Citalopram w środowisku wodnym – czy stanowi zagrożenie ekologiczne?

Czy citalopram budzi ekologiczne zaniepokojenie?

Badanie eksperymentalne przeprowadzone na modelowym organizmie Daphnia magna dostarcza istotnych informacji na temat bioakumulacji i ekotoksyczności citalopramu (CIT), selektywnego inhibitora wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI), powszechnie stosowanego w leczeniu zaburzeń psychicznych. Eksperyment miał na celu ocenę potencjalnego ryzyka środowiskowego związanego z obecnością tego leku w ekosystemach wodnych.

Badanie opierało się na ekspozycji D. magna na dwa stężenia CIT (0,5 i 10 µg/L), reprezentujące poziomy wykrywane w środowisku wodnym. Stężenia te odpowiadają rzeczywistym wartościom notowanym w wodach powierzchniowych (setki ng/L) oraz ściekach miejskich (dziesiątki µg/L). W Indiach wykryto CIT w stężeniu 76 µg/L w wodach powierzchniowych i 1,4 µg/L w wodach studziennych, podczas gdy w miejskich oczyszczalniach ścieków w Stanach Zjednoczonych zaobserwowano wysokie wskaźniki wykrywalności (>80%). W miejskich ściekach w Kanadzie i Norwegii stężenia CIT osiągnęły odpowiednio 3,4-223 µg/L i 9,2-612 µg/L. Eksperymenty przeprowadzono w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, mierząc bioakumulację CIT, zmiany metaboliczne, odpowiedź behawioralną oraz aktywność enzymów antyoksydacyjnych.

Populacja badana składała się z 21-dniowych osobników D. magna, które losowo przydzielono do grup ekspozycyjnych (240 osobników na grupę). Pobieranie próbek przeprowadzano w interwałach czasowych 0, 3, 6, 12, 24, 36 i 48 godzin po ekspozycji. Czas ekspozycji (48 godzin) został wybrany na podstawie wcześniejszych badań, które wykazały, że jest to wystarczający okres do osiągnięcia stanu równowagi akumulacji CIT w organizmach D. magna. D. magna jest kluczowym modelem w ekotoksykologii ze względu na wysoką wrażliwość na zanieczyszczenia, krótki cykl życiowy i partenogenetyczne rozmnażanie, co ułatwia szybkie, opłacalne, wielopokoleniowe i przewlekłe badania toksyczności w standardowych warunkach laboratoryjnych.

Czy bioakumulacja i zmiany metaboliczne ujawniają toksyczny wpływ CIT?

Wyniki badania wykazały, że CIT wykazuje znaczący potencjał bioakumulacji w D. magna, z akumulacją zależną od czasu i stężenia. Przy stężeniu 0,5 µg/L, akumulacja przyspieszyła w ciągu pierwszych 12 godzin i ustabilizowała się na poziomie 285,6 µg/kg po 48 godzinach. Przy wyższym stężeniu 10 µg/L, szybkie wchłanianie nastąpiło w ciągu pierwszych 24 godzin, osiągając stężenie równowagi 673,6 µg/kg po 48 godzinach. Współczynniki biokoncentracji (BCF) obliczono jako 571,2 L/kg dla stężenia 0,5 µg/L i 67,36 L/kg dla stężenia 10 µg/L, co wskazuje na silniejszy potencjał bioakumulacji przy niższych, środowiskowo istotnych stężeniach. Zjawisko to może być związane z mechanizmami regulacji metabolicznej, gdzie aktywne wchłanianie CIT może dominować przy niskich stężeniach, podczas gdy procesy detoksykacji lub zwiększona eliminacja mogą redukować BCF przy wyższych stężeniach.

Interesujące zmiany zaobserwowano w dostępności energii metabolicznej. Przy niskim stężeniu CIT (0,5 µg/L) odnotowano znaczący wzrost zawartości białek (+45%) i lipidów (+32%), co skutkowało 1,78-krotnym wzrostem całkowitej energii. Przy wyższym stężeniu (10 µg/L) zaobserwowano znaczący wzrost zawartości lipidów, a całkowita dostępna energia wzrosła 1,25-krotnie w porównaniu z grupą kontrolną. Zjawisko to może być przypisane reakcjom fizjologicznym wywołanym stresem, prowadzącym do syntezy białek stresowych. Mechanizm ochronny aktywowany przy niskim stężeniu CIT charakteryzuje się syntezą białek związanych ze stresem w celu naprawy i uzupełnienia rezerw energetycznych. Natomiast przy wysokim stężeniu CIT te mechanizmy adaptacyjne zostały zahamowane, co skutkowało nadmiernym wydatkowaniem energii i zwiększonym katabolizmem lipidów. Stała zawartość węglowodanów w obu grupach sugeruje, że D. magna priorytetowo traktuje lipidy zamiast węglowodanów jako źródło energii podczas stresu, prawdopodobnie ze względu na wysokie zapotrzebowanie energetyczne związane z planktonowym trybem życia.

Czy CIT zaburza funkcje neurologiczne i odżywianie?

CIT wywierał również istotny wpływ na zachowania D. magna. Fototaksja (ruch w kierunku lub od źródła światła) była stopniowo hamowana przy stężeniu 0,5 µg/L w okresie 6-24 godzin, a następnie znacząco zredukowana po 48 godzinach. Przy stężeniu 10 µg/L zaobserwowano istotne zmniejszenie fototaksji już po 6 godzinach, następnie znaczący wzrost po 12 godzinach, a potem ciągły wyraźny spadek. Na poziomie molekularnym, CIT jako SSRI zaburza neurotransmisję 5-HT, kluczową dla koordynacji fototaksji u D. magna. Przewlekła ekspozycja (0,5 µg/L) może prowadzić do downregulacji receptorów 5-HT1A w płacie wzrokowym, podczas gdy ostra ekspozycja na wysokie dawki (10 µg/L) może indukować stres oksydacyjny, potencjalnie uszkadzając fotoreceptory zawierające rodopsynę.

W zakresie zachowań związanych z odżywianiem, wyniki wskazały na indukowane odpowiedzi przy niskim stężeniu CIT, podczas gdy podobna indukcja była obserwowana przy wysokim stężeniu, choć nie była statystycznie istotna. Przy stężeniu 0,5 µg/L wskaźniki filtracji wzrosły o 32% w porównaniu z kontrolą. Wynik ten może być związany z akumulacją acetylocholiny (ACh) wynikającą z hamowania acetylocholinoesterazy (AChE). Mechanistycznie, CIT może pośrednio wpływać na dynamikę ACh poprzez interakcję między układem serotoninergicznym a cholinergicznym: akumulacja serotoniny zwiększa presynaptyczne uwalnianie ACh, podczas gdy kompetycyjne hamowanie AChE przedłuża aktywność synaptyczną ACh. Podwójne działanie – podwyższona dostępność ACh i opóźniona degradacja – wzmacnia perystaltykę jelit, zwiększając zarówno wskaźniki filtracji, jak i spożycia. Efekty stymulujące zanikały przy stężeniu 10 µg/L, prawdopodobnie dlatego, że dysfunkcja mitochondrialna równoważyła stymulację neurologiczną.

Jak molekularne zmiany odzwierciedlają stres wywołany CIT?

W odniesieniu do aktywności enzymów antyoksydacyjnych, przy niskim stężeniu (0,5 µg/L) CIT znacząco hamował aktywność katalazy (CAT) o 49%, ale indukował aktywność transferazy glutationowej (GST) o 58%. Przy wysokim stężeniu (10 µg/L) CIT hamował zarówno CAT (36%), jak i GST (24%), podczas gdy aktywność dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) nie uległa istotnym zmianom. Hamowanie CAT może wynikać z bezpośredniego zakłócania aktywnych miejsc enzymu przez CIT (np. wiązanie z kofaktorami metalicznymi Cu/Zn-SOD) lub indukcji nadmiernej produkcji anionu ponadtlenkowego, prowadzącej do przeciążenia systemu enzymatycznego. Aktywacja GST jest związana ze wzmocnionymi szlakami detoksykacji fazy II, zmniejszającymi toksyczność elektrofilowych zanieczyszczeń poprzez reakcje koniugacji z glutationem. Ponadto, regulacja w górę GST może kompensować defekty funkcjonalne CAT, utrzymując homeostazę redoks.

Analiza ekspresji genów wykazała, że ekspresja genu 18s była znacząco obniżona przy stężeniu CIT 10 µg/L. Ekspresja genu cat była znacząco podwyższona przy stężeniu 10 µg/L, co prawdopodobnie stanowi adaptacyjną odpowiedź na stres oksydacyjny wywołany przez CIT, taki jak akumulacja nadtlenku wodoru (H₂O₂). Ekspresja genu cat była zwiększona, a aktywność enzymu CAT zmniejszona o 36% przy stężeniu 10 µg/L, co sugeruje, że regulacja post-transkrypcyjna może odgrywać kluczową rolę w modulowaniu funkcjonalności enzymu. Ekspresja genu gst była zwiększona przy stężeniu 0,5 µg/L i nieznacznie zmniejszona przy 10 µg/L, co jest zgodne ze zmianami aktywności enzymu GST.

Wskaźnik IBR_v2 (Integrated Biomarker Response) został wykorzystany do porównania kompleksowego stresu wywołanego różnymi stężeniami CIT. Wartości IBR_v2 dla D. magna eksponowanych na stężenia CIT 0,5 i 10 µg/L wynosiły odpowiednio 10,50 i 8,09. W porównaniu z grupą eksponowaną na 0,5 µg/L, biomarkery takie jak gen cat, CAT i SOD były indukowane w grupie eksponowanej na 10 µg/L. Biomarkery takie jak fototaksja, gen 18s, gen gst, GST, białko, lipidy, węglowodany, filtracja i spożycie były hamowane. Co ciekawe, stres wywołany ekspozycją na CIT był silniejszy przy stężeniu 0,5 μg/L, co może wynikać z faktu, że CIT przy stężeniu 10 μg/L szybciej uruchamia mechanizm obronny i redukuje stres oksydacyjny poprzez ekspresję genów enzymów SOD, CAT i GST.

Wyniki te sugerują, że leki przeciwdepresyjne wywołują ekotoksyczność poprzez szlaki stresu oksydacyjnego i złożone mechanizmy obejmujące zakłócenia przekaźnictwa nerwowego (np. zachowania związane z odżywianiem regulowane przez serotoninę), modulację funkcji sercowych i zaburzenia metabolizmu składników odżywczych. Badanie to wykazało, że CIT indukuje wieloaspektowe efekty toksyczne w D. magna, w tym bioakumulację, zmiany behawioralne i stres oksydacyjny, nawet przy stężeniach odpowiadających tym występującym w środowisku wodnym. Przyszłe badania powinny integrować transkryptomikę (np. ekspresja genów SOD/CAT) i metabolomikę (np. analiza produktów peroksydacji lipidów) w celu ujawnienia wielowarstwowych mechanizmów toksyczności CIT oraz badać synergistyczne efekty CIT z innymi współwystępującymi zanieczyszczeniami (np. mikroplastikami, metalami ciężkimi), ponieważ łączne ekspozycje mogą zwiększać ryzyko ekologiczne.

Podsumowanie

Przeprowadzone badanie eksperymentalne na organizmie Daphnia magna dostarcza istotnych informacji o wpływie citalopramu (CIT) na ekosystemy wodne. Wykazano, że lek wykazuje znaczący potencjał bioakumulacji, z wartościami współczynnika biokoncentracji (BCF) wynoszącymi 571,2 L/kg przy stężeniu 0,5 µg/L i 67,36 L/kg przy 10 µg/L. Ekspozycja na CIT prowadzi do znaczących zmian metabolicznych, w tym wzrostu zawartości białek i lipidów, oraz wpływa na zachowania organizmu, szczególnie w zakresie fototaksji i odżywiania. Na poziomie molekularnym zaobserwowano istotne zmiany w aktywności enzymów antyoksydacyjnych oraz ekspresji genów. Badanie ujawniło, że CIT wywołuje wieloaspektowe efekty toksyczne nawet przy stężeniach odpowiadających tym występującym w środowisku naturalnym, co wskazuje na potencjalne zagrożenie ekologiczne związane z obecnością tego leku w wodach.