Transcript 5,6 Mb - miloslav . pouzar

Rezidua léčiv v životním
prostředí III
(Ekotoxické účinky vybraných lékových skupin)
Miloslav Pouzar
Ekologie zdravotnických pracovišť P899
Analgetika a NSAID
-blokátory
Látky snižující krevní tuky
Neuroaktivní látky (antiepileptika, antidepresiva)
Upravená odpadní voda
Antineoplastika,
protinádorové léky
Povrchová voda
K. Fent et al. / Aquatic Toxicology 76 (2006) 122–159
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%
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
Daphnia magna
Analgetika a NSAID – akutní toxicita
K. Fent et al. / Aquatic
Toxicology 76 (2006)
122–159
K. Fent et al. / Aquatic
Toxicology 76 (2006)
122–159
Analgetika a NSAID –
chronická toxicita
Nesteroidní protizánětlivé léky
Diclofenac
•
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
DICLOFENAC
Pstruh duhový
Nesteroidní protizánětlivé léky
Diclofenac
•
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
•
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
Sup bengálský
Supí restaurace
Nesteroidní protizánětlivé léky
Ibuprofen
•
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 menší
Ibuprofen
Nesteroidní protizánětlivé léky
Acetaminofen – 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 biocidy
Léčivo
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
-blokátory
Organismus
test
bakterie
(Vibrium fishery)
zelená řasa
(Scenedasmus
subspicatus)
zelená řasa
(Ps. subcapitata)
korýš
(Daphnia magna)
korýš
(Ceriodaphnia
dubia)
ryba
(Medaka
japonská)
bioluminiscence
60 min
růst
24h
3 dny
inhibice růstu
96h
mortalita
48h
inhibice mobility
48h
mortalita
48h
propranolol
atenolol
metoprolol
EC50 [mg/L] EC50 [mg/L] EC50 [mg/L]
nadolol
EC50
[mg/L]
81
130
144
4,1
0,73
1335
620
40
7,9
7,7 a 1,6
313 a 200
438 a 64
>100
1,5 a 0,85
33,4
45,3 a 8,8
163,4
7,4
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 4117ng.L-1, v povrchové vodě 1 ng. L-1
Paleomonetes pugio
Nitocra spinipes
Látky snižující obsah krevních tuků
Statiny
Atorvastatin
Simvastatin
Lovastatin
Látky snižující obsah krevních tuků
Fibráty
•
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
Fibráty
Organismus
test
bakterie
(Vibrium fishery)
korýš
(Daphnia magna)
korýš
(Artemia parthenogenetica)
bioluminiscence
30 min
mortalita
24h
mortalita
48h
zelená řasa
(Tetraselmis chuii)
ryba
(Gambusia holbruki)
inhibice růstu
96h
mortalita
96h
S.K. Khetan et al. / Chem. Rev. 107
(2007) 2319–2364
Klofibrát
Kyselina
klofibrová
-
IC50 = 91,8 mg.L-1
EC50 = 28,2 mg.L-1
-
LC50 = 36,6 mg.L-1
LC50 = 87,2 mg.L-1
IC50 = 39,7 mg.L-1
IC50 = 318,2 mg.L-1
LC50 = 7,7 mg.L-1
LC50 = 526,5 mg.L-1
Látky snižující obsah krevních tuků
Fibráty
•
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
Střevle americká
•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.L1 vyvolávají snížení pohyblivosti, vysoké koncentrace (1
g.L-1 - 1 mg.L-1) bez efektu (?)
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
Živorodka komáří
– 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
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
látky ovlivňující CNS - snížení neuronální aktivity
• blokáda napěťově řízených iontových kanálů pro Na – karbamazepin
• zvýšení inhibičního účinku GABA - benzodiazepiny
Karbamazepin
•
karcinogen pro myši, u savců neprokázána
mutagenní aktivita
•
LC50 (Danio rerio) = 43 g.L-1, EC50 (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
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
cis-platina
5-fluorouracil
etoposid
doxorubicin
Organismus/test/látka
Pseudomonas putida (inhibice růstu)
5-Fluorouracil
Cisplatina
Cyklofosfamid
Doxorubicin
Etoposid
Pseudokirchneriella subcapitata (inh. růstu)
5-Fluorouracil
Cisplatina
Cyklofosfamid
Doxorubicin
Etoposid
Daphnia magna (imobilizace)
5-Fluorouracil
Cisplatina
Cyklofosfamid
Doxorubicin
Etoposid
NOEC
[mg.L-1]
LOEC
[mg.L-1]
EC50
[mg.L-1]
0,003
0,030
1,000
1,000
200,000
0,01
0,10
>1,00
10,00
250,00
0,027 (0,015 - 0,045)
1,200 (1,00-1,40)
>1,00
>1,00
630 (580-830)
0,001
0,100
250,000
1,000
<10,000
0,01
1,00
500,00
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)
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)
1,00
2,0 (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 směsí
opakovaná 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