Charakterizace specifických účinků matabolitů sinic a řas

Ing. Jana Priebojová, Ph.D.

Doctoral thesis

Characterization of specific effects of metabolites of cyanobacteria and algae

Abstract:

Cyanobakterie (sinice) jsou běžné a často škodlivé organismy vyskytující se v různém prostředí po celém světě. Jsou to producenti řady biologicky aktivních látek, z nichž některé mohou být toxické a způsobovat smrt zvířat, působit embryotoxicky, teratogenně, a nepříznivě ovlivňovat lidské zdraví. Tato práce se zaměřila na in vitro retinoidní a estrogenní aktivitu v sinicových vodních květech a okolních vodách, zejména na retinoidní aktivitu spojenou s různými druhy a vzorky prostředí, látky přispívající k této aktivitě a potenciálně související nepříznivé účinky in vivo. Články I-III zkoumají schopnost fytoplanktonu produkovat látky s retinoidní aktivitou, které mohou být uvolňovány do životního prostředí. Zmíněné studie zahrnují cyanobakterie z několika řádů i běžné druhy řas. Tyto studie charakterizují in vitro potenciál směsí bioaktivních látek produkovaných vybranými laboratorně kultivovanými druhy fytoplanktonu vyvolat odpověď zprostředkovanou receptorem kyseliny retinové. Článek I poskytuje informace o celkové retinoidní aktivitě metabolitů, které byly produkovány laboratorně kultivovanými druhy  dvěma druhy cyanobakterií (Microcystis aeruginosa a Aphanizomenon gracile) a jednou zelenou řasou (Desmodesmus quadricauda). Informuje také o variabilitě retinoidní aktivity ve spojení se světelnými podmínkami. Článek II zkoumá extracelulární koncentrace látek s retinoidní aktivitou u širokého spektra sinic (12 druhů, 15 kmenů) a zelených řas (4 druhy ze 3 různých řádů). Byly identifikovány a kvantifikovány nové retinoidy s potenciálem přispívat k celkové retinoidní aktivitě extracelulárních metabolitů fytoplanktonu. Studie také přináší nová data o relativní potenci detekovaných látek a umožňuje tak posoudit jejich příspěvek k celkové retinoidní aktivitě vzorků. Článek III představuje optimalizovaný postup přípravy extraktů z biomas cyanobakterií s účelem maximalizace výtěžku látek s retinoidní aktivitou. Poskytuje informace o variabilitě intra– a extracelulární retinoidní aktivity látek pocházejících z několika nezávislých kultivací pěti laboratorně pěstovaných cyanobakterií (M. aeruginosa, A. gracile, Cylindrospermopsis raciborskii, Limnothrix redekeii a Planktothrix agardhii). Byla přepočítána celková retinoidní aktivita z dat extraktů a exudátů pro každý testovaný druh na hmotnost sušiny biomasy, stejně jako na hustotu buněk. Celková retinoidní aktivita vzorků z pěti testovaných druhů se pohybovala mezi 170 – 25 600 ng ekvivalentu all-trans retinové kyseliny (ATRA)/g dm a 0,001 - 0,392 ng ATRA/106 buněk. Články IV-VI se zaměřují na škodlivé účinky na vývoj, embryogenezi a neurální diferenciaci způsobené vzorky cyanobakterií ve vztahu k jejich retinoidní aktivitě. V Článku IV je zdokumentována schopnost cyanobakteriálních exudátů s retinoidní aktivitou ovlivňovat časný embryonální vývoj žab Xenopus laevis. Nežádoucí účinky byly pozorovány po expozici exudáty laboratorně kultivovaných druhů sinic (Microcystis aeruginosa a Cylindrospermopsis raciborskii) a řas (Desmodesmus quadricauda). V článku V experimenty s embryi ryb Danio rerio ukázaly teratogenitu látek z biomas vodních květů sinic z prostředí. Teratogenita exudátů z laboratorních kultivací, stejně jako extraktů biomas sinicových vodních květů s dominancí Microcystis aeruginosa a Aphanizomenon klebahnii odebraných z terénu a jejich frakcí odpovídala jejich in vitro retinoidní aktivitě. Článek VI dokumentuje distribuci látek s retinoidní a estrogenní aktivitou mezi biomasou vodních květů s dominancí různých druhů a okolní vodou u vzorků ze 17 nezávislých vodních nádrží. Tato studie také přináší informace o narušení nervové diferenciace v buňkác

Abstract:

h exponovaných extraktům ze shromážděných vzorků s retinoidní aktivitou. Naše studie charakterizují schopnost různých druhů fytoplanktonu produkovat teratogenní retinoidní látky. Ty by mohly být významné a relevantní zejména v mělkých vodních ekosystémech s velkou abundancí druhů produkujících retinoidy, např. v případě masivních vodních květů. Měla být věnována větší pozornost přítomnosti těchto sloučenin a také jejich nepříznivým účinkům na organismy ve vodním prostředí.

Abstract:

Cyanobacteria are common and often harmful inhabitants of different environments worldwide. They are producers of various types of bioactive compounds, some of which are toxic and may cause animal death, embryotoxicity, teratogenicity and adversely affect human health. This thesis focused on in vitro retinoid-like and estrogenic activity in cyanobacterial water blooms and surrounding waters, namely retinoid-like activity associated with different species and environmental samples, compounds contributing to this activity and their potentially related adverse effects in vivo. Papers I – III examined the ability of phytoplankton to produce retinoid-like compounds, which could be released into the environment. The studies included various cyanobacterial species representing several orders as well as common algal species. These studies characterized the in vitro potential of mixtures of bioactive compounds from laboratory-cultured phytoplankton species to induce responses mediated through retinoic acid receptor. Paper I provides information about total retinoid-like activity of metabolites produced by three species: two cyanobacteria (Microcystis aeruginosa and Aphanizomenon gracile) and a green alga (Desmodesmus quadricauda). It also informs about variability in retinoid-like activity in connection with light conditions. Paper II assessed extracellular concentrations of compounds with retinoid-like activity in 50 independent cultivations of wide spectra of cyanobacteria (12 species, 15 strains) and green algae (4 species from 3 different orders). Several retinoids with potential to contribute to total retinoid-like activity of extracellular phytoplankton metabolites were identified and quantified. The study also brings new information on the relative potency of detected compounds and thus enables to assess their contribution to the total retinoid-like activity. Paper III introduces optimized extraction procedure for preparation of cyanobacterial biomass samples to maximize recovery of compounds with retinoid-like activity. It provides information about variability of intracellular and extracellular retinoid-like activity from several independent cultivations of 5 different laboratory cultured cyanobacteria (M. aeruginosa, A. gracile, Cylindrospermopsis raciborskii, Limnothrix redekeii, and Planktothrix agardhii). We have recalculated total produced retinoid-like activity using extract and exudate data for each tested cyanobacterial species to biomass dry weight as well as to cell density. Total produced retinoid-like activity of five selected species ranged from 170 – 25 600 ng all-trans retinoic acid (ATRA) equivalent/g dm and from 0.001 to 0.392 ng ATRA/106 cells, respectively. Papers IV - VI focus on adverse effects on development, embryogenesis and neural differentiation caused by cyanobacterial samples in relation to their retinoid-like activity. In paper IV we document the ability of cyanobacterial exudates with retinoid-like activity to affect early embryonic development of frogs Xenopus laevis. Adverse effects were observed after the exposure to exudates of laboratory cultured cyanobacterial species (Microcystis aeruginosa and Cylindrospermopsis raciborskii), but not for exudates from algae species (Desmodesmus quadricauda). In paper V, experiments with embryos of fish Danio rerio showed teratogenicity of compounds from field cyanobacterial bloom biomasses. The teratogenicity of exudates from laboratory cultivations as well as extracts from field–collected cyanobacterial blooms samples (with dominancy of Microcystis aeruginosa and Aphanizomenon klebahnii) and their fractions corresponded to their retinoid-like activity. Paper VI documents distribution of compounds with retinoid-like and estrogenic activity between water bloom biomass with various species dominance and surrounding water sampled from 17 independent reservoirs. This study also brings information about disruption of neural differentiation in cells expose

Abstract:

d to extracts from collected samples with retinoid-like activity. Our studies characterize the ability of various species of phytoplankton to produce teratogenic retinoid-like compounds. They could be most important and relevant in shallow aquatic ecosystems with high abundance of retinoid-producing species, e.g. in case of massive water blooms. More attention should be paid to the presence of these compounds and also to their adverse effects on organisms in aquatic environment.

Keywords

endokrinní disrupce, endokrinní disruptory, retinoidní aktivita, extrakty, exudáty, in vitro testování, P19/A15, RAR/RXR, extrakce, neurodiferenciace, vodní prostředí, sinice endocrine disruption, endocrine disruptors, retinoid-like activity, extracts, exudates, in vitro testing, extraction process, neurodifferentiation, aquatic environment, cyanobacteria

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 3. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 21. 5. 2020
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: doc. MVDr. Miroslava Palíková, Ph.D., doc. Ing. Vladimír Žlábek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology