Czy zanieczyszczenia w morzach zagrażają naszemu zdrowiu?

Czy środowisko morskie zagraża zdrowiu?

Badania przeprowadzone na morskim modelowym organizmie ryby Oryzias melastigma dostarczają niepokojących dowodów na synergistyczne oddziaływanie powszechnie występujących w środowisku morskim zanieczyszczeń – fenwalerytu (FEN) i sulfametoksazolu (SMX). Ekspozycja na te substancje w stężeniach odpowiadających rzeczywistym poziomom środowiskowym wykazała istotne zaburzenia rozwojowe, które mogą mieć potencjalne implikacje dla zdrowia publicznego ze względu na bioakumulację tych związków w łańcuchu pokarmowym.

Fenwaleryt, szeroko stosowany insektycyd pyretroidowy o niskiej toksyczności dla ssaków, działa poprzez zaburzenie funkcji kanałów sodowych w neuronach, powodując nieodwracalne pobudzenie i paraliż. W środowisku wodnym FEN wykazuje specyficzną toksyczność wobec ryb – już przy stężeniu 0,0086 mg/L znacząco obniża aktywność enzymów trawiennych u danio pręgowanego, wywołuje efekty neurotoksyczne, zakłóca syntezę hormonów płciowych i powoduje nieprawidłowy rozwój gonad. Mechanizm tego działania polega na hamowaniu aktywności acetylocholinoesterazy (AChE), co prowadzi do zaburzeń w transmisji sygnałów nerwowych. Z kolei sulfametoksazol, antybiotyk z grupy sulfonamidów, hamuje syntezę kwasu foliowego u bakterii poprzez blokowanie szlaków enzymatycznych. SMX wykazuje wysoki potencjał bioakumulacji i może indukować odpowiedź immunologiczną oraz zapalną u ryb, prowadząc do uszkodzeń morfologicznych u larw oraz zaburzając funkcję bariery jelitowej poprzez redukcję ekspresji białek połączeń ścisłych już przy stężeniu 0,3 μg/L.

Oba związki charakteryzują się stabilnością w środowisku wodnym i trudną biodegradacją, co przyczynia się do ich akumulacji w ekosystemach morskich i organizmach żywych. Badania wykazały, że mogą one ulegać bioakumulacji i przemieszczać się w łańcuchach pokarmowych, zwiększając ryzyko zachorowania na raka oraz uszkadzając układy antyoksydacyjny, nerwowy, immunologiczny i endokrynny organizmów.

Czy eksperyment potwierdza efekt synergistyczny?

W przeprowadzonym badaniu zastosowano stężenia FEN wynoszące 0,3 i 30 μg/L oraz SMX wynoszące 1 i 10 μg/L, co odpowiada poziomom faktycznie monitorowanym w środowisku. Szczególnie interesujący jest fakt, że pojedyncza ekspozycja na FEN lub SMX w tych stężeniach wykazała stosunkowo niską toksyczność dla badanych organizmów. Natomiast ich kombinacja prowadziła do znacząco większych zaburzeń, co wskazuje na typowy efekt synergistyczny. W grupie narażonej na kombinację FEN i SMX zaobserwowano istotnie niższy wskaźnik wykluwalności embrionów oraz wyższe wskaźniki malformacji i śmiertelności w porównaniu do grup kontrolnych i grup z pojedynczą ekspozycją.

Badania przeprowadzono na embrionach i młodych osobnikach ryby Oryzias melastigma, która stanowi doskonały model do badań toksykologicznych ze względu na wrażliwość młodych stadiów rozwojowych na czynniki zewnętrzne. Młode ryby znajdują się w krytycznej fazie organogenezy i rozwoju funkcjonalnego, co czyni je wyjątkowo podatnymi na zaburzenia środowiskowe. Eksperyment obejmował zarówno obserwacje embriologiczne, badania histologiczne tkanek młodych ryb, jak i kompleksową analizę transkryptomiczną oraz badania metodami biologii molekularnej.

Jakie mechanizmy molekularne wyjaśniają toksyczność?

Analiza transkryptomiczna ujawniła znaczące zaburzenia na poziomie molekularnym. W grupie narażonej na kombinację FEN i SMX zidentyfikowano 1135 różnicowo eksprymowanych genów (DEGs), co znacznie przewyższa sumę DEGs z grup narażonych na pojedyncze substancje (499 dla FEN i 138 dla SMX). Szczególnie istotne zmiany dotyczyły szlaków związanych z biosyntezą steroidów, metabolizmem kwasów tłuszczowych, cyklem komórkowym i replikacją DNA.

W grupie narażonej na FEN zaobserwowano istotne wzbogacenie szlaku biosyntezy steroidów, z regulacją w górę 11 genów, w tym Nsdhl, EBP i cyp2r1, przy jednoczesnej regulacji w dół genu cyp24a1. Badania wykazały, że zwiększona ekspresja genu EBP może aktywować geny akt1 i bmp2b, co może stymulować wzrost kompensacyjny. Dodatkowo, szlak sygnałowy PPAR wykazał regulację w górę pięciu genów, w tym fads2, HMGCS1 i PLIN2, przy jednoczesnej regulacji w dół genu ANGPTL4. Ze względu na zachowaną rolę ANGPTL4 u ssaków, jego inhibicja może zwiększać aktywność lipazy lipoproteinowej (LPL), promować hydrolizę triglicerydów i poprawiać wrażliwość na insulinę, co sugeruje zwiększoną efektywność metabolizmu lipidów i glukozy.

W grupie narażonej na SMX zaobserwowano wzbogacenie szlaku trawienia i wchłaniania białek, z regulacją w górę pięciu genów, w tym COL1A1 i COL1A2, które są ściśle związane ze zwiększoną syntezą kolagenu, sygnalizacją TGF-β/Smad i genami wzrostu mięśni, takimi jak igf-1, myf5 i myhc. Ponadto, szlak metaboliczny wykazał regulację w górę 21 genów, w tym hmox i phospho1. Badania wykazały, że usunięcie genów hmox1a i hmox1b podczas rozwoju danio pręgowanego prowadzi do wad rozwojowych, a delecja hmox1a hamuje migrację makrofagów do rany. Sugeruje to, że regulacja w górę genów hmox może wzmacniać obronę antyoksydacyjną i funkcję immunologiczną. Dodatkowo, gen phospho1 odgrywa kluczową rolę w uwalnianiu wewnątrzkomórkowego fosforanu, co może zwiększać dostępność fosforanu do mineralizacji kości, wspierając rozwój kości i ogólny wzrost ryb.

W grupie narażonej na kombinację FEN i SMX zaobserwowano istotne zaburzenia w szlaku metabolizmu kwasów tłuszczowych, z regulacją w dół genu CPT1A i regulacją w górę 10 innych genów, w tym fads2, Acat2 i Tecr. Regulacja w górę genu fads2 promuje biosyntezę długołańcuchowych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (LC-PUFA), co jest kluczowe dla wzrostu młodych ryb. Zaobserwowano również regulację w dół genu Hsd17β, kluczowego dla regulacji estrogenu i androgenu, co wskazuje na zaburzenie regulacji hormonalnej. Dodatkowo, regulacja w dół genu Six3, istotnego dla rozwoju nerwu wzrokowego u ryb, sugeruje stres w rozwoju nerwu wzrokowego.

Szlak cyklu komórkowego wykazał znaczące wzbogacenie z 29 DEGs, w tym regulację w dół CDKN2B, smad4 i Gadd45g, oraz regulację w górę 26 innych genów, takich jak ORC1, mcm5 i BUB1. Przekazywanie sygnału szlaku TGF-β jest mediowane przez homolog smad4 u ryb, a szlak ten zwykle hamuje progresję cyklu komórkowego. Regulacja w dół genu smad4 może zmniejszać aktywność szlaku sygnalizacyjnego TGF-β, łagodząc to hamowanie i promując proliferację komórek i wzrost. Ponadto, szlak replikacji DNA wykazał wzbogacenie z 15 regulowanymi w górę DEGs, takimi jak mcm5 i pcna. Ekspresja mcm5 w siatkówce danio pręgowanego wykazuje wysokie nakładanie się z regionem proliferacji komórek i jest zgodna z regionem ekspresji antygenu jądrowego proliferujących komórek (PCNA), co wskazuje, że mcm5 jest markerem zdolności proliferacyjnej.

Jakie konsekwencje dla zdrowia ludzkiego wskazują badania?

Co ciekawe, mimo tych znaczących zmian na poziomie molekularnym, analiza histologiczna nie wykazała widocznych zmian patologicznych w wątrobie, sercu czy przewodzie pokarmowym badanych młodych ryb. Może to sugerować, że organizmy zdołały uruchomić mechanizmy kompensacyjne na poziomie tkankowym, jednak długoterminowe konsekwencje tych zaburzeń molekularnych pozostają nieznane.

Wyniki te mają istotne implikacje dla zdrowia publicznego, zwłaszcza w kontekście bioakumulacji tych związków w łańcuchu pokarmowym. Zaburzenia w szlakach związanych z biosyntezą steroidów i metabolizmem lipidów mogą potencjalnie wpływać na funkcje endokrynne i metaboliczne nie tylko u ryb, ale także u ludzi spożywających zanieczyszczone organizmy morskie. Podobnie, zaburzenia w cyklu komórkowym i replikacji DNA mogą mieć długoterminowe konsekwencje dla integralności genomowej i potencjalnie zwiększać ryzyko rozwoju nowotworów.

W kontekście klinicznym, wyniki te podkreślają znaczenie monitorowania pacjentów pod kątem ekspozycji na zanieczyszczenia środowiskowe, szczególnie tych mieszkających w obszarach przybrzeżnych lub regularnie spożywających owoce morza. Lekarze powinni być świadomi potencjalnych zaburzeń endokrynologicznych, metabolicznych i immunologicznych, które mogą wynikać z przewlekłej ekspozycji na te związki, nawet w niskich stężeniach.

Badania te potwierdzają również koncepcję “hormesis” – zjawiska, w którym niska ekspozycja na toksyny może początkowo wywołać pozornie korzystne efekty adaptacyjne, które jednak w dłuższej perspektywie mogą prowadzić do niekorzystnych konsekwencji zdrowotnych. W przypadku FEN i SMX, pojedyncza ekspozycja wykazała pewne “korzystne” efekty na poziomie molekularnym, takie jak wzmocnienie syntezy hormonów, wykorzystanie białek i rozwój mięśni, wraz ze wzmocnioną obroną antyoksydacyjną i funkcją immunologiczną. Jednak ich kombinacja prowadziła do wyraźnych zaburzeń rozwojowych, w tym skrócenia cykli komórkowych i nieprawidłowej proliferacji komórek siatkówki.

Podsumowując, badanie to dostarcza cennych informacji na temat synergistycznych efektów fenwalerytu i sulfametoksazolu na rozwój organizmów morskich, podkreślając potrzebę dalszych badań nad długoterminowymi konsekwencjami ekspozycji na te związki dla zdrowia ludzkiego oraz konieczność opracowania skutecznych strategii monitorowania i ograniczania zanieczyszczenia środowiska morskiego. Nawet jeśli mogą występować pewne “korzystne” zjawiska, długoterminowy “efekt hormesis” może nadal zagrażać przetrwaniu gatunków, a przez to wpływać na cały ekosystem morski i ostatecznie na zdrowie człowieka.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania na rybach Oryzias melastigma ujawniły niepokojące skutki synergistycznego oddziaływania fenwalerytu (FEN) i sulfametoksazolu (SMX), powszechnie występujących w środowisku morskim. Eksperyment wykazał, że mimo relatywnie niskiej toksyczności pojedynczych substancji, ich kombinacja prowadzi do znaczących zaburzeń rozwojowych. Analiza transkryptomiczna zidentyfikowała 1135 różnicowo eksprymowanych genów w grupie narażonej na obie substancje, co znacznie przewyższa efekty pojedynczej ekspozycji. Zaobserwowano istotne zmiany w szlakach związanych z biosyntezą steroidów, metabolizmem kwasów tłuszczowych, cyklem komórkowym i replikacją DNA. Mimo braku widocznych zmian patologicznych w badaniach histologicznych, długoterminowe konsekwencje zaburzeń molekularnych mogą mieć poważne implikacje dla zdrowia publicznego, szczególnie w kontekście bioakumulacji tych związków w łańcuchu pokarmowym. Wyniki badań podkreślają konieczność monitorowania pacjentów pod kątem ekspozycji na zanieczyszczenia środowiskowe, zwłaszcza wśród osób regularnie spożywających owoce morza.