosti, vysoké koncentrace (1 g.L-1 - 1 mg.L-1) bez efektu (?)

Střevle americká

Kněžík dvoupruhý

Neuroaktivní látky - Antidepresiva

Fluoxetin (Prozac)•ryba živorodka komáří (Gambusia affinis) - opožděná pohlavní dospělost samečků - 614 g.L-1 , 7 dní

•korýš (Daphnia magna) – 30 denní test

– Fluoxetin 36 g.L-1 – zvýšená plodnost– Fluoxetin 36 g.L-1 + klofibrát 10 g.L-1 -

výrazné deformace těla– Fluoxetin 36 g.L-1 + klofibrát 100 g.L-1 -

výrazné zvýšení mortality

Živorodka komáří

Fluovoxamin•v koncentraci 0,32 g.L-1 vyvolává tření a předčasné dozrávání oocytů u škeble slávičky mnohotvárné (Dreissena polymorpha)

Slávička mnohotvárná

Neuroaktivní látky - Antiepileptika

Karbamazepin•karcinogen pro myši, u savců neprokázána mutagenní aktivita

•LC50 (Danio rerio) = 43 g.L -1, EC 50 (Daphnia magma) = 92 g.L-1

•snížená aktivita blešivce potočního (Gammarus pulex) při 1 - 10 ng.L-1

•závažné poškození jater, ledvin a žáber u kapra - 20 g.L -1

•vysoké koncentrace v sedimentech

látky ovlivňující CNS - snížení neuronální aktivity•blokáda napěťově řízených iontových kanálů pro Na – karbamazepin•zvýšení inhibičního účinku GABA - benzodiazepiny

Blešivec potoční

Steroidní hormony

Steroidní hormony• rozsáhlá studie vodních toků v USA (Kolpin et al., 2002)

– max. koncentrace EE2 831 ng.L-1 a medián 73 ng.L-1

– max. koncentrace mestranolu 407 ng.L-1 a medián 74 ng.L-1

• v Evropě v upravené odpadní vodě běžné koncentrace estrogenů 0 - 9 ng.L-1 (Baronti et al.,, 2000), odtok z ČOV 0,5 ng.L-1

• celoživotní studie Danio rerio - EE2– mezi 1-25 ng.L-1 - na dávce závislá zvýšená produkce vitellogeninu– 1 ng.L-1 - změna poměru pohlaví (↑ samičky)– 2 ng.L-1 - kompletní změna pohlaví

• reprodukční studie Danio rerio - EE2, 5 ng.L-1

– F(0) generace (40 dní) - žádný vliv na reprodukci– F(1) generace (celoživotně) - 56% pokles plodnosti, u

samečků nevyvinuté pohlavní orgány, intersex

Steroidní hormony• vliv na reprodukci, vitellogenezi,

poměr pohlaví u medaky japonské, pstruha duhového a střevle potoční při dlouhodobé (celoživotní) expozici EE2 v koncentracích 0,2 - 2 ng.L-1

• LOEC pro zvýšenou vitellogenezi u medaky japonské, střevle potoční a Danio rerio při dlouhodobé expozici E2 - 8,9; 28,6 a 85,9 ng.L-1

• Změna poměru pohlaví žáby drápatky (Xenopus tropicalis) po expozici 1,8 ng.L-1 EE2 v larválním stádiu vývoje

Cytostatika• inhibice proliferace rychle se dělících buněk nádoru

– přímá interakce s DNA (alkylační činidla, cis-platina)– změna struktury nukleotidů (antimetabolity)– inhibice topoisomeraz - enzymů ovlivňujících terciální strukturu DNA– narušení funkce mikrotubulů (rostliné alkaloidy)– anti-estrogenní aktivita

• prokázané karcinogeny (IARC-třída 1A) – alkylační činidla - Busulphan, Chlorambucil, Cyklofosamid– inhibitory topoisomeráz - etoposid v kombinaci cis platinou a bleomycinem

• pravděpodobné karcinogeny (IARC -třída 2A)

– přímá interakce s DNA - cis-platina– inhibitory topoisomeráz - Doxorubicin, Etoposid, Teniposid

• potencionální karcinogeny (IARC -třída 2B)– přímá interakce s DNA - Bleomycin, Dakarbazin, Melfalan, Streptozocin– inhibitory topoisomeráz - Amsakrin

Cytostatika• běžně používáno přes 50 účinných látek - aplikace ze 75 % v ambulantním

režimu, zbytek během hospitalizace v nemocnici, stoupá podíl domácích aplikací

• obvyklá koncentrace v povrchových vodách < 1 ng.L-1, v nemocničních odpadních vodách nárazově koncentrace jednotlivých látek > 50 g.L-1 - výrazné kolísání během dne, vysoká koncentrace aktivních metabolitů

• obecně nízká biodegradace všech skupin cytostatik, malá adsorpce na aktivovaný kal, průchod ČOV beze změny - spolu s antibiotiky negativní vliv na biotu ČOV (synergický efekt)

• Zounková et al., 2007– cytostatika - cyklofosfamid, 5-fluorouracil, cisplatina, etoposid a

doxorubicin– organismy - bakterie Pseudomonas putida (destruent), korýš

Daphnia magna (konzument) a řasa Pseudokirchneriella subcapitata (konzument)

Cytostatika

cyklofosfamid 5-fluorouracil cis-platina

etoposid

doxorubicin

Organismus/test/látka NOEC [mg.L-1]

LOEC[mg.L-1]

EC50

[mg.L-1]Pseudomonas putida (inhibice růstu)5-FluorouracilCisplatinaCyklofosfamidDoxorubicinEtoposid

0,003 0,030 1,000 1,000200,000

0,01 0,10 >1,00 10,00250,00

0,027 (0,015 - 0,045)1,200 (1,00-1,40)

>1,00>1,00

630 (580-830)Pseudokirchneriella subcapitata (inh. růstu)5-FluorouracilCisplatinaCyklofosfamidDoxorubicinEtoposid

0,001 0,100250,000 1,000 <10,000

0,01 1,00500,00 10,00 10,00

0,11 (0,03-0,30)2,3 (1,7-2,9)

930 (700-1100)13 (12-17)

250 (120-460)

Daphnia magna (imobilizace)5-FluorouracilCisplatinaCyklofosfamidDoxorubicinEtoposid

1,000 0,200 1,000 0,010 10,000

10,00 0,50 >1,00 0,10 30,00

36 (12-70)0,64 (0,4-0,85)

1,002,0 (0,52-4,8)

30 (16 -40)Zounková et al., Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 26, No. 10, pp. 2208–2214, 2007

Zounková et al., Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 26, No. 10, pp. 2208–2214, 2007

Antibiotika• v EU spotřeba okolo 10 000 t ročně (FEDESA, 1997)

– 5 000 t veterinární medicína (3 500 t profylaxe a terapie, 1 500 podpora růstu)– 5 000 t humánní medicína

• nebezpečí vývoje rezistentních kmenů v biologických filmech (odpadní roury, aktivovaný kal v ČOV)

• nízká biodegradabilita některých AB (chinolony, nitroimidazoly, sulfonamidy)

– v ČOV upřednostněna absorpce na částicích aktivovaného kalu před biodegradací (Ciprofloxacin)

– fotolýza jako hlavní způsob degradace (Fluorchinolony)

• dlouhé biologické poločasy ve vodním prostředí - laktámy 200 dní– tetracykliny 300 – 500 dní

Antibiotika• hnojení kalem z ČOV s obsahem antibiotik

– negativní vliv na nitrifikační bakterie– snížení produkce plodin, bioakumulace v plodinách

• inhibice růstu fotosyntetizujících organismů ve vodách– inhibice růstu zelených řas Selenastrum capricornutum - EC50

(erithromycin) = 37 g.L-1, EC50 (dihydrostreptomycin) = 110 g.L-1, EC50 (oxytetracycline) = 340 g.L-1, EC50 (tylosin) = 410 g.L-1

– EC50 (sulfonamidy) = 1,5 - 2,3 mg.L-1, EC50 (ampicillin) > 1 000 mg.L-1 – sinice Synechocystis a okřehek inhibice růstu erythromycinem 1-1 000

g.L-1)– synergické efekty - sulfamethoxazol a trimethoprim

• další účinky na vodní organismy– Neomycin - vliv na reprodukci a přežití Dafnia magma EC50 = 0,09 - 0,74 g.L-1

Těžké kovy• koncentrace Pt, Hg a Gd v odpadních vodách z nemocnic mohou být vyšší než

v komunálních odpadních vodách• Platina

– cis – platina a karboplatina (cytostatika)– zubní laboratoře – efektivní sběr odpadů

• Rtuť– diagnostické látky (Thiomersal)– desinfekce (Merbromin, Nitromersol) – diuretika (mercorophylin)– teploměry - pokles

• Kovy vzácných zemin (gadolinium, indium, osmium)– organokovové Gd – magnetická rezonance (MRI)– v nemocničních odp. vodách 1 – 100 ug/l (přirozené pozadí – 0,001 ug/l)– kontrastní media s Gd – nebiodegradabilní– Gd3+ - apoptóza makrofágů, poškození hepatocytů

Dezinfekční prostředky

• kvartérní amonné soli – kationaktivní baktericidy

– spotřeba 777 t Belgie, 21 450 t Francie, 28 892 t UK (1997) – úroveň v nemocničních odpadních vodách - jednotky mg/l– úroveň na výtoku z komunálních ČOV – setiny až desetiny mg/l– poškození vodních mikroorganismů v nízkých koncentracích– benzalkonium chlorid IC50 (aktivovaný kal) = 10 mg/l– inhibiční efekt na denitrifikační bakterie už při 1 – 2 mg/l– vznik rezistentních kmenů

(Eko) toxikologie komplexních směsíopakovaná expozice stopovým množstvím látek pod prahem účinku• potenciál aditivního účinku u látek se stejným mechanismem účinku • potenciál synergického účinku• hormeze – protektivní účinek podprahových koncentrací způsobený aktivací obranných mechanismů• toxickou látkou indukovaná ztráta tolerance• znalostní vakuum o toxických účincích ultra-stopových koncentrací – vliv detekčního limitu analytických metod• znalostní vakuum o účincích léků na necílové receptory (organismy) – biochemické mechanismy studovány zejména pro terapeutický účinek• rozdílná citlivost organismů

• pseudo-perzistence léčiv– kontinuální tok léčiv a jejich metabolitů do ŽP

způsobuje jejich přetrvávání v ŽP i v případě že mají krátký poločas degradace