Neuroactive psychotropic drugs in aquatic systems and the co-treatment of non-target organisms

Gundlach, Michael; Schäffer, Andreas; Hollert, Henner

doi:HT021260480

Neuroactive psychotropic drugs in aquatic systems and the co-treatment of non-target organisms = Neuroaktive Psychopharmaka in aquatischen Systemen und die Mitbehandlung von Nicht-Zielorganismen

Gundlach, Michael^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Gundlach, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hollert, Henner (Thesis advisor) ; Schäffer, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01249
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840423/files/840423.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
behaviour (frei) ; gene expression (frei) ; neurotoxicity (frei) ; risk assessment (frei) ; zebrafish (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Frage nach den größten Folgen des menschlichen Einflusses auf Erden für Ökosysteme unterschiedlicher Art, hat sich im Laufe der letzten Jahrhunderte stetig verändert. Eine Momentaufnahme der aktuellen Situation legt vor allem drastische Folgen durch den Klimawandel und den Verlust von unterschiedlichen Arten für das Leben auf der Erde offen und zeigt dabei, wie sehr der Mensch seine Umgebung verändert. Eine in diesem Zusammenhang schwerwiegende, jedoch auf den ersten Blick deutlich weniger sichtbare Gefahr geht von der Verunreinigung der Süßwassersysteme durch Mikroschadstoffe aus. Die daraus resultierenden Folgen führen zu massiven Schäden in aquatischen Artengemeinschaften und besitzen aufgrund der engen Verbindungen auch negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Es handelt sich dabei um eine inhomogene Gruppe von Kleinstpartikeln und Chemikalien, die die Qualität des Trinkwassers massiv verschlechtern können und die bisher in vielen Fällen durch konventionelle Reinigungsmethoden nur unzureichend eliminiert werden konnten. Eine seit den vergangenen Jahrzehnten produktions- und verwendungstechnisch stetig steigende Gruppe von Mikroschadstoffen sind humane Psychopharmaka. Steigende Belastungen in unterschiedlichen Lebensbereichen lassen Krankheitsbilder wie Depression und Burnout stetig zunehmen, wodurch auch die Verabreichung von neuroaktiv wirksamen Pharmazeutika jährlich zunimmt. Diese Stoffe gelangen abschließend durch Exkretion oder falsche Entsorgung in die aquatische Umwelt und führen dort zu massiven Schäden. Um diesen Folgen entgegenzuwirken existiert eine von der European Medicines Agency formulierte Richtlinie, in der ein zweistufiges Verfahren zur Testung der Umweltgefahr von pharmazeutischen Wirkstoffen eindeutig festgelegt wird. Dieses System basiert jedoch auf einer Auswahl von biologischen Testverfahren die ausschließlich OECD und ISO-validiert sind. Dadurch besitzt dieser Ansatz deutliche Lücken in der Anwendung auf neuroaktiv wirksame Substanzen, da diese im Anwendungsprozess darauf ausgelegt sind bei sehr niedrigen Konzentrationen einen spezifischen Effekt im Nervensystem auszulösen. Die dabei auftretenden Effekte auf molekularer und physiologischer Ebene werden durch die allgemeinen Standardtests nicht einheitlich und detailliert genug aufgenommen, weshalb sie für die Bewertung nicht berücksichtigt werden. Diese bereits in den vergangenen Jahren oftmals aufgezeigte Problematik, wurde bisher noch nicht für die in der Umwelt fast immer auftretenden Substanzmischungen untersucht. Basierend auf einem gestuften Ansatz, wurde dabei die Reinsubstanz Mirtazapin, künstlich hergestellte Mischungen verschiedener neuroaktiver Substanzen, sowie native Proben aus Krankenhausabwasser untersucht. Im Schwimmverhalten von Zebrafischembryonen konnte dabei für Mirtazapinkonzentrationen ab 1 mg/L eine Aktivitätsabnahme von mehr als 45 % im Vergleich zu den Kontrollgruppen gemessen werden. Im Vergleich dazu nahm die Schwimmaktivität von Daphnien konzentrationsabhängig zu. Bei den komplexeren Proben, die künstlich hergestellt worden sind, als auch bei den nativen Umweltproben konnten sedierende Wirkungen auf das Schwimmverhalten von Zebrafischembryonen gemessen werden. Die Aktivitätsabnahmen waren dabei auch für Stoffkombinationen mit komplementären Wirkmechanismen messbar. Auf genregulatorischer Ebene konnten Steigerungen um das 8-fache im Vergleich zur Kontrollgruppe insbesondere bei Genen des Serotonin- und Dopaminsystems (slc17a6a, slc2a2, slc6a3a) gemessen werden. Die Analyse nativer Krankenhausabwasserproben wurde im interdisziplinären Umfeld unter anderem in Kooperation mit der Psychiatrie des Uniklinikums Aachen, sowie dem Umweltforschungszentrum in Leipzig durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine Aktivitätsabnahme des Schwimmverhaltens von Zebrafischembryonen in Abhängigkeit von der Konzentration der wiedergefundenen Neuropsychopharmaka. Erhöhte Abnahmen konnten dabei zu Tagesbeginn und am frühen Nachmittag gemessen werden. Auf Geneebene konnte unter anderem eine Erhöhung von Genen des Serotoninsystems gemessen werden. Zurückgeführt werden können die Verhaltenseffekte voraussichtlich auf eine Überladung des zentralen neuronalen Systems, welches für die Koordination der Bewegungen verantwortlich ist. Das zentrale Ziel dieser Arbeit, die Entwicklung eines mehrstufigen Testansatzes auf unterschiedlichen biologischen Ebenen, zur Abschätzung der Umweltauswirkungen dieser Substanzen konnte mithilfe der Studien erreicht werden. Durch einen gestuften Ansatz von der Analyse der Auswirkungen der Reinsubstanz Mirtazapin bis zur finalen Untersuchung einer komplexen Krankenhausabwasserprobe wurden unterschiedliche Endpunkte auf Verhaltens-, zellulärer- und Genexpressionsebene analysiert und diskutiert. Abschließend konnten die Ergebnisse zur Formulierung von Handlungsempfehlungen für die zukünftige Gefahrenbeurteilung dieser Stoffe genutzt werden, um langfristig eine möglichst hohe Zahl von aquatischen Organismen gegenüber diesen Stoffen zu schützen.

The focus on the analysis of the major consequences of human impact on Earth for different ecosystems has been constantly changing over the last centuries. A brief overview of the current situation reveals the drastic consequences of climate change and the loss of different species for life on earth and shows how much humans are changing their environment. A serious but much less visible environmental problem is the contamination of freshwater systems by micropollutants, as the resulting consequences cause massive damage at aquatic species communities and have negative impacts on human health due to the closely connected circular systems. Micropollutants are an inhomogeneous group of various microparticles and chemicals that deteriorate the quality of drinking water and which can only be insufficiently eliminated by conventional purification methods. One group of micropollutants whose concentration in the environment has been steadily increasing are human psychotropic drugs. Increasing stress in different life areas is one reason for mental illnesses like depressions and burnout, which leads to an annual increase in the development and use of neuroactive pharmaceuticals. These substances finally enter the aquatic environment through excretion or incorrect disposal and cause ecological changes in the structure of the ecosystems. The European Medicines Agency has formulated a guideline to counteract these consequences, which clearly defines a two-stage procedure for testing the environmental hazard of active pharmaceutical ingredients. However, this system operates on the principle that not all pharmaceuticals need to pass through both stages and that only OECD and ISO-validated standard tests may be used for data generation in the selection of biological test methods. This approach has clear limitations in the effect analysis of neuroactive substances because they are designed to trigger a specific effect at a specific concentration range in the nervous system. The effects that occur at the molecular and physiological levels could not uniformly be measured by general standard test methods and many problems caused by these substances could not be quantified completely. This problem has not yet been sufficiently investigated for the mixtures of these substances that always occur in the environment. A tiered approach was used to investigate the pure substance mirtazapine, artificially prepared mixtures of various neuroactive substances, and native samples from hospital wastewater. The swimming behavior of zebrafish embryos, showed a decreased activity of more than 45 % for mirtazapine concentrations of more than 1 mg/L compared to the control groups. In comparison, the swimming activity of Daphnia magna increased concentration-dependently for the measured concentrations from 0.1 – 200 µg/L mirtazapine. Sedative effects on the swimming behavior of zebrafish embryos could be measured in the more complex samples that were artificially produced as well as in the native environmental samples. The activity decreases were also measurable for substance combinations with complementary modes of action. At gene regulatory level, increases of 8-fold were measured compared to the control group for genes of the serotonin- and dopamine-systems (slc17a6a, slc2a2, slc6a3a). The analysis of native hospital wastewater samples was carried out in an interdisciplinary cooperation i.e. with the Psychiatry Department of the University Hospital Aachen and the Environmental Research Center in Leipzig. The results show a decreased activity for the swimming behavior of zebrafish embryos in relation to the concentration of the recovered neuropharmaceuticals. Activity decreases were measured at the beginning of the day and in the early afternoon. At the gene level, an increase in genes i.e. of the serotonin system could be measured. The behavioral effects can probably be attributed to an overload of the central neural system, which is responsible for the coordination of the movements. The central objective of this work was the development of a tiered test approach on different biological levels to improve the environmental risk assessment for neuroactive substances. Therefore, different quantification methods on physiological level and various ways of quantification these effects on cellular and molecular level are tested and improved. Finally, the results should help to set up recommendations on regulatory level for a better protection of aquatic non-target organisms against these substances in the future.

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