Vliv vybraných kardiovaskulárních léčiv nalézaných ve vodním prostředí na ryby

Dipl.-Biol. Christoph Antonius STEINBACH

Doctoral thesis

Effect to selected cardiovascular pharmaceuticals found in aquatic environment on fish

Abstract:

Kardiovaskulární léčiva patří v České republice k nejvíce předepisovaným. V důsledku jejich vysoké spotřeby jsou jejich rezidua často detekována v odpadních a povrchových vodách. Verapamil, diltiazem a atenolol jsou významnými zástupci kardiovaskulárních léčiv, proto jsem se ve své dizertační práci zaměřil na studium jejich akutních i subchronických účinků na ryby, především na schopnost jejich kumulace v těle ryb, metabolizmus a biologický poločas. S cílem zlepšit metodiku posuzování histopatologických změn rybího srdce jsem vypracoval jednotný protokol pro kvantitativní hodnocení výsledků histologického vyšetření srdeční komory a koronárních cév, včetně výpočtu srdečního indexu. Kvalitní a systematická vyšetření histopatologických změn srdce jsou velmi důležitá, neboť srdce přestavuje jeden z cílů působení kardiovaskulárních léčiv a dalších chemických látek. Verapamil, diltiazem a atenolol vyvolaly při expozici ryb vysokým koncentracím těchto látek změny, které jsou známy jako terapeutické a vedlejší účinky u lidí. Akutní expozice embryí a larev kapra obecného verapamilu v koncentraci, v níž se vyskytuje v krevní plazmě lidí léčených touto látkou, vyvolala u pokusných organizmů snížení tepové frekvence srdce. Akutní i chronická expozice kaprů této látce u nich navíc způsobila periferní otok a tvorbu krvácenin v trávicím traktu. U pstruhů duhových exponovaných diltiazemu bylo při histopatologickém vyšetření zjištěno rozšíření srdečních a jaterních cév. To znamená, že i tento prostředek má obdobný farmakologický účinek na ryby jako na lidi. Také subchronická expozice pstruha duhového atenololu v koncentraci, v níž se vyskytuje v krevní plazmě lidí léčených touto látkou, vyvolala histopatologické změny kardiovaskulárního systému. Verapamil, diltiazem a atenolol můžeme klasifikovat jako látky s malou schopností biokoncentrace v rybách. Biokoncentrační faktor (BCF) verapamilu v homogenátech celého kapřího těla se pohyboval v rozmezí od 6,6 do 16,6. BCF diltiazemu v tkáních pstruha byl také relativně nízký (0,5 - 194), přičemž nejvyšší hodnota BCF byla prokázána u ledvin a v dalších tkáních klesala v následujícím pořadí: játra > svalovina > krevní plazma. BCF atenololu v tkáních pstruha duhového byl z testovaných látek nejnižší a pohyboval se v rozmezí 0,002 - 0,27. Nevyšší hodnoty BFC byly zjištěny v játrech, následovaly ledviny a nejnižší ve svalovině. V plasmě byla koncentrace atenololu pod mezí kvantifikace. Verapamil vykazoval delší biologický poločas u ryb (10,6 dne) než u lidí, což indikuje nízkou rychlost biotransformace anebo eliminace verapamilu u ryb. Odhadovaný biologický poločas diltiazemu v játrech (1,5 hodiny) a v ledvinách (6,2 hodiny) byl řádově shodný s hodnotou zjištěnou v krevní plazmě lidí. Biologický poločas atenololu u pstruha studován nebyl, neboť u této látky byla prokázána velmi nízká schopnost biokoncentrace. U ryb exponovaných diltiazemu bylo pomocí kapalinové chromatografie s hmotnostní detekcí s vysokým rozlišením (LC/HRMS) identifikováno osm metabolitů této látky se 17 různými izoformami. Bylo zjištěno, že diltiazem v rybách podléhá biotransformaci zahrnující demethylaci, deacetylaci a hydroxylaci, což potvrzuje, že diltiazem byl v rybách metabolizován podobným způsobem jako v lidském těle, tedy převážně demethylací a deacetylací. Na druhou stranu, hydroxylace, která se na biotransformaci podílela v nejmenší míře, se jeví jako druhově specifická. Při studiu vlivu verapamilu na raná vývojová stádia kapra obecného, která byla vystavena environmentálně relevantním koncentracím tohoto léčiva, po dobu jednoho měsíce, nebyly u pokusných organismů prokázány žádné negativní

Abstract:

účinky. Ale u pstruha duhového, který byl vystaven po dobu 42 dnů atenololu a diltiazemu v koncentracích, které jsou detekovány v životním prostředí, byly zjištěny některé fyziologické změny. V případě atenololu se jednalo o změny hematologických a biochemických ukazatelů v krvi a u diltiazemu o změny v aktivitě antioxidačních enzymů v j

Abstract:

Cardiovascular pharmaceuticals are among the most prescribed drugs. As a result of the high consumption, these pharmaceuticals have been frequently detected in waste and surface waters. Verapamil, diltiazem and atenolol are very important representatives of cardiovascular pharmaceuticals; therefore, the present research focused on their acute and sub-chronic effects, bioconcentration, half-life time and metabolism in fish. Moreover, unified protocol for the quantitative assessment of histopathological alterations on the heart ventricle and coronary blood vessels employing heart index calculation was developed with the aim to better assess histopathological changes in fish heart which is one of the targets of cardiovascular pharmaceuticals and other chemicals. The effects caused by high concentrations of the studied substances, verapamil, diltiazem and atenolol, in fish can be considered similar to the therapeutic effects and side effects that are found in humans. The acute exposure to verapamil at the human therapeutic plasma level reduced the heart rate in common carp embryos and larvae. In addition, the acute and chronic exposure to this substance caused peripheral edema and gastrointestinal haemorrhage in carp. Similarly, the histological changes in heart and the blood vessels of the liver in diltiazem exposed rainbow trout suggested vasodilatation similar to the pharmacological effect of diltiazem in the human body. In rainbow trout sub-chronically exposed to atenolol at a human therapeutic blood plasma concentration, histopathological changes in the cardiovascular system were found. The bioconcentration of verapamil, diltiazem and atenolol in fish can be classified as low. Bioconcentration factor (BCF) of verapamil in whole body homogenates of common carp ranged between 6.6 and 16.6. The BCF of diltiazem was also relatively low (0.5-194) in analysed tissues of trout, following the order kidney liver muscle blood plasma. BCF of atenolol in rainbow trout tissues was the lowest among the tested substances (BCF = 0.002-0.27), following the order of liver > kidney > muscle. In the blood plasma, the concentration of atenolol was below the limit of quantification. Verapamil showed a longer half-life time (10.6 days) in fish compared to the human body, indicating the slow rate of biotransformation and/or elimination of verapamil in fish. Estimated half-life times of diltiazem in liver (1.5 h) and kidney (6.2 h) were in the same order of magnitudes as those determined for the human blood plasma. The half-life time of atenolol in trout was not studied, because of its very low bioconcentration. In diltiazem exposed rainbow trout, 8 groups of metabolites of diltiazem with 17 different isoforms were identified using liquid chromatography/high resolution mass spectrometry method. Diltiazem was found to undergo a biotransformation involving desmethylation, desacethylation and hydroxylation in fish. These results showed that diltiazem was metabolised in fish in a similar way like in the human body by desmethylation and desacethylation. On the other hand, hydroxylation, which was involved to a minor extent, seemed to be species specific. Verapamil had no effect on early life stages of common carp at the environmentally relevant concentration after one month lasting exposure. On the other hand, atenolol and diltiazem in environmentally realistic concentrations caused after 42-day exposure some physiological changes in rainbow trout. Namely, atenolol affected haematological and biochemical parameters of the blood in exposed rainbow trout and diltiazem caused changes in the activity of antioxidant enzymes in trout liver and gills. These data indicated that atenolol and diltiazem, when present in the aquatic environment, could be a source of sub-lethal detrimental effects in fish.

Keywords

toxicita, antioxidační enzymy, ?-blokátory, biochemické a hematologické ukazatele, biokoncentrační faktor, blokátory vápníkových kanálů, kardiovaskulární léčiva, kapr obecný, CYP450, raná vývojová stadia, biologický poločas, srdeční index, histopatologické změny, metabolity, pstruh duhový

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 9. 2015

Accessible from:: 3. 9. 2015

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery