Rezidua léčiv v životním prostředí

Rezidua léčiv v životním prostředí

Příčiny kontaminace ŽP léčivy • stárnutí populace • zvýšený počet cílových receptorů • individualizovaná terapie • nutraceutika • kosmetika • citlivější analytické techniky • vývoj v oblasti toxikologie a ekotoxikologie „Ty červené jsou na nemoc, ty modré potlačují vedlejší účinky těch červených a ty zelené potlačují vedlejší účinky těch modrých“

Charakteristika léčiv • v ČR ve 2. čtvrtletí 2007 registrováno 51 232 variant léků a léčebných přípravků (asi 1200 aktivních látek) • pomocí analytických technik umíme spolehlivě detekovat a kvantifikovat okolo 100 látek !!! • v UK v roce 2000 registrováno více než 3 000 aktivních látek • kromě aktivních látek léky obsahují i pomocné látky, plniva, pigmenty, vosky, tmelící látky, ........ • kromě léčiv se ve zdravotnictví používají např. i diagnostické látky, dezinfekce, ..... • biodegradabilita (fotodegradabilita, oxidace vzdušným O2, ......) silně závisí na typu látky • interakce látek v toxických koktejlech – 1. velká neznámá • dlouhodobé toxické účinky nízkých koncentrací – 2. velká neznámá

Farmaka pro humánní medicínu Farmaka pro veterinární medicínu Exkrece (odpadní vody z nemocnic) Exkrece (odpadní vody z domácností) Komunální odpad (nevyužité léky) Exkrece Popelnice Hnůj, kompost Čistírna odpadních vod Upravený kal Zpracování kalů Skládka Půda Povrchová voda Podzemní voda Vodní mikroflóra Pitná voda Výroba farmak Upraveno podle: T.Heberer, Toxicology Letters 131, 5 – 17 (2002)

ČOV a povrchové vody • komunální ČOV mají velmi nízkou účinnost při odstraňování některých léčivých látek a jejich metabolitů (nízké koncentrace) Procesy • Fotodegradace - hlavní mechanismus degradace léčiv ve vodním tělese • přímá fotolýza - absorpční spektrum molekuly, intenzita záření, zákal • radikálový rozpad - vliv hydroxylového (·OH), alkylperoxidového ·RO2 radikálu a atomárního kyslíku • Sorpce • absorpce dovnitř aktivovaného kalu - interakce hydrofobních skupin (alifatických a aromatických) s biomembránou buněk • adsorpce na povrch aktivovaného kalu - pozitivně nabitá centra xenobiotik se záporně nabitým povrchem biomasy • Biodegradace • metabolická přeměna léčiv mikroorganismy v aktivovaném kalu

Kotyza J., Soudek P., Kafka Z., Vaněk T., Chemické Listy 103, 540-547 (2009)

ČOV - moderní procesy • Chemická oxidace • vznik ·OH radikálu z H2O2 vlivem UV záření • ozonizace vody • Membránové procesy • nanofiltrace a reverzní osmóza - xenoestrogeny • separace léčiv z moči pacientů • Aktivní uhlí • adsorpce a spálení - karbamazepin • Fytoremediace • kořenové čistírny odpadních vod

Rozšíření v ŽP • aktivní substance (léky/metabolity) nalezeny ve všech složkách prostředí na všech místech planety (1ng/kg - 1mg/kg) • výskyt v daném místě přímo úměrný spotřebě Povrchové vody • nejvíce kontaminovaná složka ŽP • dolní toky a delty - velké aglomerace, velké množství ČOV, velký průtok vody Podzemní vody • původ nalezených látek - lokální zdroje znečištění (skládky, ČOV, kanalizace apod.) Pitné vody • před 15 lety v Německu - kyselina klofibrová (fibráty - kontrola lipoproteinů v krvi, prevence kardiovaskulárních onemocnění) • v Želivce v roce 2006 - syntetické estrogeny 2 ng/L

Rozšíření v ŽP Půdy a sedimenty • aplikace stabilizovaných čistírenských kalů • sorpce na částice půdy - degradace • průsaky do spodních vod • Braunsweig (Dolní Sasko) - 45 let zavlažování znečištěnou vodou (1g/L léčiv) a hnojení čistírenským kalem - z 52 sledovaných látek nalezeny 4 (karbamazepin, sulfametoxazol a dvě kontrastní látky pro RTG vyšetření), u těchto látek zjištěna více než 80% degradace a sorpce na částicích půdy, žádné informace o metabolitech Situace v ČR • minimum informací • horní toky řek • nejvyšší naměřená koncentrace estrogenů (2006) - ČOV Uhříněves - 345 ng/L

Kotyza J., Soudek P., Kafka Z., Vaněk T., Chemické Listy 103, 540-547 (2009)

Zastoupení lékových skupin v ekotoxikologických studiích (183 článků z let 1996-2009) Santos L.H.M.L.M et al., Journal of Hazardous Materials 175, 45-95 (2010)

Relativní zastoupení látek detegovaných v ŽP (183 článků z let 1996-2009) Santos L.H.M.L.M et al., Journal of Hazardous Materials 175, 45-95 (2010)

Studium léčiv v ŽP Ekotoxikologie • Účinek toxické látky na flóru, faunu a mikroorganismy • Vstup do ŽP • Osud (Fate) v ŽP • Toxikokinetika (ADME) • Toxikodynamika • Bioakumulace • Skupinový efekt • Pohyb mezi jednotlivými složkami prostředí Toxikologie • Účinek toxické látka na člověka (lidskou populaci) • Toxikokinetika (ADME) • Toxikodynamika • Akutní účinky • Chronické účinky • Výsledky z eperimentů na biologických modelech se extrapolují na člověka

Osud (fate) látky v ŽP • vstup látky do dané složky prostředí během produkce a spotřeby • kumulace látky v dané složce prostředí nebo transport • přechod do jiné složky prostředí přes mezifázové rozhraní • transport novou složkou a další přechody – koloběh látky • chemické, biochemické, fotochemické a termické reakce látky – vznik meziproduktů a metabolitů vedoucích k sekundárnímu znečištění

Osud (fate) chemické látky v ŽP

PBTs PBTs • P (Persistentní) • látky dlouhodobě setrvávající v životním prostředí • dlouhý poločas života látky t1/2 – doba za kterou klesne koncentrace látky v dané složce prostředí na ½ • odolnost vůči rozkladu (chemickému, fotochemickému, biologickému, termickému) • závisí na vlastnostech látky (chemická stabilita, reaktivita) i vlastnostech prostředí (intenzita slunečního světla, pH, Eh, teplota, bakterie, ........... • B (Bioakumulativní) • tendence ke kumulaci látky ve tkáních organismů • biokoncentrace, bioobohacování, bioakumulace • T (Toxické) • potencionálně škodlivé účinky na organismy již v nízkých koncentracích

Bioakumulace PCB

Biologická dostupnost • schopnost látky přestupovat z prostředí do organismu • biologická dostupnost závisí na • vlastnostech látky – rozpustnost ve vodě a v tucích, polarita, .... • vlastnostech prostředí – sorpční kapacita, koncentrace ligandů,.... • vlastnostech organismu – tloušťka buněčné membrány, konc. receptorů, ....

(Eko) toxikologie komplexních směsí opakovaná expozice stopovým množstvím látek pod prahem účinku • potenciál aditivního účinku u látek se stejným mechanismem účinku • potenciál synergického účinku • hormeze – protektivní účinek podprahových koncentrací způsobený aktivací obranných mechanismů • toxickou látkou indukovaná ztráta tolerance • znalostní vakuum o toxických účincích ultra-stopových koncentrací – vliv detekčního limitu analytických metod • znalostní vakuum o účincích léků na necílové receptory (organismy) – biochemické mechanismy studovány zejména pro terapeutický účinek • rozdílná citlivost organismů • pseudo-perzistence léčiv • kontinuální tok léčiv a jejich metabolitů do ŽP způsobuje jejich přetrvávání v ŽP i v případě že mají krátký poločas degradace

Hodnocení nebezpečnosti směrnice EPMA (European Medicines Agency) z roku 2006 • fáze I - odhad PEC (predicted environmental concentration) v povrchové vodě • údaje o zastoupení látky na trhu, maximální terapeutická dávka na osobu, množství odpadní vody na osobu, ředící faktor apod. • pokud PEC <10 ng.L-1 látka považována za málo rizikovou • pokud K0W (rozdělovací koeficient oktanol - voda) > 4,5 - screening na PBTs • hranice 10 ng.L-1 neplatí pro vysoce specifické a vysoce účinné látky !!!!!! • fáze II - pokud PEC > 10 ng.L-1 • test biodegradability - sorpce na aktivovaném kalu, určení K0W, transformační test v systému voda - sediment • ovlivnění aktivovaného kalu - inhibiční respirační test • test na Daphnia magma a řasový test - určení PNEC (predicted no-effect concentration) • pokud PEC/PNEC < 1 - látka málo riziková, pokud PEC/PNEC > 1 - látka považována za rizikovou

Hodnocení nebezpečnosti Látky s prokázaným toxickým účinkem v koncentracích pod 10 ng.L-1 Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010)

Hodnocení nebezpečnosti Látky s prokázaným toxickým účinkem v koncentracích 10 - 100 ng.L-1 Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010)

Hodnocení nebezpečnosti Odhad vysoce rizikových látek (účinnost pod 10 ng.L-1) na základě MOA (mode of action) konceptu • krok I - určení mechanismu účinku • z dokumentace o registraci léčiva - povinné toxikologické testy • látky s málo specifickým mechanismem obvykle málo nebezpečné • nutná znalost konkrétního receptoru • krok II - určení stupně podobnosti mezi lidským receptorem a příslušným receptorem v cílovém organismu • látky s vysokým stupněm homologie´(> 50 %) a vysokou účinností nebezpečné • důležitá je zejména homologie vazebného místa • krok III - určení významu receptorem regulovaného biochemického procesu • dělení a proliferace buňky • řízení vývoje organismu, hormonální činnosti, rozmnožování,ovlivnění imunity a nervové činnosti • u rostlin vliv na fotosyntézu Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010)

Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010)

Látky s vysokým rizikem působit v koncentracích pod 10 ng.L-1 Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010)

Látky s nízkým rizikem působit v koncentracích pod 10 ng.L-1 Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010)

Antibiotika • v EU spotřeba okolo 10 000 t ročně (FEDESA, 1997) • 5 000 t veterinární medicína (3 500 t profylaxe a terapie, 1 500 podpora růstu) • 5 000 t humánní medicína • nebezpečí vývoje rezistentních kmenů v biologických filmech (odpadní roury, aktivovaný kal v ČOV) • nízká biodegradabilita některých AB (chinolony, nitroimidazoly, sulfonamidy) • v ČOV upřednostněna absorpce na částicích aktivovaného kalu před biodegradací (Ciprofloxacin) • fotolýza jako hlavní způsob degradace (Fluorchinolony) • dlouhé biologické poločasy ve vodním prostředí •  - laktámy 200 dní • tetracykliny 300 – 500 dní

Antibiotika • hnojení kalem z ČOV s obsahem antibiotik • negativní vliv na nitrifikační bakterie • snížení produkce plodin, bioakumulace v plodinách • inhibice růstu fotosyntetizujících organismů ve vodách • inhibice růstu zelených řas Selenastrum capricornutum - EC50 (erithromycin) = 37 g.L-1, EC50 (dihydrostreptomycin) = 110 g.L-1, EC50 (oxytetracycline) = 340 g.L-1, EC50 (tylosin) = 410 g.L-1 • EC50 (sulfonamidy) = 1,5 - 2,3 mg.L-1, EC50 (ampicillin) > 1 000 mg.L-1 • sinice Synechocystis a okřehek inhibice růstu erythromycinem 1-1 000 g.L-1) • synergické efekty - sulfamethoxazol a trimethoprim • další účinky na vodní organismy • Neomycin - vliv na reprodukci a přežitíDafnia magmaEC50 = 0,09 - 0,74 g.L-1

Látky snižující obsah krevních tuků Statiny • inhibice enzymu HMG-CoA - zpětnovazebná kontrola syntézy cholesterolu • absolutní nedostatek informací o ekotoxicitě limitovaný na aktivní látky simvastatin a atorvastatin • 96 test na krevetě (Palaemonetes pugio) - simvastatin - LC50 (larva) = 1,18 mg.L-1 a LC50 (dospělá kreveta) > 10 mg.L-1 • test na buchance (Nitocra spinipes) - 96-h LC50 = 0.81 mgL-1 • koncentrace statinů v neupraveném čistírenském kalu4-117ng.L-1, v povrchové vodě 1 ng. L-1 • snížení koncentrace cholesterolu a triglyceridů v krvi

Látky snižující obsah krevních tuků Fibráty • aktivace specifického transkripčního faktoru patřícího do skupiny nukleárních hormonálních receptorů - PPARs (peroxisome proliferatoractivated receptors) • fibráty způsobují proliferaci peroxisomů v játrech myší • zastavení emryonálního vývoje necílových organismů zastavením dělení buněk (v mikromolárních koncentracích pozorováno u ryb (Danio rerio) a obojživelníků) • Danio rerio - expozice klofibrátu 0,5 - 1 mg.L-1 v larválním stadiu - změny morfologických charakteristik, letargie • karas zlatý (Carasius auratus) - 14 denní expozice gemfibrizilu 1,5 g. L-1 - více než 50% pokles hladiny testosteronu • vysoká perzistence metabolitů (kyselina klofibrová) v ŽP - tato látka detekována i v pitných vodách a v Severním ledovém oceánu

Nesteroidní protizánětlivé léky • slabé kyseliny reversibilně či ireversibilně inhibující cyklooxygenázy COX-1 a COX-2 - vliv na syntézu prostaglandinů (zánětlivé procesy) • u ptáků mají prostaglandiny vliv na tvorbu vaječné skořápky • u ryb enzym podobný lidskému COX-2 Diclofenac • akutní toxicita pro vodní organismy při 100 g.L-1 • chronická toxicita - pstruh duhový (Oncorhynchus mykiss), 28 dní, 1 g.L-1 - cytologické změny na játrech, ledvinách a žábrách, při 5 g.L-1 - léze na ledvinách a skřelích, vysoká bioakumulace v játrech • 25 g.L-1 - znatelná redukce růstu fytoplanktonu Ibuprofen • vitelogeneze, zvětšená játra a zvýšená produkce vajíček u ryb (Medaka japonská - Oryzias latipes) • test na Daphnia magma - redukce populací v rozmezí koncentrací 0-80 g.L-1 • okřehek (Lemna minor) - 7 dní,1 - 1 000 g.L-1, inhybice růstu

Pokles populace supů v Indii a Pákistánu • na počátku 90-tých let 20. st. – dramatický pokles (95%) populace bělohlavých supů(Gyps bengalensis) v jižní Asii • mnoho hypotéz o příčině – např. patogenní organismy, pesticidy • akutní selhání ledvin v důsledku akumulace kyseliny močové • Prof. J. Lindsay Oaks (Washington State University) – příčinou diclofenak(Nature,2004). • V Asii využíván ve veterinární medicíně • diclofenak selektivně toxický pro supy • nárůst případů vztekliny • Indie - regulace používání diclofenaku ve veterinární medicíně

Léčiva jako biocidy

Regulace žab pomocí kofeinu • U.S. EPA poskytla (27 Sept 2001) speciální výjimku povolující FIFRA použití kofeinu k hubení žab coqui(Eleutherodactylus coqui – free toe) na Havaji • povolena je aplikace 100-200 liber (1 lb = 2.205 kg) na akr (1akr = 0.405 ha), celkem maximálně 1 200 liber/rok • v důsledku neexistence přirozeného nepřítele může populace coqui frog dosáhnout hustoty 10,000 jedinců na akr • kompetice o hmyz se zpěvným ptactvem • hluk - až 100 db

Acetaminofen –hubení hadů • Acetaminofen – Paracetamol • Brown Tree snake (Boiga irregularis ), původem z východní Indonésie, invazivní druh na Guamu 1940 – 1950) • bez přirozených nepřátel – odhad hustoty populace 15 000 jedinců na čtvereční míli • decimuje populace ptáků, netopýrů a plazů • velké ekonomické ztráty – uštknutí lidí, likvidace domácích zvířat, poškození elektrického vedení • 80 mg v potravě (mrtvé myši) zabije hada do tří dnů. • dosud nepopsány otravy jiných živočichů J. J. Johnston et al. "Risk Assessment of an Acetaminophen Baiting Program for Chemical Control of Brown Tree Snakes on Guam: Evaluation of Baits, Snake Residues, and Potential Primary and Secondary Hazards," Environ. Sci. Technol. 2002, 36(17):3827-3833.

Syntetické estrogeny • Ethinylestradiol (EE2) a 17 – estradiol (E2) • ve vodě i 5 ng/L – potenciální nebezpečí pro vodní živočichy • Danio rerio – EE2 – 56 % pokles plodnosti • pstruh duhový – 0,1 ng/L – vitelogeneze u samečků • Orizias latipes – 0,03 mg/l - intersexualita

Cytostatika • nízká spotřeba (Německo 200 – 400 kg/ rok) vs. vysoké zdravotní riziko • karcinogeny, mutageny a teratogeny • nízká biodegradabilita, vysoké bilogické poločasy • (ifosfamid, voda, methanogenní podmínky – 120 dní) • baktericidní účinky (synergismus s antibiotiky) • vliv na samočistící schopnost vodních toků • snížení účinnosti ČOV • vysoké koncentrace v moči pacientů

Antiepileptika • látky ovlivňující CNS - snížení neuronální aktivity • blokáda napěťově řízených iontových kanálů pro Na - karbamazepin • zvýšení inhibičního účinku GABA - benzodiazepiny • karbamazepin • karcinogen pro myši, u savců neprokázána mutagenní aktivita • LC50(Danio rerio) = 43 g.L-1, EC50(Daphnia magma) = 92 g.L-1 • snížená aktivita blešivce potočního (Gammarus pulex) při 1 - 10 ng.L-1 • závažné poškození jater, ledvin a žáber u kapra - 20 g.L-1 • vysoké koncentrace v sedimentech

Anestetika • alkylfenoly (propofol) • podezření na genotoxické účinky • exkrece – více než 90 % nemetabolizován • předpoklad rychlé biodegradace profonolu i jeho metabolitů • organické fluoro(chloro)vodíky – ozónová vrstva

Antidepresiva • inhibice zpětného vychytávání serotoninu ze synaptické štěrbiny • antidepresivum Fluoxetin • velmi toxický pro fytoplankton (LC50 = 2 mg/L) • nalezen v tělech ryb v Texasu (0,1 mg/kg) • v koncentracích 5 g.L-1 během 4 týdnů ovlivnil hladinu estradiolu a způsobil vývojové abnormality u Medaky Japonské • antidepresivum Fluovoxamin • v koncentraci 0,32 g.L-1 vyvolává tření a předčasné dozrávání oocytů u škeble Dreissena polymorpha

Těžké kovy koncentrace Pt, Hg a Gd v odpadních vodách z nemocnic mohou být vyšší než v komunálních odpadních vodách • Platina • cis – platina a karboplatina (cytostatika) • zubní laboratoře – efektivní sběr odpadů • Rtuť • diagnostické látky (Thiomersal) • desinfekce (Merbromin, Nitromersol) • diuretika (mercorophylin) • teploměry - pokles • Kovy vzácných zemin (gadolinium, indium, osmium) • organokovové Gd – magnetická rezonance (MRI) • v nemocničních odp. vodách 1 – 100 ug/l (přirozené pozadí – 0,001 ug/l) • kontrastní media s Gd – nebiodegradabilní • Gd3+ - apoptóza makrofágů, poškození hepatocytů

Dezinfekční prostředky • kvartérní amonné soli – kationaktivní baktericidy • spotřeba 777 t Belgie, 21 450 t Francie, 28 892 t UK (1997) • úroveň v nemocničních odpadních vodách - jednotky mg/l • úroveň na výtoku z komunálních ČOV – setiny až desetiny mg/l • poškození vodních mikroorganismů v nízkých koncentracích • benzalkonium chlorid IC50 (aktivovaný kal) = 10 mg/l • inhibiční efekt na denitrifikační bakterie už při 1 – 2 mg/l • vznik rezistentních kmenů

Rezidua léčiv v životním prostředí