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 Procesy 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 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 Povrchové vody Podzemní vody Pitné vody 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 Situace v ČR 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 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 Toxikologie Ekotoxikologie Účinek toxické látka na člověka (lidskou populaci) Toxikokinetika (ADME) Toxikodynamika Akutní účinky Chronické účinky Výsledky z eperimentů na biologických modelech se extrapolují na člověka 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

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 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 přežití Dafnia magma EC50 = 0,09 - 0,74 g.L-1

Látky snižující obsah krevních tuků snížení koncentrace cholesterolu a triglyceridů v krvi 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 kalu 4-117ng.L-1, v povrchové vodě 1 ng. L-1

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 Léčivo Medicínské využití Biocid 4-aminopyridin roztroušená skleróza avicid (ptáci) Warfarin antikoagulant rodenticit (hlodavci) Triclosan součást zubních past biocid (všechno) Acetaminofen analgetikum hadi (Indonézie) Kofein stimulant žáby (Hawai) Diclofenac analgetikum, antipyretikum supi (Indie, Pákistán)

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

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