Pavla Vejmělková 1.12.2018
1
NEUROTOXICKÉ LÁTKY V POVRCHOVÝCH VODÁCH
Úvod
Znečištění vody je jeden z největších problémů současného světa; výrazně totiž omezuje přístup
určité části lidské populace k pitné vodě. Znečištěním vodních toků a nádrží se zhoršuje kvalita
vodních ekosystémů i ekosystémů v jejich okolí. Znečištění vody lze v některých případech omezit
metodami čištění odpadních vod. Lidstvo působí na vodní zdroje ve všech směrech a znečišťuje vodní
toky, které v konečném důsledku mohou ohrozit život ve vodách i v mořích (www.zsnovestraseci-
enviro.cz).
Do ovzduší, vod a půdy vstupuje vlivem lidské činnosti asi 100 000 různých chemických sloučenin. V
atmosféře se nachází tuny nečistot, které se se srážkami vracejí na zem (www.zsnovestraseci-
enviro.cz).
Největší znečištění jsou v průmyslových oblastech, ale také v oblastech se zemědělstvím z důvodů
používání pesticidů a jiných chemických přípravků, které znečišťují vodu. Organické a anorganické
nečistoty, inertní látky, látky toxické, látky a organismy, které způsobují organoleptické
znehodnocování vody, mikroorganismy způsobující vodou sdílené choroby a paraziti, látky mutagenní
a karcinogenní, teplo sdílené oteplenými odpadními vodami a radionuklidy (www.zsnovestraseci-
enviro.cz).
Neurotoxické látky
Neurotoxicita patří k nejzávažnějším toxikologickým problémům. Mezi neurotoxické látky řadíme
sloučeniny velmi strukturálně i biochemicky odlišné. Nervový systém je složitý a propojený komplex
vysoce specializovaných buněk, které jsou značně náchylné k poškození. Poškození relativně malého
úseku nervové tkáně může být doprovázeno morfologickými a funkčními defekty (Horák a kol., 2004).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
2
Neurotoxické látky přírodního původu
Mezi neurotoxické látky ve vodě přírodního původu řadíme především sinicové neurotoxiny
(anatoxin-a, homoanatoxin, anatoxin-a(S), saxitoxin), a také neurotoxickou aminokyselinu (L-beta-Nmethylamino-L-alanin
= BMAA).
Sinicové neurotoxiny
Anatoxin-a
Anatoxin-a (ATX) je sekundární amin bicyklický alkaloid. Má strukturální, ale ne farmakologické
podobnosti s kokainem (Testai a kol., 2016).
Obrázek 1: Struktura ATX (Testai a kol., 2016)
Původ
Většina Anabaena sp., některá Aphanizomenon (A. flos-aquae, A. issatschenkoi), Cylindrospermum,
Microcystis a Planktothrix sp. a Raphidiopsis mediterranea (Testai a kol., 2016).
Mechanismus účinku
ATX účinkuje velice dobře kompeticí s acetylcholinem (ACh) (je 100krát více selektivní) na nikotinové
receptory v nervosvalových spojích a v centrálním nervovém systému (CNS). Kvůli své odolnosti vůči
hydrolýze acetylcholinesterázou (AChE) a vazbě na presynaptické neurosvalové a mozkové buněčné
terminály, ATX spouští uvolnění neurotransmiteru zvýšenou stimulací postsynaptických receptorů –
svalové buňky se stále stimulují, což způsobuje únavu, svalové cukání a paralýzu (Testai a kol., 2016).
Homoanatoxin
Homoanatoxin-a (HTX) strukturálně souvisí s analogem ATX, od kterého se liší přítomností propionylu
místo acetylové skupiny na C-2 (Testai a kol., 2016).
Obrázek 2: Struktura HTX (Testai a kol., 2016)
Původ
Oscillatoria formosa, Raphidiopsis mediterranea (Testai a kol., 2016).
Mechanismus účinku
Podobný tomu u ATX (Testai a kol., 2016).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
3
Obrázek 3: Účinek anatoxinu-a a homoanatoxinu (www.mdpi.com)
Saxitoxin
Tyto přírodní alkaloidy (STX) jsou také nazývány toxiny PSP (paralytical shellfish poisoning) a jsou
rodinou více než 57 kongenerů nebo analogů sestávající se ze skupiny tetrahydropurinu a dvou
guanidinových podjednotek (Testai a kol., 2016).
Původ
Aphanizomenon, Anabaena, Lyngbya a Cylindrospermopsis sp (Testai a kol., 2016).
Mechanismus účinku
Účinek saxitoxinu (SXT) je založen na blokaci sodíkových kanálů v nervových buňkách a vápenatých a
draslíkových kanálů v srdečních buňkách, čímž zabraňuje šíření elektrického přenosu v periferních
nervových a skeletálních nebo srdečních svalech (Testai a kol., 2016).
Obrázek 4: Účinek saxitoxinu (www.mdpi.com)
Pavla Vejmělková 1.12.2018
4
Anatoxin-a(S)
Anatoxin-a(S) (ATX-s) je fosfátový ester. Jedná se o jediný známý přírodní organofosfát (Testai a kol.,
2016).
Obrázek 5: Struktura ATX-s (Testai a kol., 2016)
Původ
Anabaena flos-aquae a A. lemmermannii (Testai a kol., 2016).
Mechanismus účinku
ATX-s působí prostřednictvím nekompetitivní ireverzibilní inhibice AChE. Blokováním hydrolýzy
neurotransmiteru ATX-s dochází k akumulaci ACh, což vede ke zvýšení dráždivosti nervů. ACh aktivita
ATX-s je omezena pouze na periferní nervový systém (PNS) (Testai a kol., 2016).
Obrázek 6: Mechanismus účinku ATX-s (www.mdpi.com)
BMAA
BMAA (L-β-N-methylamino-L-alanin) je neproteinogenní aminokyselina (není přirozeně kódovaná
nebo nalezená v genetickém kódu žádného organismu). Je to ekologicky všudypřítomný neurotoxin,
který se podílí na vývoji neurodegenerativního onemocnění. Má se za to, že je přítomná ve většině
sinic (Manolidi a kol., 2019).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
5
Obrázek 7: Struktura BMAA (Manolidi a kol., 2019)
Původ
BMAA, původně nazvaná kyselina α-amino-β-methylaminopropionová (β-methylaminoalanin), byla
izolována ze semena neuro/genotoxického cykasu Cycas micronesica v roce 1967. Na 20 let byla
zapomenutá a poté znovu nalezena a pojmenována jako L-β-N-methylamino-L-alanin (BMAA)
(Spencer a kol., 2018).
Mechanismus působení
Pravděpodobným mechanismem účinku je excitotoxicita (Manolidi a kol., 2019) – působí jako
agonista glutamátu a způsobuje nekontrolovaný přítok Ca2
+
iontů (www.en.wikipedia.org).
Toxikologické studie také ukázaly, že za určitých podmínek je BMAA nesprávně začleněna do proteinů
nervových buněk (většinou mozečku) a způsobuje nervové poškození a oxidační stres (Manolidi a
kol., 2019).
Obrázek 8: Excitotoxicita (www.en.wikipedia.org)
Neurotoxické látky antropogenního původu
Mezi neurotoxické látky ve vodě antropogenního původu můžeme zařadit organofosfáty, těžké kovy,
různá léčiva, bromované retardanty hoření či drogy.
Těžké kovy
Ačkoli málo těžkých kovů je pro lidské zdraví nezbytné, přebytek množství těchto kovů může mít
negativní účinky (Chowdhury a kol., 2016). Mezi těžké kovy řadíme např. rtuť, olovo nebo arsen.
Zdroj
Těžké kovy se uvolňují do prostředí vlivem přirozených procesů a antropogenních činností. Především
z průmyslových procesů vznikají odpady, které jsou vypouštěny do životního prostředí, např. tavení
kovů, chemické a výrobní procesy, špatně zpracovaná odpadní voda (Chowdhury a kol., 2016).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
6
Mechanismus účinku
Hg – elementární rtuť a její organické sloučeniny působí na nervový systém a způsobují problémy
jako nespavost, ztrátu paměti, emoční nestabilitu, neschopnost koordinace pohybů či bolest hlavy
(www.arnika.org).
Organofosfáty
Organofosfáty jsou organické estery kyseliny fosforečné (Naughton a kol., 2018).
Obrázek 9: Obecná struktura organofosfátů (www.cs.wikipedia.org)
Zdroj
Organofosfáty se uvolňují do prostředí vlivem antropogenních činností, mají široké uplatnění jako
pesticidy, retardanty hoření, průmyslová rozpouštědla a další (Naughton a kol., 2018).
Mechanismus účinku
Inhibují acetylcholinesterázu, která katalyzuje rozklad acetylcholinu na cholin a kyselinu octovou.
Inhibice tohoto rozkladu vede ke zvýšeným koncentracím acetylcholinu na nervových zakončeních a
dochází tak ke vzniku neustálého nervového dráždění (Horák a kol., 2004).
Obrázek 10: Účinek organofosfátů (www.alchetron.com)
Bromované retardanty hoření
Bromované retardanty hoření jsou široce používané chemikálie, které zabraňují nebo zpomalují
nástup a šíření požáru. Patří sem např. PCB nebo PBDE (Hendriks a kol., 2015). Jsou perzistentní a
akumulují se v životním prostředí (www.chemicke-listy.cz).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
7
Obrázek 11: Obecná struktura PBDE (polybromovaných difenyletherů) (www.cs.wikipedia.org)
Zdroj
Do vodních zdrojů vstupují z průmyslových, zemědělských a antropogenních zdrojů. Městský odtok,
kanalizace, čistírny odpadních vod, to vše vedlo k dramatickému poklesu kvality vody (Wang a kol.,
2018).
Mechanismus účinku
Bioaktivace PBDE (polybromované difenylethery) hydroxylací byla pozorována u několika
endokrinních endpointů. To bylo také pozorováno u mechanismů souvisejících s vývojem nervové
soustavy, včetně vazby na receptory hormonu štítné žlázy a transportních proteinů, narušení
homeostázy Ca2
+
a modulace funkce GABA a nikotinových acetylcholinových receptorů (Wang a kol.,
2018).
Léčiva
Léčiva získala zvýšenou pozornost jako environmentální polutanty až v posledních letech. Jsou
navržena tak, aby léčila nemoci zvířat a lidí (Aguirre-Martínez a kol., 2018).
Zdroj
Během léčby nejsou některé účinné složky zcela metabolizovány a jsou vyloučeny pacientem, díky
čemuž se pak dostávají do čistíren odpadních vod (ČOV). V ČOV nejsou úplně degradovány, a proto
mohou být některé části uvolněny prostřednictvím odpadní vody (Aguirre-Martínez a kol., 2018).
Mechanismus účinku
Ibuprofen – inhibice enzymu cyklooxygenázy. Karbamazepin – stabilizace inaktivovaného stavu
napěťově řízených sodíkových kanálů (Aguirre-Martínez a kol., 2018).
Obrázek 12: Mechanismus účinku karbamazepinu (www.emedicine.medscape.com)
Pavla Vejmělková 1.12.2018
8
Drogy
Metamfetamin a 3,4-methylendioxymetamfetamin (MDMA, extáze) jsou syntetické drogy, jejichž
spotřeba začala na počátku 20. století s léčebnými účely pro jejich sympatomimetické vlastnosti, ale
v mnoha zemích jsou nyní populární jako nelegální drogy kvůli jejich poststimulačním účinkům
(Moratalla a kol., 2017).
Obrázek 13: Struktura metamfetaminu (www.users.humboldt.edu)
Obrázek 14: Struktura MDMA (extáze) (www.cs.wikipedia.org)
Mechanismus účinku
Efekty metamfetaminu a MDMA souvisí s jejich strukturní analogií k dopaminu a jejich schopností
tento neurotransmiter uvolňovat. Mechanismy zodpovědné za jejich neurotoxické účinky jsou složité
a mohou zahrnovat zánět, oxidační stres, mitochondriální dysfunkci a další (Moratalla a kol., 2017).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
9
Sledování neurotoxicity
Existují různé přístupy, jak neurotoxicitu sledovat. Jedná se metody behaviorální, morfologické
(neurohistopatologické) a biochemické. Dobře pozorovatelné jsou behaviorální změny, jako jsou
mortalita, motorické funkce, agrese, schopnost získat potravu, reprodukce, péče o potomstvo. Dále
se také dobře určuje pomocí histopatologie, kde můžeme pozorovat přímo změny nervové tkáně. Má
to však i své nevýhody, protože v takovýchto případech je nutná přítomnost kvalifikovaného
neuropatologa. Biochemické metody hodnotí změny ve funkci enzymů a umožňují tak detekovat
specifický typ neurotoxicky (Li a kol., 2011).
Problém nastává v případě, kdy látky působí přímo na centrální nervovou soustavu. Způsobené
změny jsou jen málo patrné a tudíž špatně detekovatelné. Jedná se o změny, které ovlivňují emoce,
kognitivní funkce, temperament nebo náladu (Li a kol., 2011).
Pavla Vejmělková 1.12.2018
10
Zdroje:
Aguirre-Martínez, G.V., André, C., Gagné, F., and Martín-Díaz, L.M. (2018). The effects of human
drugs in Corbicula fluminea. Assessment of neurotoxicity, inflammation, gametogenic activity, and
energy status. Ecotoxicology and Environmental Safety 148, 652–663.
Dingemans, M.M.L., van den Berg, M., and Westerink, R.H.S. (2011). Neurotoxicity of brominated
flame retardants: (In)direct effects of parent and hydroxylated polybrominated diphenyl ethers on
the (Developing) nervous system. Environmental Health Perspectives 119, 900–907.
Hendriks, H.S., and Westerink, R.H.S. (2015). Neurotoxicity and risk assessment of brominated and
alternative flame retardants. Neurotoxicology and Teratology 52, 248–269.
Horák J., Linhart I., Klusoň P.: Úvod to toxikologie a ekologie pro chemiky. 1. vyd. Vysoká škola
chemicko-technologická v Praze, Praha 2004. 189 stran. ISBN 80-7080-548-X
Li, C., Seng, W.L., Park, D., McGrath, P., 2011. Methods for Assessing Neurotoxicity in Zebrafish, in:
McGrath, P. (Ed.), Zebrafish: Methods for Assessing Drug Safety and Toxicity. John Wiley & Sons, Inc.,
Hoboken, NJ, USA, pp. 117–134.
Manolidi, K., Triantis, T.M., Kaloudis, T., and Hiskia, A. (2019). Neurotoxin BMAA and its isomeric
amino acids in cyanobacteria and cyanobacteria-based food supplements. Journal of Hazardous
Materials 365, 346–365.
Moratalla, R., Khairnar, A., Simola, N., Granado, N., García-Montes, J.R., Porceddu, P.F., Tizabi, Y.,
Costa, G., and Morelli, M. (2017). Amphetamine-related drugs neurotoxicity in humans and in
experimental animals: Main mechanisms. Progress in Neurobiology 155, 149–170.
Naughton, S.X., and Terry, A.V. (2018). Neurotoxicity in acute and repeated organophosphate
exposure. Toxicology 408, 101–112.
Slotkin, T.A. (2004). Cholinergic systems in brain development and disruption by neurotoxicants:
Nicotine, environmental tobacco smoke, organophosphates. Toxicology and Applied
Pharmacology 198, 132–151.
Spencer, P.S., Palmer, V.S., and Kisby, G.E. (2018). Cycad β-N-methylamino-L-alanine (BMAA),
methylazoxymethanol, genotoxicity, and neurodegeneration. Toxicon 155, 49–50.
Testai, E., Scardala, S., Vichi, S., Buratti, F.M., Funari, E. (2016). Risk to human health associated with
the environmental occurrence of cyanobacterial neurotoxic alkaloids anatoxins and saxitoxins.
Critical Reviews in Toxicology, 46, 385-419.
Wang, B., Wang, H., Xiao, D., and Han, D. (2018). In vitro effects of brominated flame retardants,
selected metals and their mixtures on ethoxyresorufin-O-deethylase activity in Mossambica tilapia
liver. Ecotoxicology and Environmental Safety 161, 350–355.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Organofosf%C3%A1ty
https://www.mdpi.com/2072-6651/2/10/2359/htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Excitotoxicity
https://alchetron.com/Organophosphate
http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2015_09_679-686.pdf
Pavla Vejmělková 1.12.2018
11
https://en.wikipedia.org/wiki/Excitotoxicity
http://www.zsnovestraseci-enviro.cz/1-stupen/znecisteni-vody/
https://emedicine.medscape.com/article/1187334-overview
https://arnika.org/rtut-a-zdravi
https://users.humboldt.edu/jmmorgan/mamp_s05.htm
https://cs.wikipedia.org/wiki/Ext%C3%A1ze_(droga)
https://cs.wikipedia.org/wiki/Polybromovan%C3%A9_difenylethery#/media/File:Polybrominated_di
phenyl_ether.svg