• nanomuanyag_ED

Nanoműanyagok endokrin diszruptor hatása

Bevezetés

Az utóbbi évtizedekben világszerte ugrásszerűen megnőtt a műanyagelőállítás, 2015-ben ez a mennyiség a 322 millió tonnát is meghaladta, 2050-re pedig már elérheti a 33 milliárd tonnát (Amereh és mtsai, 2019). UV fény, mechanikai behatások és hidrolízis hatására a felhalmozott műanyag hulladék kisebb méretű partikulákra degradálódik (Ter Halle és mtsai, 2017). A folyamat során mikroméretű részecskék keletkeznek, amelyek még tovább fragmentálódhatnak nanoműanyagokká.

A polietilén, a polipropilén és a polivinil-klorid (PVC) mellett a polisztirén az egyike azoknak a nanoműanyag polimereknek, amelyek a tengerekben és óceánokban nagy valószínűséggel előfordul (1. ábra). Egy 2016-os modell alapján (Kooi és mtsai, 2016) a nanorészecskék főként a vizek felszínén, az első 3 méteres mélységen belül lebegnek, ezért is jelentenek nagyobb veszélyt a bioplanktonra és az azon táplálkozó élőlényekre (Varó és mtsai, 2019).

A nanoműanyagok befolyása az organizmusokra

A nanorészecskék 100 nanométernél kisebb átmérőjűek és magas felszín/térfogat arányuknak köszönhetően könnyen kölcsönhatásba lépnek környezetükkel. Különböző organizmusok biológiai membránjain áthatolva a sejt belsejében felhalmozódnak és az ott zajló biokémiai folyamatokat befolyásolhatják (Amereh és mtsai, 2020).

Kutatások jelenlegi stádiuma alapján a nanoműanyagok képesek több ponton felborítani a hormonális szabályozást, így ezeket az endokrin diszruptorok közé sorolják. Endokrin diszruptornak nevezzük azokat a külső eredetű anyagokat, amelyek a szervezetbe jutva megváltoztatják a hormonrendszer funkcióit (Kumar és mtsai, 2020).

Nanoműanyagok juvenil hormonra gyakorolt hatása

Az Artemia franciscana a sórákfélék családjába tartozó gerinctelen, aminek fő tápanyag forrása a plankton. Számos kísérlet foglalkozott a tengerek ekotoxikus komponenseire érzékeny Artemia lárvák fejlődési rendellenességeivel. Köztük Varó és mtsai (2019) két csoportra osztva vizsgálták a rövid távú, 48 órás és a hosszabb távú, 14 napos amino-polisztirén nanorészecske hatását nauplius stádiumú lárvákon. A vizsgálatok végezetével endokrin diszrupció jeleit figyelték meg.

A felállított hipotézis szerint specifikus élettani és biokémiai változásokat generálhat a nanorészecske mind a rövid, mind a hosszútávú kitettség alatt. A kísérletek végezetével a nagyszámú elhalálozás mellett konkrétabb eredményeket is megfigyeltek. A rövidtávú aminált-polisztirén fertőzöttség következményében az élő lárvák testhosszai között nem lehetett szignifikáns különbséget tenni. Ellenben a hosszabb kitettség már befolyással volt a nauplius, illetve a többi lárva stádium morfogenezisére, többszöri vedlés és visszamaradt fejlődés volt megfigyelhető.

Feltételezheően ennek hátterében felborult élettani funkció állhat, miszerint az ízeltlábúakban jelenlévő juvenil hormon bomlása nem volt megfelelő. A juvenil hormon megakadályozza azokat a biokémiai folyamatokat, amik lehetővé teszik a lárva fejlődését a következő stádiumig. Ha ez a hormon nagy koncentrációban marad fenn, akkor az egyedfejlődés nagymértékben lassul.

Sórákokban ez a hormon a metil-farnezoát, amit karboxilészterázok bontanak. Korábbi tanulmányok és e jelenlegi bizonyítják, hogy a polisztirén nanoműanyagok inhibitorként hatnak a karboxilészterázok működésére. Ha ez az enzimcsoport gátlódik, akkor nem bomlik le a metil-farnezoát, és ennek eredményeképp nem fejlődnek normál intenzitással az Artemia lárvák. Feltételezés szerint a nem megfelelő lárva fejlődés letális lehet, amit a kísérletben tapasztalt magas elhullási arány támaszt alá. (Varó és mtsai, 2019)

Nanoműanyagok hatása a glükóz-anyagcserére

A polisztirén eredetű nanorészecske gyakran okoz biokémiai átalakulást, így alapvető folyamatokba belépve, mint a szénhidrát- vagy lipidanyagcsere, viselkedési változást eredményez. Főként a gasztrointesztinális traktusban halmozódik fel, de a külső bőrszöveti tájékon is lerakódik. Legnagyobb koncentrációban a vékonybél, a hasnyálmirigy és az epehólyagban mérhető (Brun és mtsai, 2019).

Brun és mtsai (2019) zebrahal, avagy zebradánió (Danio rerio) lárvákat vizsgáltak különböző polisztirén nanorészecske koncentrációnak kitéve. Az eredmények alapján a fertőzött halakban szignifikánsan csökkent a vérglükóz- és az inzulinszint, ellenben a kortizol koncentráció nőtt. A kísérlet során egyaránt megfigyelhető volt a zebradánió lárvák sötétben való nem megszokott hiperaktivitása, illetve kevés táplálék felvétellel járó hipoaktiviása.

A polisztirén nanoműanyag felhalmozódásával indukált kortizol és glükóz koncentrációváltakozás a HPI-tengely (hypothalamic-pituitary-interrenal axis) aktiválódását bizonyítja. Stressz behatására a legtöbb emlős és a valódi csontoshalak (Teleostei) esetében automatikusan aktiválódik a HPI-tengely, ami negatívan leszabályozza a táplálékfelvételt (Bernier és Peter, 2001).

A polisztirén részecskék felhalmozódása stresszorként hat a zebrahal lárvákra, így az aktív HPI-tengely következményében jelentősen visszaesik a glükóz koncentráció, viszont a stressz indukálta kortizol koncentráció szignifikánsan emelkedik, ami szabályozza az idegi aktivitást, így stimulálni képes a glükoneogenezist (2. ábra). A kortizol, fokozott izgalmi állapotban, az intracelluláris glükokortikoid-receptorokon keresztül működésbe lép és up-regulációt vált ki a glükóz-6-foszfatáz és laktát-dehidrogenáz enzimekre, ezáltal közvetetten emelni tudja a glükóz koncentrációt. A legmagasabb polisztirén nanoműanyag koncentrációnak való kitettség váltakozva növeli a glükoneogén- vagy glükolitikus aktivitást zebrahal lárvákban, ezért figyelhető meg a kiugró hiperaktivitás vagy ezzel ellentétesen a hipoaktivitás.

Ugyanakkor elképzelhető, hogy a megfigyelt viselkedési változások erősen függenek a lárvák fejlődési stádiumától és a nanoműanyag részecskék összetételétől. Például felnőtt zebrahalakban arannyal szennyezett más típusú nanopolisztirén részecskék esetében gyulladásos reakciókat is észleltek (Brun és mtsai, 2019).

Ivari működés befolyásolása

Az endokrin rendszer fontos részei az ivari működést irányító hormonok, melyek különösen hímekben nagyon érzékenyek a külső behatásokra (Amereh és mtsai, 2020). Szexuálisan érett hím Wistar patkányokon vizsgálták a polisztirén nanoműanyagok endokrin diszruptor hatását. A 35 napon át tartó kísérlet alatt kis, közepes és magas dózisban orálisan adagolták a nanopartikulákat az állatoknak, majd megvizsgálták azok hatását a szexuálhormonok plazmakoncentrációira nézve.

A kísérletben a luteinizáló hormon (LH), a follikulus-stimuláló hormon (FSH) és a tesztoszteron(T) hormonkoncentrációja is szignifikánsan lecsökkent a vérben (3. ábra), (4. ábra). Az eddigiekben leírt hormonok bizonyítottan fontos szerepet játszanak a spermatogenezisben, így a normál hím ivari működésben és szaporodóképességben is. Megjegyzendő, hogy az FSH szintje eltérő tendenciát mutatott a legmagasabb dózisnál, ahol a koncentrációja erőteljesen megemelkedett. Hasonló, nem-lineáris változást kiváltó mechanizmust már megfigyeltek más endokrin diszruptoroknál is (Welshons és mtsai, 2003).

A nanoműanyagok molekuláris szinten is megváltoztatják a hormontermelést, ami az egész hipotalamusz-hipofízis-gonád tengelyre kiterjed. A hipotalamuszban termelődő gonadotropin-serkentő hormon (GnRH) génje up-regulálódik, ami fiziológiás esetben a hipofízis LH és FSH termelését serkenti. Ennek ellenére az FSH és LH génjeinek csökkenő expressziója volt tapasztalható.

Egyéb, a spermatogenezisben fontos szerepet játszó géneken hasonló szupresszáló hatást figyeltek meg. Ilyenek a DAZL (Deleted in azoospermia-like) és PLZF (promyelocytic leukaemia zinc finger) gének, amelyek down-regulációja számottevő volt a legmagasabb dózis esetét kivéve. Az ABP (androgén binding protein) fehérje génjének expressziója is csökkent. Az ABP esszenciális a spermatogenezis fenntartása mellett a tesztoszteron szintjének szabályzásában is (Amereh és mtsai, 2020).

A pajzsmirigyfunkció megváltoztatása

A nanoműanyagok endokrin diszruptor hatása a pajzsmirigy hormontermelésén is megfigyelhető. Amereh és mtsai. (2019) által végzett kutatásban Wistar patkányoknak adagoltak különböző dózisú polisztirén nanoműanyagokkat 35 napon át, majd a kezelt állatok vérmintáiban vizsgálták meg a pajzsmirigyhormonok plazmakoncentrációinak változásait.

Az eredmények alapján a pajzsmirigy-serkentő hormon (TSH) koncentrációjának elemzésénél a magasabb dózisok esetében növekedő tendenciát figyeltek meg. A pajzsmirigyhormon inaktív formája, a tiroxin(T4) szintje változatlan maradt, ami a T4 szintézis és szekréció zavartalan működését bizonyítja. Az aktív forma, a trijód-tironin (T3) plazmakoncentrációjánál ellenben a nanoműanyag-részecskék dózisának emelésével egyre erősebb, de nem szignifikáns csökkenést tapasztaltak. A vérben nem csak fehérjéhez kötve, mint a T3 és a T4 esetében, hanem szabad formában is keringenek a pajzsmirigyhormonok. A free-trijód-tironin (FT3) szint a dózis növelésével egyre erőteljesebben csökkent. Továbbá a free-tiroxin (FT4) koncentrációban is csökkenés volt tapasztalható, a legmagasabb dózis esetében ez a változás már statisztikailag szignifikáns volt.

Az aktív és inaktív formák egymáshoz viszonyított arányából következtethetünk a periférián történő hormonátalakítás és felhasználás működésére. A T3/T4 arányban nem volt észlelhető számottevő változás. Az FT3/FT4 arány azonban a dózisok adagolásával fokozatosan emelkedett, a legmagasabb dózisú esetben a növekedés mértéke szignifikáns volt. Ennek alapján megállapítható, hogy a tanulmányban a hormonszintek változását a metabolizmus szintjén változtatták meg a polisztirén nanoműanyagok.

Jelen vizsgálat eredményei összességében tekintve nem szignifikánsak, mégis komoly aggodalomra adhatnak okot. Bizonyított, hogy a pajzsmirigyhormonok koncentrációjának változása zavart okozhat a normál fejlődésben, növekedésben, anyagcserében és a szexuális működésben.

Emellett feltételezhető, hogy idősebb alanyokat vizsgálva ez a kísérlet kifejezettebb elváltozásokat mutatna. A hipotézis magyarázata abban keresendő, hogy más, a pajzsmirigyműködésbe beleavatkozó hatások a korral előrehaladva gyakrabban jelennek meg. Ezt számos kutatás alátámasztja, melyek szerint a goitrogén hatású anyagok másképpen hatnak a fiatalabb és idősebb szervezetekre (Grad és Hoffman, 1955).

Mérgező anyagok adszorpciója

A nanoműanyagok apró méretüknek köszönhetően könnyen átjutnak a membránokon, nagy adszorpciós képességüknek hála pedig nem csak közvetlenül, hanem az általuk megkötött mérgező anyagokon keresztül is képesek hatni az szervezetre, mivel segítik a toxikus anyagok bejutását a sejtekbe (Cortés-Arriagada, 2021). A tiszta polimerek már a belőlük készült termékek előállításakor is kapcsolatba kerülnek mérgező vegyületekkel, adalékanyagokkal. Ilyen anyag például a biszfenol-A, amit a polikarbonát műanyagok gyártásához használnak. Ösztrogénszerű hatása miatt endokrin diszruptor, valamint immuntoxikus, és fejlődésgátló hatása is ismert (Chen és mtsai, 2017). Az is előfordulhat, hogy a nanorészecske a természetben köti meg a környezetszennyezéssel vagy természetes úton keletkezett, elsősorban vizekbe jutott anyagokat.

A nanoműanyagok kölcsönhatása cianobaktériumokkal

A klímaváltozás és a környezetszennyezés gyakran cianobaktériumok elszaporodásához vezet az édesvizekben. Ezek különböző mérgező vegyületeket, mikrocisztineket termelnek, amelyek világszerte okoznak problémát a vizekben. Májkárosító, nefrotoxikus, neurotoxikus, és immuntoxikus hatásuk is ismert, valamint kutatások igazolták, hogy hatással vannak a halak növekedésére és fejlődésére (Sun és mtsai, 2012). Kóros génexpressziót okoznak a hipotalamusz-hipofízis-pajzsmirigy tengelyen, és növekedési retardációhoz vezetnek a növekedési hormon és az inzulinszerű növekedési hormon gátlása révén. Csökkentik a T3 és T4 szintet, mert változásokat okoznak a hormontermeléshez szükséges gének expressziójában. A mikrocisztinek felhalmozódnak a szervezetben, ráadásul az anyáról az utódokra is átadódhatnak.

Zuo és mtsai (2021) zebrahalakon (Danio rerio) vizsgálták a polisztirol nanorészecskék hatását önmagában és mikrocisztinnel szimultán adagolva. Az állatokat 21 napig kezelték polisztirollal és mikocisztinnel szennyezett vízzel, majd a már tiszta vízben kikelt utódok testméreteit és pajzsmirigyhormonjaik szintjét vizsgálták. A kizárólag nanoműanyaggal kezelt csoport utódaiban nem, viszont a mikrocisztinnel, illetve a mikrocisztinnel és nanoplasztikkal kezelt csoport utódainál azonban jelentős változást tapasztaltak a kontrollcsoporthoz képest. A mindkét komponenssel együtt kezelt csoportban volt a legjelentősebb változás, itt csökkent a legnagyobb mértékben a T3 és T4 hormonok szintje (5. ábra), (6. ábra).

A polisztirol nanorészecskék felerősítik a mikrocisztin toxikus hatását. A különböző koncentrációnak kitett csoportok mindegyikében nagyobb volt a toxikus hatás a mindkét komponenssel kezelt halakban, mint a kizárólag mikrocisztinnel kezeltekben.

A nanoműanyagok kölcsönhatása trifenil-foszfáttal

A trifenil-foszfát, mint szerves foszfát vegyületet széles körben alkalmazzák háztartási cikkekben, mint égésgátlót. A levegőben és a porban fordul elő leggyakrabban, de az utóbbi években egyre sűrűbben mutatták ki a vizekben is (Zhang és mtsai, 2018). A trifenil-foszfát endokrin diszruptor hatású szer, génexpressziós zavarokat okoz és felborítja a nemi hormonok egyensúlyát. Negatívan hat a fejlődésre, a szexuális differenciálódásra és a reprodukciós képességre. A nőstényekben androgenitást, a hímekben ösztrogenitást okoz.

He és mtsai (2021) szintén zebrahalakon (Danio rerio) vizsgálták a trifenil-foszfát és a nanopartikulák hatását. Megvizsgálták a máj fiziológiás állapotán és energiatartalmán alapuló hepatoszomatikus indexet (HSI), amit gyakran használnak a szervezet energia tartalékainak indikátoraként. Továbbá elemezték a gonadoszomatikus indexet (GSI), ami az ivarmirigyek fejlődési állapotát jelzi, és gyakran használják a reproduktív tevékenység értékelésére. Ezen kívül megmérték a halak ösztradiol, tesztoszteron, és vitellogenin szintjét. Az ösztrogén az elődleges női, a tesztoszteron az elődleges hím nemi hormon, fontos szerepük van a nemi differenciálódásban. A vitellogenin a halak májában termelődik, elengedhetetlen a petesejtek éréséhez és a sikeres szaporodáshoz. Hímekben jó endogén kórjelző.

A polisztirol önmagában nem váltott ki szignifikáns hatást a halakra, viszont jelenléte tovább súlyosbította a trifenil-foszfát májra ható toxicitását, amit a hímekben és nőstényekben egyaránt megemelkedett HSI érték bizonyít. A GSI index mérési eredményei alapján a nanopolisztirol jelenléte nem befolyásolta jelentősen a trifenil-foszfát hatását a kezelt csoportokban. Ellenben a hím és nőstény halak nemi mirigyeinek megnagyobbodása volt tapasztalható a kizárólag trifenil-foszfáttal kezelt csoporthoz képest.

A trifenil-foszfáttal és nano polisztirollal együtt kezelt hím csoportban jelentősen nőtt az ösztradiol szint, ezzel szemben a nőstény csoportban nem volt szignifikáns a változás. Feltételezhetően amiatt, hogy a nőstény halaknak magasabb a belső ösztrogénszintje, így kevésbé voltak érzékenyek az exogén ösztrogénre. Az ösztradiol- és tesztoszteronszint mindkét nemben jelentősen megváltozott. A vitellogeninszint nőstényekben és hímekben is közelítőleg kétszeresére nőtt, ezzel is hozzájárulva a hímekben az ösztrogenitásához (He és mtsai 2021).

Kitekintés

A fentiek alapján kijelenthetjük, hogy számtalan módon képesek a nanoműanyagok beleavatkozni az endokrin rendszerbe, így a pajzsmirigyhormonok, az ivari hormonok és a glükózanyagcsere hormonális szabályzásába is. Emellett megfigyelték, hogy a nanoműanyagok szervezetbe kerülése elősegíti a természetes környezetben lévő más toxikus anyagok felhalmozódását is az organizmusokban.

Jelen vizsgálatok rákfélék, halfélék és rágcsálók szervezetének reakcióit vizsgálták a nanoműanyagok jelenlétére. A nanoműanyagoknak a humán szervezetre gyakorolt hatásairól viszont még bizonytalanok az álláspontok. Megjegyzendő, hogy az emberre szignifikánsan ható nanoműanyag-koncentráció a kísérletekben használtak többszöröse. Mindazonáltal így is elgondolkodtatóak az eredmények, ha figyelembe vesszük, hogy inhaláció által és emésztőszervrendszeren keresztül is folyamatos a nanoműanyagok napi szintű felvétele (Amereh és mtsai, 2020).

A növekvő hulladékmennyiség miatt komoly figyelmet érdemlő témáról van szó. Fontos kiemelni viszont, hogy a nanoműanyagok természetére és az élő organizmusokra kifejtett hatásaira irányuló kutatások csak az utóbbi pár évben kerültek fókuszba. Ebből kifolyólag sajnos még kevés a rendelkezésünkre álló információ. A jövőben végzett további vizsgálatok ebben témakörben kulcsfontosságúak a folyamatok mélyebb megértése érdekében.

Hivatkozások

1. Amereh F, Babaei M, Eslami A, Fazelipour S, Rafiee M (2020): The Emerging Risk of Exposure to Nano(Micro)Plastics on Endocrine Disturbance and Reproductive Toxicity: From a Hypothetical Scenario to a Global Public Health Challenge. Environmental Pollution 261: 114158

2. Amereh F, Eslami A, Fazelipour S, Rafiee M, Zibaii MI, Babaei M (2019): Thyroid Endocrine Status and Biochemical Stress Responses in Adult Male Wistar Rats Chronically Exposed to Pristine Polystyrene Nanoplastics. Toxicology Research 8:(6) 953–963

3. Bernier NJ, Peter RE (2001): The Hypothalamic–Pituitary–Interrenal Axis and the Control of Food Intake in Teleost Fish. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology 129:(2–3) 639–644

4. Brun NR, van Hage P, Hunting ER, Haramis APG, Vink SC, Vijver MG, Schaaf MJM Tudorache C (2019): Polystyrene Nanoplastics Disrupt Glucose Metabolism and Cortisol Levels with a Possible Link to Behavioural Changes in Larval Zebrafish. Communications Biology 2:(1) 382

5. Chen Q, Yin D, Jia Y, Schiwy S, Legradi J, Yang S, Hollert H (2017): Enhanced Uptake of BPA in the Presence of Nanoplastics Can Lead to Neurotoxic Effects in Adult Zebrafish. Science of The Total Environment 609: 1312–1321

6. Cortés-Arriagada D (2021): Elucidating the Co-Transport of Bisphenol A with Polyethylene Terephthalate (PET) Nanoplastics: A Theoretical Study of the Adsorption Mechanism. Environmental Pollution 270: 116192

7. Grad B, Hoffman MM (1955): Thyroxine Secretion Rates and Plasma Cholesterol Levels of Young and Old Rats. American Journal of Physiology-Legacy Content 182:(3) 497–502

8. Kooi M, Reisser J, Slat B, Ferrari FF, Schmid MS, Cunsolo S, Brambini R, Noble K, Sirks LA, Linders TEW, Schoeneich-Argen RI (2016): The Effect of Particle Properties on the Depth Profile of Buoyant Plastics in the Ocean. Scientific Reports 6:(1) 33882

9. Kumar M, Sarma DK, Swasti S, Kumawat M, Verma V, Prakash A, Tiwari R (2020): Environmental Endocrine-Disrupting Chemical Exposure: Role in Non-Communicable Diseases. Frontiers in Public Health 8: 553850

10. Sun H, Lü K, Minter EJA, Chen Y, Yang Z, Montagnes DJS (2012): Combined Effects of Ammonia and Microcystin on Survival, Growth, Antioxidant Responses, and Lipid Peroxidation of Bighead Carp Hypophthalmythys Nobilis Larvae. Journal of Hazardous Materials 221–222: 213–219

11. Ter Halle A, Jeanneau L, Martignac M, Jardé E, Pedrono B, Brach L, Gigault J (2017): Nanoplastic in the North Atlantic Subtropical Gyre. Environmental Science & Technology 51 (23): 13689–13697

12. Varó I, Perini A, Torreblanca A, Garcia Y, Bergami E, Vannuccini ML, Corsi I (2019): Time-Dependent Effects of Polystyrene Nanoparticles in Brine Shrimp Artemia Franciscana at Physiological, Biochemical and Molecular Levels. Science of The Total Environment 675: 570–580

13. Welshons WV, Thayer KA, Judy BM, Taylor JA, Curran EM, vom Saal FS (2003): Large Effects from Small Exposures. I. Mechanisms for Endocrine-Disrupting Chemicals with Estrogenic Activity. Environmental Health Perspectives 111 (8): 994–1006

14. Zhang Q, Qu Q, Lu T, Ke M, Zhu Y, Zhang M, Zhang Z, Du B, Pan X, Sun L, Qian H (2018): The Combined Toxicity Effect of Nanoplastics and Glyphosate on Microcystis Aeruginosa Growth. Environmental Pollution 243: 1106–1112

15. Zuo J, Huo T, Du X, Yang Q, Wu Q, Shen J, Liu C, Hung TC, Yan W, Li G (2021): The Joint Effect of Parental Exposure to Microcystin-LR and Polystyrene Nanoplastics on the Growth of Zebrafish Offspring. Journal of Hazardous Materials 410: 124677

Ábrajegyzék

1. ábra: Vizekben lévő nanorészecskék bejutása a szervezetbe (Amereh és mtsai (2020) munkássága alapján)
2. ábra: A nanoműanyagok szervezetben való felhalmozódásának következményei (Brun és mtsai (2019) munkássága alapján)
3. ábra: Az ivari működés hormonszintjeinek változása nanoműanyagok hatására (Amereh és mtsai (2020) munkássága alapján)
4. ábra: Tesztoszteron koncentráció változása nanoműanyagok hatására (Amereh és mtsai (2020) munkássága alapján)
5. ábra: A trijód-trionin koncentráció változásai (Zuo és mtsai (2021) munkássága alapján)
6. ábra: A tiroxin koncentráció változásai (Zuo és mtsai (2021) munkássága alapján)