Attività catalitica ed espressione genica di enzimi antiossidanti nei mitili, Mytilus galloprovincialis esposti ai farmaci fluoxetina e propranololo ed alla loro miscela.

E’ stimato che circa 4.000 sostanze diverse vengano utilizzate nella medicina umana, fra cui soprattutto analgesici, antinfiammatori, contraccettivi, antibiotici, beta-bloccanti, regolatori lipidici, composti neuroattivi e molti altri. Inoltre un elevato numero di farmaci, spesso simili a quelli umani tra cui antibiotici e antinfiammatori, viene usato nella medicina veterinaria. L’uso può essere diverso nei diversi Paesi ma farmaci quali l’ibuprofene, la carbamazepina, o i beta-bloccanti vengono consumati in quantità di tonnellate per anno. Le analisi chimiche hanno riscontrato la presenza dei residui dei farmaci nelle acque reflue dai depuratori, nei fiumi e nei laghi in maniera ubiquitaria a concentrazioni nell’intervallo di 10-1000 ng/L. Come ci si aspetta, i farmaci sono molto concentrati nelle acque reflue degli ospedali, tuttavia la percentuale di farmaci provenienti dagli ospedali è stata valutata complessivamente non oltre il 20% del quantitativo totale. L’origine preponderante dei farmaci proviene dall’uso domiciliare, per cui gli impianti municipali di raccolta delle acqua di rifiuto sono la maggiore via di ingresso in ambiente. Una volta ingeriti e metabolizzati, i farmaci vengono escreti via urine o feci e introdotti nella rete fognaria fino alle sedi di trattamento delle acque. Altra sorgente è rappresentata dalle manifatture dei farmaci, dalle quali possono derivare scarichi illegali o accidentali. Una sorgente importante di farmaci, soprattutto di antibiotici, è rappresentata dagli allevamenti animali, sia in ambienti interni che al pascolo, e dall’acquacoltura. Nel primo caso in particolare vengono prodotti e raccolti una grande quantità di rifiuti, che di solito sono accumulati temporaneamente e poi dispersi sui suoli agricoli. I farmaci presenti nei suoli possono essere trasportati alle acque sotterranee, o dilavati a livello superficiale contribuendo ad aumentare il livello di farmaci nei corsi d’acqua oppure una volta sciolti nell’acqua interstiziale possono essere assunti dai vegetali. Gli impianti di depurazione attuali non sono pianificati per eliminare microinquinanti altamente polari come i farmaci, e in relazione alle differenti molecole la eliminazione può essere in percentuale diversa, spesso anche molto bassa. I test ecotossicologici di tipo acuto utilizzati per molto tempo per valutare la tossicità dei farmaci ambientali hanno riportato effetti soltanto a concentrazioni superiori a quelle ambientali; nei 2-3 anni più recenti tuttavia è stato messo in luce come, già a basse concentrazioni, alcuni farmaci modifichino le attività riproduttive o il metabolismo di pesci e molluschi. Da qui è nata l’esigenza di studiare quale sia la possibile interazione dei residui dei farmaci con la fauna acquatica a concentrazioni compatibili con quelle ambientali, e valutare il meccanismo d’azione sfruttando per quanto possibile le conoscenze disponibili per i farmaci messi in commercio. I farmaci infatti sono composti disegnati per avere effetti terapeutici attraverso specifici meccanismi d’azione. Negli organismi non bersaglio che risultano esposti ai residui dei farmaci in ambiente, queste sostanze potrebbero però indurre effetti simili a quelli specifici nel caso i bersagli molecolari siano stati conservati durante l’evoluzione. Inoltre, i farmaci manifestano effetti collaterali, in genere se usati a dosi elevate o per lungo tempo, e molto spesso si tratta di effetti ossidanti. E’ possibile che tali effetti siano indotti dai farmaci ambientali nei molluschi o nei pesci, magari a basse dosi se questi animali sono più sensibili dell’uomo. Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare nei mitili Mytilus galloprovincialis i potenziali effetti indotti dalla fluoxetina (farmaco antidepressivo), dal propranololo (farmaco β-bloccante), o dalla loro miscela con riferimento a quelli classificati come collaterali nell’uomo. In particolare, è stata studiata l’espressione di geni che codificano per gli enzimi antiossidanti catalasi (CAT), glutatione S transferasi (GST) e superossido dismutasi (SOD), mediatori della risposta allo stress ossidativo. I possibili effetti dei farmaci sono stati valutati dopo esposizione dei mitili Mytilus galloprovincialis per 7 giorni a fluoxetina (FX) e propranololo (PROP) ad un range di concentrazioni che comprendono quelle misurate in ambiente, e alla loro miscela alla concentrazione di 0,3 ng/l, scelta perché rappresentativa delle dosi inferiori dei due farmaci riscontrate in ambiente acquatico. I risultati hanno dimostrato che FX causa una generale diminuzione dell’espressione dei geni CAT, mentre per i geni codificanti per GST e SOD si osservano variazioni significative soltanto ad una concentrazione di FX, 300 e 3 ng/L rispettivamente. La riduzione dei livelli di espressione di CAT non sempre accompagnata dalla significativa variazione dei livelli di espressione di SOD e GST, può indicare che il sistema anti-ossidante non è in grado di adattarsi in modo efficiente all’alterazione indotta dall’esposizione a FX, portando ad un progressivo aumento dei livelli di stress. Per quanto riguarda gli effetti del PROP, i risultati ottenuti mostrano che nei mitili esposti a concentrazioni crescenti del farmaco i geni CAT e SOD risultano progressivamente sovra-espressi rispetto al controllo, anche se in maniera non significativa mentre i livelli di espressione di GST non sono significativamente alterati. I dati ottenuti esponendo i mitili alla miscela dei due farmaci, indicano che FX e PROP possono avere effetti interattivi sulla regolazione dei tre geni coinvolti nella risposta antiossidante. In presenza della miscela si osserva infatti una riduzione significativa dell’espressione del gene CAT, del gene GST mentre non ci sono effetti sul gene SOD. In conclusione, concentrazioni di PROP e FX nell’intervallo di quelle misurate in ambiente possono generare significativi effetti sui geni CAT, GST, e SOD. Come riscontrato nella precedente letteratura, l’attività o l’espressione degli enzimi antiossidanti risente molto dello stato fisiologico dei mitili e della stagionalità, quindi il ruolo degli enzimi antiossidanti come biomarker deve essere interpretato all’interno di batterie più ampie di risposte subletali degli organismi sentinella. Nel laboratorio questi dati sono stati ottenuti in precedenti lavoro di Tesi (Tosarelli, Tesi Magistrale in Biologia Marina, A.A. 2011; Inzolia, Tesi Magistrale in Biologia Marina, A.A. 2011). Le alterazioni ottenute a concentrazioni circa 1.000 volte inferiori rispetto a quelle efficaci nei test ecotossicologici acuti, dimostrano comunque che i farmaci possono avere effetti sugli organismi anche a concentrazioni molto basse come quelle ambientali. In particolare, poiché gli effetti ossidativi sono i più comuni effetti collaterali dei farmaci nell’Uomo che ne assuma elevate quantità o somministrazioni prolungate nel tempo, possiamo affermare che questi hanno luogo anche negli organismi non-target, a concentrazioni basse e dopo soli 7 giorni di esposizione. I dati della tesi non dimostrano che propranololo e fluoxetina hanno effetti deleteri sulle popolazioni o le comunità dei molluschi, ma debbono essere considerati come indicatori della vulnerabilità degli animali a questi composti.

Alterazioni del sistema di trasduzione AMPc-dipendente nel mitilo mediterraneo Mytilus galloprovincialis esposto a fluoxetina

Negli ultimi decenni le nuove scoperte mediche e il miglioramento dello stile di vita nei paesi occidentali hanno determinato un aumento del consumo di sostanze terapeutiche, nonché della gamma di prodotti farmaceutici e parafarmaceutici comunemente utilizzati. Gli studi di cinetica dei farmaci dimostrano con certezza che essi, seppur metabolizzati, mantengono inalterato il loro potere d’azione, rimanendo biodisponibili anche una volta escreti dall’organismo. A causa della loro eccessiva polarità tali molecole sono inoltre difficilmente trattenute dai convenzionali impianti di depurazione dei reflui urbani, dai quali confluiscono inevitabilmente verso le acque fluviali e/o costiere le quali risultano. In ragione di ciò, la valutazione degli effetti che la loro presenza può provocare sulla qualità dei sistemi di approvigionamento idrico e sulla biologia delle specie tipiche degli ecosistemi acquatici, ha classificato tali composti come una nuova classe di inquinanti emergenti, il cui impatto ambientale non risulta ancora del tutto arginato attraverso adeguate contromisure legislative. I farmaci sono sostanze bioattive progettate per avere effetti specifici a bassissime concentrazioni negli organismi target attraverso specifici meccanismi d’azione. Nel caso in cui i bersagli cellulari su cui agiscono siano evolutivamente conservati negli organismi non target, essi possono esercitare le proprie funzioni attraverso i medesimi meccanismi di regolazione fisiologica attivati nelle specie target, dando origine a effetti specifici, o anche aspecifici, nel caso in cui tali bersagli siano deputati alla regolazioni di funzioni differenti. Pertanto lo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di analizzare le possibili alterazioni di carattere fisiologico in individui di mitilo mediterraneo (Mytilus galloprovincialis) esposti a concentrazioni ambientali di fluoxetina, farmaco antidepressivo appartenente alla classe degli inibitori selettivi del riassorbimento presinaptico della serotonina (SSRI). Più nel dettaglio, a seguito di un’esposizione per 7 giorni a dosaggi compresi tra 0.03 e 300 ng/L di FX, sono stati analizzati i livelli intracellulari di AMPc e l’attività dell’enzima PKA nei diversi trattamenti sperimentali effettuati. Inoltre sono stati valutati i livelli di espressione genica del recettore serotoninergico 5HTmyt1 e della la P-glicoproteina (Pgp, gene ABCB1), trasportatore di membrana responsabile del sistema di detossificazione noto come Multi-xenobiotic resistance (MXR). Nella ghiandola digestiva, la FX causa una diminuzione statisticamente significativa dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e dell’espressione del gene ABCB1 rispetto al controllo. Al contrario nel mantello il farmaco non produce alterazioni dei livelli intracellulari di AMPc e dell’attività della PKA mentre si apprezza una sottoespressione del gene ABCB1 nei trattamenti a dosaggi intermedi. In entrambi i tessuti si nota un aumento dell’espressione genica di 5HTmyt1 alle minori concentrazioni di FX, mentre ai dosaggi più alti non si registrano alterazioni significative rispetto al controllo. Nel loro insieme i risultati indicano che nei mitili, concentrazioni ambientali di FX producono significative alterazioni di diversi parametri fisiologici attraverso una modulazione specifica dei medesimi bersagli molecolari coinvolti nella terapia umana. La riduzione dei livelli di AMPc/PKA apprezzata nella ghiandola digestiva risulta in linea con la funzione inibitoria svolta dal recettore 5HTmyt1 su tale via di trasduzione, mentre l’assenza di variazioni significative registrata nel mantello supporta l’ipotesi di un’interazione tra il sistema serotoninergico e catecolaminergico nella regolazione dei processi legati al ciclo riproduttivo che si verificano in tale tessuto. In conclusione, i dati dimostrano che l’espressione del gene codificante la proteina Pgp è regolata dalla FX attraverso uno specifico meccanismo d'azione AMPc-dipendente modulato dalla serotonina; tuttavia, è ipotizzabile anche un effetto non specifico indotto dalla FX stessa, per esempio attraverso l’induzione di stress ossidativo. Inoltre essi evidenziano la presenza di un meccanismo di regolazione retroattivo sulla espressione dei recettori 5HTmyt1 in funzione delle concentrazioni extracellulari di serotonina modulate dall’azione della FX.

Effetto dei modulatori del sistema serotoninergico sulla trasduzione del segnale AMPc-dipendente nel mitilo

Lo sviluppo della medicina ha determinato un utilizzo sempre crescente di sostanze farmacologiche, le quali una volta escrete dagli organismi raggiungono le acque dei fiumi e dei laghi, per arrivare poi all’ambiente marino costiero, che ne risulta sempre maggiormente contaminato. Negli organismi non bersaglio esposti ai residui dei farmaci in ambiente, queste sostanze potrebbero indurre effetti simili a quelli specifici nel caso i bersagli molecolari siano stati conservati durante l’evoluzione, oppure avere effetti inattesi se i bersagli molecolari sono conservati ma hanno una differente funzione. Questo lavoro di tesi è volto a studiare i potenziali effetti indotti dalla fluoxetina (FX, farmaco antidepressivo inibitore dell’uptake della serotonina), e dal propranololo (PROP, farmaco bloccante sia dei recettori β-adrenergici che serotoninergici nell’uomo) nei mitili Mytilus galloprovincialis, esposti a tali sostanze, valutandone l’interazione con i meccanismi di trasduzione del segnale AMPc-dipendente. Sono stati valutati in particolare i livelli di AMPc e l’attività dell’enzima PKA, inoltre si è studiato se i farmaci influiscano con i meccanismi di regolazione del gene ABCB1, che codifica per la P-glicoproteina (Pgp), che ha il compito di estrudere all’esterno della cellula gli xenobiotici che vi sono entrati. Gli studi sono stati condotti dopo esposizione dei mitili in vivo ai due farmaci ed alla loro miscela per 7 giorni in acquario. I risultati hanno indicato che la FX causa una diminuzione statisticamente significativa dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e anche dell’espressione del gene ABCB1 rispetto al controllo, sia nel mantello che nella ghiandola digestiva. Nella ghiandola digestiva il PROP provoca una significativa riduzione dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e dell’espressione del gene ABCB1 rispetto ai valori di controllo. Nel mantello, invece, il PROP aumenta i livelli di AMPc e l’espressione del gene ABCB1, anche se non ha effetti significativi sull’attività della PKA. Per caratterizzare i recettori per la serotonina (5HT), e il possibile ruolo di antagonista giocato dal PROP, abbiamo inoltre trattato in vitro emociti di mitilo con la 5HT l’agonista fisiologico del recettore, usata da sola ed in presenza del PROP. I dati ottenuti dimostrano che negli emociti di mitilo sono espressi recettori 5HT1 accoppiati a proteine G inibitrici, e che il PROP blocca l’effetto della 5HT, agendo come antagonista dei recettori 5HT1. Nell’insieme i dati dimostrano che i farmaci possono avere effetti sugli organismi acquatici anche a concentrazioni molto basse come quelle ambientali. I dati della tesi non dimostrano che PROP e FX hanno effetti deleteri sulle popolazioni o le comunità dei molluschi, ma debbono essere considerati come indicatori della vulnerabilità degli animali a questi composti. Si è dimostrato per la prima volta che gli emociti di mitilo possiedono recettori di tipo 5HT1 correlati alla riduzione dei livelli intracellulari di AMPc, e soprattutto che il sistema AMPc/PKA è deputato alla regolazione dell’espressione dei geni ABCB1 codificanti per proteine del complesso Multi Xenobiotic Resistance.

Valutazione del rischio ecologico di residui di farmaci nell’ambiente: analisi sperimentale della tossicità sul crostaceo Daphnia magna

I farmaci sono una nuova classe di inquinanti ambientali ubiquitari che raggiungono, insieme alle acque fognarie, i depuratori urbani che non sono in grado di rimuoverli o degradarli. Così le acque depurate, ancora ricche di farmaci, si riversano nei canali riceventi portando questo carico di inquinanti fino ai fiumi e ai laghi. L’obiettivo del presente studio è stato fornire un contributo alla valutazione del rischio ecologico associato al rilascio di miscele di farmaci nell’ambiente acquatico, verificando con esperimenti di laboratorio gli effetti dell’esposizione congiunta a propranololo e fluoxetina sulla riproduzione di Daphnia magna, crostaceo planctonico d’acqua dolce. Il propranololo è un farmaco beta-bloccante, ossia blocca l'azione dell'adrenalina sui recettori adrenergici di tipo beta del cuore e viene utilizzato contro l’ipertensione. La fluoxetina è un antidepressivo, inibitore selettivo della ricaptazione della serotonina. Sono stati eseguiti test cronici (21 giorni) con solo propranololo (0,25 - 2,00 mg/L) e con solo fluoxetina (0,03 - 0,80 mg/L) che hanno stimato un EC50 per la riproduzione di 0,739 mg/L e di 0,238 mg/L, rispettivamente. L’ultima fase sperimentale consisteva in un test cronico con 25 miscele contenti percentuali diverse dei due farmaci (0%; 25%; 50%; 75%; 100%) e con diverse concentrazioni totali (0,50; 0,71; 1,00; 1,41; 2,00 unità tossiche). Le unità tossiche sono state calcolate sulla base degli EC50 dei precedenti test cronici con i singoli farmaci. I dati sperimentali del test sono stati analizzati utilizzando MixTox, un metodo statistico per la previsione degli effetti congiunti di miscele di sostanze tossiche, che ha permesso di stabilire quale fosse il modello in grado di rappresentare al meglio i risultati sperimentali. Il modello di riferimento utilizzato è stato la concentration addition (CA) a partire dal quale si è identificato il modello che meglio rappresenta l’interazione tra i due farmaci: antagonism (S/A) dose ratio dependent (DR). Infatti si evidenzia antagonismo per tutte le miscele dei due farmaci, ma più accentuato in presenza di una maggiore percentuale di propranololo. Contrariamente a quanto verificato in studi su altre specie e su effetti biologici diversi, è comunque stato possibile evidenziare un affetto avverso sulla riproduzione di D. magna solo a concentrazioni di propranololo e fluoxetina molto più elevate di quelle osservate nelle acque superficiali.

Regolazione dell'attivita dei trasportatori MXR nel mitilo (Mytilus galloprovincialis)

L’elevato consumo e il limitato tasso di rimozione dei farmaci favoriscono l’entrata di questi composti, biologicamente attivi, nell’ambiente acquatico. Essendo continuamente aggiunti, più velocemente di quanto si degradino, tali sostanze diventano pseudo-persistenti nell’ambiente, e gli organismi acquatici possono risultarne esposti a lungo termine. Per limitare gli effetti avversi di ambienti inquinanti, gli organismi più resistenti hanno sviluppato vari meccanismi di protezione cellulare, fra cui il sistema denominato Multixenobiotic resistance (MXR). Tale meccanismo agisce da sistema di detossificazione attraverso l’azione di specifici trasportatori transmembrana quali la P-glicoproteina (Pgp) e la Multidrug Resistance-associated Protein (MRP). Questi, codificati rispettivamente dai prodotti genici ABCB e ABCC, favorendo l’efflusso attivo di composti tossici, prevengono il loro accumulo cellulare e, dunque, i loro potenziali effetti dannosi. Tuttavia, alcune sostanze possono influenzare questo delicato meccanismo, esponendo gli organismi acquatici agli effetti tossici degli inquinanti. In questo lavoro di Tesi è stato condotto uno studio sperimentale in vitro volto a determinare i possibili effetti dell’antidepressivo fluoxetina (FX), dell’antiepilettico carbamazepina (CBZ) e del β-bloccante propranololo (PROP) sul meccanismo MXR, in emociti di Mytilus galloprovincialis. In particolare si è valutata l’azione di questi farmaci sulla funzionalità dei trasportatori e/o sulla modulazione trascrizionale. I risultati ottenuti hanno dimostrato l’importante effetto del PROP, della CBZ e della FX sul sistema MXR. In particolare, il PROP e la CBZ alterano tale sistema, agendo, principalmente, sui livelli di espressione del prodotto genico ABCB, nonostante influenzino anche i livelli di ABCC. La FX, invece, non porta ad alterazioni dell’attività MXR totale, sebbene induca variazioni sui livelli di espressione di ABCB. In conclusione, le analisi dei profili trascrizionali dimostrano che la proteina predominante nell’efflusso di tali contaminanti negli emociti di M. galloprovincialis è la P-glicoproteina e che le variazioni dell’attività MXR osservate in questa Tesi sono il risultato combinato dell’azione dei farmaci analizzati come modulatori trascrizionali e come substrati da parte dei trasportatori MXR.