1
Neurotoxické látky v povrchových vodách
ÚVOD
Toxické látky se v přírodě nachází zcela běžně, ať už se jedná o látky přírodní, nebo
vyrobené člověkem. Toxiny, které ovlivňují nervovou soustavu se označují jako neurotoxiny.
Jedná se o širokou skupinu toxinů, které se liší mechanizmem účinku. Některé působí akutní
neurotoxicitu, jiné zase chronickou (1).
Neurotoxicita může být definována jako nepříznivý efekt chemických, biologických a
fyzikálních činitelů na centrální nebo periferní nervovou soustavu. Neurotoxicitu způsobuje
několik látek, které se do prostředí dostávají lidskou činností, jako například těžké kovy,
průmyslové chemikálie, rozpouštědla, nebo pesticidy (2).
Neurotoxicky působí ale i přírodní látky, které se v prostředí běžně vyskytují.
Nejrozšířenějšími jsou cyanotoxiny produkované cyanobakteriemi (sinicemi).
PŘÍRODNÍ NEUROTOXICKÉ LÁTKY
Obecné mechanismy neurotoxicity cyanobakterií
Problémy se zdravím akvatických organismů jsou s největší pravděpodobností
spojeny s chronickou expozicí rozlišným koncentracím různých toxinů produkovanými
cyanobakteriemi, a to jak pitím kontaminované vody, tak konzumací kontaminované potravy
(např. ryby a měkkýši). Kromě jater, které jsou běžným cílem mnohých toxinů, postihují
cyanotoxiny i jiné orgány. V poslední době byla věnována pozornost nepříznivým efektům
cyanotoxinů na nervovou soustavu živočichů. Nervová soustava je primárním cílem pro
toxiny, které jsou schopny výrazně narušit funkčnost celého organismu. Běžným
mechanizmem toxicity je blokování sodných a draselných kanálů, které brání přenosu
nervového vzruchu a inhibice acetylcholinesterázy (3).
Do přírodních neurotoxických látek spadají cyklické peptidy, alkaloidy, lipopeptidy,
neurotoxické aminokyseliny a fosfátové estery (3).
2
Obr. 1 – Schématická reprezentace míst centrální nervové soustavy ovlivněné
cyanotoxiny (zelené kuličky) (3)
Cyklické peptidy
Microcystiny
Microcystiny jsou monocyklické heptapeptidy produkované cyanobakteriemi rodu
Planktothrix, Microcystis, Aphanizomenon, Nostoc a Anabaena (3).
Microcystiny mohou překročit hematoencefalickou bariéru přenosem polypeptidy
transportujícími organické aniony (OATPs), a tak mohou způsobit neurostrukturní a funkční
změny a změny chování různými mechanismy. Za hlavní mechanismus toxicity je považován
oxidační stres a inhibice fosfatáz (4).
Nodularin
3
Nodularin je cyklický pentapeptid (5) a je jedním z nejrozšířenějších toxinů v Baltském
moři během letních měsíců. Díky podobné struktuře jako mají microcystiny se předpokládá,
že má i podobné mechanismy toxicity (3).
Alkaloidy
Saxitoxin
Saxitoxin je cyanotoxin, který je produkovaný převážně obrněnkami a patří do širší
skupiny toxinů zvaných „Paralytic Shellfish Poisoning“ (PSP), které se akumulují hlavně
v korýších, ze kterých se dostávají do dalších organismů potravním řetězcem. Saxitoxin je
nejběžnějším a nesmrtelnějším toxinem z této skupiny (3). Blokuje činnost napěťově řízených
sodíkových kanálů, a tím brání vzniku řádného akčního potenciálu. To může vést k
nervosvalové paralýze a smrti způsobené zástavou dechu (5).
Obr. 2 – Mechanismus účinku saxitoxinu (11)
Anatoxin-a a homoanatoxin-a
Anatoxin-a a jeho homolog homoanatoxin-a jsou ve vodě vysoce rozpustné alkaloidy,
produkované druhy Anabaena, Cylindrospermum, Microcystis, Oscillatoria, Raphidiopsis,
Planktothrix a Aphanizomenon. Neurotoxický efekt anatoxinu-a byl prokázán v mnoha
studiích (3). Působí jako agonista nikotinového acetylcholinového receptoru a nevratný
inhibitor acetylcholinesterázy (5), způsobuje nadměrnou stimulaci svalových buněk
v důsledku depolarizace a desenzitizace membrány, vedoucí k paralýze nebo smrti, pokud
jsou zasaženy svaly dýchací (3).
4
Obr. 3 – Mechanismus působení Anatoxinu-a a homoanatoxinu-a (11)
Neurotoxické aminokyseliny
L-β-N-methylamino-L-alanin (BMAA)
L-β-N-methylamino-L-alanin (BMAA) je neurotoxická aminokyselina produkovaná
cyanobakteriemi původně izolovaných ze semen cykasů. Váže se na glutamátové receptory a
způsobuje neurodegenerativní onemocnění (3).
5
ANTROPOGENNÍ NEUROTOXICKÉ LÁTKY
Mezi neurotoxické látky antropogenního původu se řadí například kovy, pesticidy,
polychlorované bifenyly, bromované zpomalovače hoření, farmaka a další.
Kovy
Kovy jsou všudypřítomné a v neurobiologii hrají kritickou roli. Některé kovy, které
slouží jako živiny mají zároveň neurotoxické účinky (např. železo, zinek, měď nebo mangan).
Tyto kovy velmi účinně katalyzují redoxní reakce v biologických systémech. Mezi další
neurotoxické kovy patří například olovo, kadmium a arsen, které mohou také vyvolat
oxidační toxicitu, ale spíše se váží na proteiny a narušují jejich funkci a transport kovů (6).
Rtuť
Rtuť se do prostředí dostává jak přírodními aktivitami (jako například sopečnou
činností nebo lesními požáry) tak lidskou činností (např. spalování uhlí, výroba chemikálií,
těžba). V prostředí se může přenášet na velké vzdálenosti. Při depozici rtuti do povrchových
vod se mění na methyl-rtuť a dostává se do potravního řetězce, kde dochází k bioakumulaci
(7). Rtuť může narušit průběh buněčného cyklu a/nebo způsobit apoptózu. Neurotoxicita rtuti
je zprostředkovaná reaktivními formami kyslíku a mění aktivitu Na+ a K+ ATPázy a funkčnost
mitochondrií (8).
Pesticidy
Kontaminace povrchových vod pesticidy je globálním problémem. Pesticidy se
mohou do vod dostávat například splachy, suchou i mokrou depozicí nebo loužením z půd
(PvPV). Působení pesticidů často zahrnuje neurotoxický efekt. Organofosfátové pesticidy
mohou způsobit akutní, chronickou i vývojovou toxicitu. Organofosfátové složky působí jako
inhibitor acetylcholinesterázy (9).
Chlorpyrifos je nejvíce studovaným organofosfátem. Ukázalo se, že narušuje základní
funkčnost buňky, která zajišťuje zrání, a aktivitu synapsí (9).
6
Polychlorované bifenyly a bromované zpomalovače hoření
Polychlorované bifenyly (PCBs) a bromované zpomalovače hoření (BFRs) ukázaly
v behaviorálních testech na zvířatech, že můžou ovlivnit učení, paměť a jemné motorické
funkce. Nejvíce náchylná jsou zvířata během raného vývoje. Některé studie ukázaly, že PCBs
a BFRs mohou způsobovat podobné účinky i u lidí. Obzvláště znepokojující jsou možné efekty
PCBs a BFRs ve směsích obsahujících methyl-rtuť. PCBs můžou ovlivňovat hladinu dopaminu
a serotoninu v mozku, hladinu vápníku uvnitř buněk a způsobovat tvorbu reaktivních forem
kyslíku. Neuroendokrinní funkce mohou být také citlivé k narušení PCBs a BFRs (10).
Farmaka
Farmaka jsou obsáhlou skupinou chemikálií, které jsou ve velké míře kontinuálně
vypouštěny do vod, především odpady z domácností (12). Dalšími zdroji farmak jsou odtoky z
farmaceutického průmyslu, nemocnic, a významná je také kontaminace veterinárními léčivy
z chovných zařízení. Čistírny odpadních nedokáží léčiva účinně odbourat, a tak dochází
k jejich vypouštění do vod (13).
Nejběžnějšími farmaky ve vodách jsou analgetika, antibiotika, antiepileptika, βblokátory
a regulátory lipidů (14). Některá farmaka mají schopnost negativně ovlivňovat
ekosystémy v pouhých nanogramech na litr. Sem patří například tricyklická antidepresiva,
používaná k léčbě deprese a psychických poruch. Působí jako inhibitory neurotransmiterů
noradrenalinu nebo serotoninu v centrální nervové soustavě. Tyto léky jsou široce
používané, především v rozvojových zemích, a do vodního prostředí se dostávají hlavně
lidskou exkrecí (15).
V dnešní době se zvyšuje výskyt psychických onemocnění, což vede k většímu
množství předepisovaných psychofarmak, zejména antidepresiv. Mezi nejvíce užívané na
světě patří antidepresiva typu SSRI (selektivní inhibitory zpětného vychytávání serotoninu).
Ty napodobují funkci neurotransmiteru serotoninu, který reguluje celou řadu fyziologických
systémů u ryb, měkkýšů a prvoků, a i ve stopových množstvích mají mimořádné účinky na
tyto i další vodní organismy, jako např. změny biologické aktivity, redukce reprodukce,
abnormality při vývoji plodu, opoždění fyziologického vývoje a sexuálního dospívání (16).
7
V dalších studiích byl také zjištěn vliv kofeinu a ibuprofenu na redukci
cholinesterázové aktivity u mlžů (17), Fluoxetinu (Prozac) na serotonin u Danio rerio (18) a
Paracetamolu na inhibici aktivity monoaminooxidázy a cholinesterázy u Dugesia japonica a
Neocaridina denticulata (19).
ZÁVĚR
V dnešní době je kontaminace povrchových vod celosvětovým problémem, ať už se
jedná o znečištění přírodními látkami, nebo lidskou činností. Spousta látek působí toxicky, a
negativně tak ovlivňuje jak organismy ve vodě žijící, tak jejich konzumenty (včetně lidí).
Látky působící neurotoxicky ovlivňují nervovou soustavu, a různými mechanismy
působí škodlivé efekty od změny chování až po smrt živočichů. Některé látky jsou
prostudované a je u nich zaznamenán mechanismus účinku, ale spousta látek je ještě
potřeba prozkoumat a podrobit experimentům, aby se ověřili možnosti negativního vlivu a
především synergistické účinky působení ve směsích.
8
Zdroje:
(1) http://www.gate2biotech.cz/kde-cihaji-neurotoxiny/
(2) Costa, L. G. et al., 2008. Neurotoxicity of pesticides: a brief review. , 13, 1240-1249
(3) Florczyk, M. et al., 2014. Neurotoxicity of cyanobacterial toxins. , 10(1), 26-43
(4) Hu, Y. et al., 2016. A review of neurotoxicity of microcystins. , 23, 7211-7219
(5) Aráoz, R. et al., 2010. Neurotoxic cyanobacterial toxins. Toxicon, 56(5), 813-828
(6) Wright, R. O. et Baccarelli, A., 2007. Metals and Neurotoxicology. , 137, 2809-2813
(7) Ceccatelli, S. et al., 2013. Long-lasting neurotoxic effects of exposure to
methylmercury during development. , 273, 490-497
(8) Moneim, A. E. A., 2015. Mercury-induced neurotoxicity and neuroprotective effects
of berberine. , 10(6), 881-882
(9) https://www.intechopen.com/books/pesticides-in-the-modern-world-effects-of-
pesticides-exposure/chronic-exposure-to-pesticides-neurological-neurobehavioral-
and-molecular-targets-of-neurotoxicity
(10) Fonnum, F. et Mariussen, E., 2009. Mechanisms involved in the neurotoxic
effects of environmental toxicants such as polychlorinated biphenyls and brominated
flame retardants. , 111, 1327-1347
(11) Valério, E. et al., 2010. Diversity and Impact of Prokaryotic Toxins on Aquatic
Environments: A Review. , 2, 2359-2410.
(12) Fabri, E. et Franzellitti, S., 2015. Human pharmaceuticals in the marine
environment: focus on exposure and biological effexts in animal species. , 35(4), 799-
812
(13) Obimakinde, S. et al., 2016. Veterinary pharmaceuticals in aqueous systems
and associated effects: an update. 24, 3274-3297
(14) Rhee, J.-S. et al., 2013. Effect of pharmaceuticals exposure on
acetylcholinesterase (AchE) activity and on the expression of AchE gene in the
monogonont rotifer, Brachionus koreanus. , 216-224
(15) Ziarrusta, H. et al., 2015. Determination of tricyclic antidepressants in biota
tissue and environmental waters by liquid chromatography-tandem mass
spektrometry. , 408, 1205-1216
9
(16) Silva, L. J.G. et al., 2014. A one-year follow-up analysis of antidepressants in
Portuguese wastewaters: Occurence and fate, seasonal influence, and risk
assesment. , 490, 279-287
(17) Aguirre-Martinéz, G. V. et al., 2016. General stress, detoxification pathways,
neurotoxicity and genotoxicity evaluated in Ruditapes philippinarum exposed to
human pharmaceuticals. , 124, 18-31
(18) Airhart, M. J. et al., 2007. Movement disorders and neurochemical changes in
zebrafish larvae after bath exposure to fluoxetine (PROZAC). , 29, 652-664
(19) Wu, J.-P. et Li, M.-H., 2015. Inhibitory effects of pain relief drugs on
neurological enzymes: Implications on their potential neurotoxicity to aquatic
animals. , 39, 898-905