Úvod
Povrchové vody jsou hlavním zdrojem vody pro zavlažování a zásobárnami pitné vody.
Znečištěním těchto vod může docházet k nepříznivým vlivům na jendotlivé organismy vedoucí
k modulaci ekosystému. I přes stále rostoucí rozvoj čistírenských technologií, se objevují látky, které
procházejí čistírnami ve stopovém množství. Mezi tyto látky patří například hormony, léčiva a
antibiotika, které působí již při nízkých koncentracích, a které mohou negativně ovlivňovat cílové
orgány organizmů, jako je imunitní systém.
Imunitní systém
Do imunitního sytému (I.S.) řadíme molekuly, buňky, tkáně a orgány podílející se na imunitě
organismu. Kromě imunity se tyto složky podílejí na procesu regenerace a hojení. Imunitu poté
rozdělujeme na specifickou a nespecifickou.
Nespecifická imunita je jednoduší a nalezneme ji v různých formách u všech organismů
vodního ekosystému. Řadíme zde anatomické bariéry (membrány), bariéry fyziologické (pH, teplota),
bariéry mechanické (řasinky), ale také fagocytující buňky (makrofágy),vpřirozené zabíječe (NK) a
všechny komponenty zánětu. Tato imunita je vrozená a imunitní odpověd probíhá v rozsahu hodin.
Specifická imunita, neboli adaptivní je získáná na základě již proběhlích imunitních odpovědí,
které jsou poté zafixovány imunitním systémem do imunitní paměti. Imunitní odpověď zde trvá až
týdny a probíhá pomocí specifických antigenů, diverzitě membránových receptorů, které pomáhají
rozpoznat vlastní a cizí komponenta organismu. Hlavními buňkami podílejícími se na specifické
imunitě jsou lymfocity.
Molekulární regulace imunitní odpovědi
Látka vyvolávající imunitní odpověď se nazývá antigen. Antigen je označována látka se
specifickou 3D strukturou, která je schopná insterakce s protilátkou. Protilátkou je označována
specifická molekula určitého tvaru obsahující jeden čí více receptorů na svém konci.
Mezi další komponenty I.S. se dále řadí receptory, adhezivní molekuly, cytokiny, nebo
glykoproteiny, které aktivují, modulují, nebo urychlují buněčnou odpověd na daný patogen.
Buněčná regulace imunitní odpovědi
Do buněčné imunitní reakce se zapojují jak buňky lymfatické řady, tak i řady myeloidní (obr.
2). Do lymfatické řady řadíme lymfocyty. Ty rozdělujeme na velké granulární lymfocyty (NK), B-buňky
produkující protilátky a T-buňky, které dělíme na cytotoxické a pomocné podílející se na aktivaci
tkánových makrofágu, tak i na podpoře B-buněk produkujících protilátky. Myeloidní řada je poté
zodpovědná za vývoj erytrocytů, destiček podílejících se na hojení a granulocytů (bazofylů,
neutrofylů, eozinofylů), které jsou zodpovědné za destrukci různých forem antigenů. Do myeloidní
řady patří také monocyty, které dávají vzniku tkánovým makrofágům a dendritickým buňkám, které
jsou zodpovědné za přenos antigenního signálu a zpuštění tak příslušné kaskády.
Orgány imunitního systému
Lymfatické orgány rozdělujeme dle jejich funkce na primární, kde probíhá vývoj a zrání
lymfocytů. V kostní dřeni se vyvíjí B-buňky a v brzlíku T-buňky. V sekundárních orgánech poté
dochází k setkání s patogenem. Zde jsou zapojeny lymfatické uzliny, mukózní imunitní systém a
slezina.
Imunitní systém vybraných vodních organismů
Imunitní systém bezobratlých
Vnější bariéry bezobratlých jako je exoskelet, ulita či sliz jsou základními bariérami vstupu
patogenu do organismu. Buněčná imunita je po vniku patogenu zajišťována krevními buňkami
nazývanými imunocyty a hemocyty. Hemocyty se podílejí na regulaci výdeje vody a podílejí se na
obraně organismu před vstupem cizorodých látek. Hemocyty se také podílejí na hojení ran,
enkapsulaci, nodulaci a hlavně fagocytoze. Na odstranění patogenů se také podílejí složky humorální,
jako jsou enzymy lysiny uložené v lysozomech, či aglutiny zapojující se do koagulace hemocytů.
Imunitní systém ryb
Imunitní systém ryb se může zdát z pohledu adaptivní imunity teplokrevných živočichů méně
pokročilý, je však dostatečně funkční a plastický, aby umožnil rybám adaptivní radiaci do všech
vodních prostředí obsazených ohromným množstvím chemických látek a patogenů. Ryby nemají
kostní dřeň a lymfatické uzliny. Hlavními lymfatickými orgány jsou u kostnatých ryb brzlík, ledviny a
slezina. Velké množství lymfatických buněk se rovněž nachází ve sliznici střeva.
Imunitní systém obojživelníků
Primárními lymfatickými orgány obojživelníků jsou hlavně brzlík (vývoj T- lymfocytů) a slezina
(vývoj B-lymfocytů, u některých bezocasých v dospělosti i kostní dřeň). Oba orgány jsou složením a
funkcí velmi podobné orgánům ostatních obratlovců včetně savců. Sekundárními lymfatickými
orgány pak jsou slezina, GALT a četné lymfopoeticky aktivní oblasti v ledvinách, játrech, mezenteriu,
žábrech a kůži.
Imunotoxicita a její účinek na organismus
Imunotoxicitou se označuje narušení rovnováhy fungování IS pomocí imunotoxinů.
Imunotoxinem může být syntetická, nebo přírodní látka, která je do vod bodově vyplavována nebo je
vyloučená z živých organismů při metabolických pochodech. Příčinou imunotoxicity může být
genetická fixace nebo vliv prostředí zahrnující i vlivy chemických látek, které vedou
k imunomodulacím jako je porušení protiinfekční a protinádorové ochrany, neschopnost reagovat na
vakcíny, či modulace imunopatologie (autoimunity, hypersensitivity). Imunomodulační faktory poté
mohou působit přímo na buňky I.S., nebo na buňky spojené s neuroendokrinním řízením modulující
imunitní systém.
Imunotoxicitu můžeme poté rozdělit na primární a sekundární. Primární imunotoxicita je
způsobena genetickou fixací a mezi její projevy patří dědičné deficity B-buněk a produkce protilátek,
či funkční poruchy T-buněk. Sekundární imunotoxicita je dána řadou faktorů během života. Řadíme
zde metabolismus a výživu, záření (včetně slunečního), věk, ale také poranění a chronické infekce.
Velkou část poté tvoří chemické látky a stres spojený s modulací hormonálního řízení.
V imunotoxikologii také platí základní princip toxikologie: „Každá látka je toxická - o toxicitě
rozhoduje jen dávka“. Cizorodá látka vstupuje do těla, kde prodělává řadu dějů, které ovlivňují
výslednou „dávku“. Toxikokinetikou se poté rozumí příjem, distribuce, metabolismus, vylučování
látky v organismu a závisí na povaze látek. Toxikodynamika popisuje mechanismy interakce látek
s cílovými místy. Takovým cílovým místem může být jakákoliv biologicky významná molekula, jako je
receptor, protein, NK nebo fosfolipid v buněčných membránách.
V imunotoxikologii neexistuje jeden jednoduchý mechanismus ovlivnění I.S. a zpravidla se
uplatňuje více různých procesů, kterými chemické látky působí na I.S. Po vystavení organismu
účinnou chemickou látkou může dojít k:
• Prostorovým změnám molekul (proteinů), kdy může dojít ke změně povrchu
s receptory a vystavenými antigeny →ovlivnění funkcí APC (antigen prezentujících
buněk) a lymfocytů a vyvolání tak autoimunitních reakcí
• K modulacím na molekulární a enzymové úrovni jako je narušení výkonných funkcí
enzymů či narušení syntézy DNA, nebo proteinů. Může také docházet k ovlivnění
signálních drah a molekul (receptory, cAMP, Ca2+
) a narušení membránové
signalizace a celkové homeostázy organismu
• Nepřímé modulace systémů, které řídí a souvisí s neurohormonální regulací
Imunotoxické látky vodního prostředí
Zdroje:
Imunotoxiny se dají rozdělit podle povahy na přírodní, jako jsou některé složky buněčných těl
sinic a syntetické, které jsou do povrchových vod vyplavovány jako sekundární produkty lidské
spotřeby a průmyslu. Zejména se jedná o látky používané jako léčiva, či doplňky stravy modulující
imunitní systém, mezi takové řadíme například kortizol, beta-glukany, retinoidy, antineoplastika a
různá antibiotika (kyselina oxolinová), která jsou do vod transportována odpadními vodami. Často se
jedná pseudoperzistetní látky, které jsou do vod přinášena v malých množstvích, ovlivňující
hormonální a imunitní systém organismů chronicky.
Dalšími významnými imunotoxickými látkami jsou pesticidy a insekticidy, které jsou
používány ve velkém množství na rozsáhlých plochách. Mezi nejznámější řadíme chlorované
pesticidy, jako jsou pentachlorfenoly, antraziny, hexachlorbenzen a organofosfáty jako je malathion,
glyfosfát,či jejich sloučeniny (trichlorfon).
Kromě splavení pesticidů prudkými dešti můžou být zdrojem znečištění také různé havárie a
náhlý únik užívaných pesticidů. Mezi jejich hlavní negativní účinky patří narušení hormonální
rovnováhy organismu, které je spojeno s odpovědí imunitního systému. Při nadměrnému používaní
může také dojít ke vzniku rezistence cílových organismů a také k akumulaci metabolitů u necílových
organismů. Ty mohou být přeměněny při metabolických pochodech na látky toxické a přímo působit
na tkáně imunitního systému.
Průmyslové látky a těžké kovy působí bodově v místech úniku, či kontaminace, avšak jejich
průnik do povrchových vod není tak častý. Zejména se jedná o některé persistentní organochlorové
látky a polycyklické aromatické uhlovodíky vznikající při nedokonalém spalování a poté atmosférickou
depozicí mohou pronikat do vodních systémů anebo polychlorované bifenyly, které se přidávaly do
ochranných nátěrů a barev. Také některé těžké kovy jako je kadmium, rtuť, olovo negativně působí
na imunitní systém. Možná kontaminace vod poté může probíhat korozí materiálů, ve kterých se
dané kovy vyskytují, nebo bodovým únikem z průmyslových továren.
Osud:
Transformace jednotlivých látek závisí na složkách životního prostředí, kde dochází k
degradaci látek působením fyzikálních, chemických i biologických vlivů a také na chemické povaze
látek. Ve vodním prostředí dochází především k hydrolýze hydrofilních a polárních látek a dochází
tak k jejich rozkladu a eliminaci. Další reakcí, které podléhají chemické látky ve vodě je fotolýza.
Fotolýza probíhá za přítomnosti slunečního záření a je spojena s termickým rozkladem. Eliminace
látek ve vodním prostředí také probíhá ukládáním některých lipofilních látek v biotě, či
v sedimentech. Organické pesticidy mohou také vstupovat do metabolických dějů mikrobiální buňky,
kde podléhají degradaci a následně jsou využity jako zdroje organických látek.
Například některá farmaka mohou být vylučována v nepozměněných aktivních formách
z hospodářských zvířat a z míst velké lidské spotřeby jako jsou nemocniční komplexy. Ty poté
pronikají do povrchových vod dešťovým splavem, nebo prochází přes čističky odpadních vod.
Problémem těchto látek je, že obsahují vysoce aktivní látky, které mohou vyvolat imunitní reakci již
při nízké dávce i přes jejich poměrně dobrou vodní degradaci.
Působení vybraných chemických skupin látek:
POPs patří mezi nejvýznamnější organické kontaminanty ŽP. Jedná se o heterogenní skupinu
látek odolávající degradaci, patří mezi látky persistentní v prostředí a jsou schopné bioakumulace.
Mezi nejrozšířenější poté řadíme polychlorované dibenzo-p-dioxiny a polychlorované dibenzofurany
(PCDD/Fs), které jsou vedlejší produkty spalování a polychlorované bifenyly (PCBs) používané jako
průmyslové chemikálie.
Některé POPs jsou schopné vazby na AhR (Arylhydrokarbonový receptor), který je
receptorem pro aromatické uhlovodíky, který je příbuzný ostatním „nukleárním“ receptorům sloužící
jako transkripční faktory (receptory pro nízkomolekulární hormony jako jsou ER, AR, ThR, RAR/RXR).
Jeho přirozenou funkci v organismu je reakce na toxické látky syntézou detoxikačních enzymů
(CYP450).
Aktivací AhR přítomností některých PCDD/Fs, PCBs může dojít k různým vedlejším toxickým
účinkům, jako je karcinogenita či imunotoxicita. AhR je také exprimován ve vysokých koncentracích
v játrech, kde se podílí na detoxifikaci, ale také v brzlíku. Působením PCDD/Fs a PCBs v prenatálním
období může docházet k prenatální atrofii thymu, kdy dochází k inhibici vývoje brzlíku a nemožnosti
dozrání T-lymfocytů. Endokrinní systém je poté také ovlivněn Cross-talkem mezi receptory (AhR vs.
ER).
Xenoestrogeny jsou látky schopné aktivace estrogenního receptoru (ER). Tyto syntetické
látky jsou součástí antikoncepce, ale také látek syntetizovaných za jiným účelem jako jsou pesticidy,
či detergenty.
Xenoestrogeny působí řadou mechanismů závislých na ER a může docházet k atrofii brzlíku a
kostní dřeně. Kromě toho dochází k inhibici odstiňování autoreaktivních buněk ve slezině a játrech a
dochází tak k autoimunitním reakcím vedoucích k zánětům.
PAHs vznikají při hoření a spalování. Jsou přítomné například v dehtu a jsou velmi
heterogenní skupinou. Některé efekty PAHs mají podobnou planární strukturu s PCBs a PCDD/Fs
avšak jsou méně persistentní a degradovatelné. I jejich toxicita je vázaná na AhR, ale také působí
selektivní toxicitou pro makrofágy. Po fagocytóze dochází k řadě oxidačních reakcí a při vzplanutí
dochází k aktivaci, oxidaci a následnému vytvoření jejich toxických derivátů. Známá je také jejich
karcinogenita po metabolické aktivaci, kdy dochází ke vzniku reaktivních epoxidů.
Olovo je významné svoji toxicitou pro ledviny - nefrotoxicitou, CNS a negativním vlivem na
hematopoézu. Po vystavení organismu dochází ke snížení celkových hladin protilátek, snížení aktivity
komplementu a následnou neschopností lyzovat imunokomplexy, které vedou k poškození ledvin.
Kromě nefrotoxicity olovo také narušuje degradaci starých MHCII receptorů na B-buňkách, což vede
k silné imunitní odpovědi a následnému zánětu. Pb také negativně ovlivňuje signální transdukci (Ca2+
/ cAMP / proteinkináza C).
Arsen je častým kontaminantem ŽP (půda, voda, potrava). Jeho více sytné kationty (As3+
i
As5+
) jsou schopné interkalace do DNA a vyvolávají tak genotoxicitu. Po expozici As dochází ke vzrůstu
mortality u řady infekcí a vzrůstu incidence nádorů. Arsen je také spojován s přímou inhibicí NK a
cytotoxických leukocytů. Po jeho expozici je také sledováno ovlivnění signálování kortikoidů a
narušení hormonální rovnováhy organismu.
Rtuť působí na vodní organismy jak akutně, kdy dochází k poškození dýchacích cest, tak i
chronicky poškozením CNS a poškozením ledvin ukládáním imunokomplexů vyvolávající autoimunitní
reakce. Po jeho expozici dochází k silné indukci B-buněk a následné klonální proliferaci vedoucí
k zvýšení hladiny Ig (IgE a IgG) a následnou autoimunitní reakci vedoucí k zánětu.
Pesticidy jsou velmi heterogenní skupina látek s různými chemickými vlastnostmi a toxicitou.
Také se řadí mezi nejvýznamnější imunotoxické látky, a to převážně organochlorové pesticidy. Ty jsou
velmi nebezpečné zejména svou persistencí a bioakumulací. Jejich expozice je spojována se zvýšenou
hepatotoxicitou a neurotoxicitou a také se vzrůstem dětských nádorů. Nejvýznamnější efekty na
imunitní systém byly pozorovány u makrofágů, kdy docházelo k inhibici fagocytózy a produkci NO,
nebo k endokrinním modulacím, které ovlivnily i I.S.
Retinoidy jsou přírodní i syntetické látky, jejichž biologická aktivita je esenciální pro
embryonální vývoj a udržení homeostázy organismu. Jejich efekt na I.S. je stimulující,kdy dochází
k stimulaci T-buněk a zvýšené humorální odpovědi.
Metody hodnocení imunotoxicity
Při měření imunotoxicity látek se využívá hojné zastoupení imunologických metod. Pro akutní
a specifickou imunitu se požívá aplikace imunotoxinu a následné sledování funkční odpovědi na
specifické antigeny. Při testu chronické toxicity po aplikaci xenobiotika sledujeme vliv na obecné a
základní vlastnosti I.S.
• Hematologie a buněčnost - celkové počty krevních buněk/ml, počty leukocytů, lymfocytů
• Množství a třídy protilátek - ELISA proti Fc fragmentům IgG, IgM, IgE
• Hodnocení histologie
1) Stanovení produkce protilátek
2) Stanovení proliferační odpovědi B-lymfocytů
3) Hodnocení „oxidativního vzplanutí“ MF
4) In vitro fagocytoza (a likvidace patogena)
5) Sledování funkce NK buněk
Literatura:
Základy imunologie, Václav Hořejší, Jiřina Bartůňková, 4. Vydání, Praha
http://www.medicinapropraxi.cz/pdfs/med/2007/06/04.pdf
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19699679
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18279846
http://www.ich.org/products/guidelines/safety/safety-single/article/immunotoxicity-studies-for-
human-pharmaceuticals.html