Zmiany oksydacyjne są naturalnym skutkiem metabolizmu komórkowego wynikającego z oddychania tlenowego i powstawania reaktywnych form tlenu i azotu (RONS, reactive oxygen and nitrogen species), RONS uwalniane w fizjologicznych przemianach pełnią rolę mediatorów i regulatorów, zapewniając komórkom prawidłowe funkcjonowanie, a ich wpływ zależy od stężenia i czasu działania. Krótkotrwały wzrost wytwarzania RONS jest dobrze tolerowany przez komórki i w takich sytuacjach uruchamiają się mechanizmy obronne. Długotrwały i nasilony stres oksydacyjny, wywołany czynnikami zewnętrznymi, zaburza homeostazę i indukuje uszkodzenia struktur komórkowych [2, 11, 52].
Do związków chemicznych wywołujących stres oksydacyjny zaliczyć można pyretroidy, syntetyczne pochodne naturalnych pyretryn pochodzące z
Podział pyretroidów ze względu na ich typ wraz z charakterystyką [10, 47, 49, 50]
Typ I | Permetryna | mieszanina 1:3 izomerów |
Zaburzenie działania napięciowo-zależnych kanałów sodowych – VSSC, Nav1.6, Nav1.3, Nav1.8, opóźnienie aktywacji i doprowadzenie do przedwczesnego otwarcia kanału | 3-PBA cis-DBCA | 0,025–0,1 | LD50 dla szczurów 430–4000 mg/kg masy ciała |
Drżenie całego ciała, ataksja, nadwrażliwość, agresywne zachowanie, nudności, wymioty, ból gardła, ból brzucha, ból głowy, problemy z oddychaniem, podrażnienie błon śluzowych przewodu pokarmowego | Zwalczenie komarów, pcheł, ochrona upraw paszowych |
Typ II | Deltametryna | [(S)-Cyano-(3-phenoxyphenyl)-methyl] (1R,3R)-3-(2,2-dibromoethenyl)-2,2-dimethylcyclopropane-1-carboxylate | Zaburzenie działania napięciowo-zależnych kanałów sodowych – VSSC, Nav1.6, Nav1.3, Nav1.8 | cis-DCCA trans-DCCA 3-PBA | 0,01–0,25 | LD50 dla szczurów 30–5000 mg/kg masy ciała |
Ślinienie, niezborność ruchowa, zespół CS ból głowy, ból brzucha, wymioty, mdłości, łzawienie, osłabienie, ataksje, drgawki, reakcje alergiczne, obrzęk twarzy, wstrząs anafilaktyczny | Zwalczanie mszyc, mączlika, wszy, much tse-tse oraz wobec wektorów malarii |
Typ II | Alfa-cypermetryna | mieszanina racemiczna: [(S)-alpha-cyano-(3-phenoxyphenyl)-methyl] (1R,3R)-3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2-dimethylcyclopropane-1-carboxylate oraz [(R)-alpha-cyano-(3-phenoxyphenyl)-methyl](1S,3S)-3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2-dimethylcyclopropane-1-carboxylate | Zaburzenie transportu jonów sodowych przez błonę komórkową, powoduje ciągłe otwarcie kanału, co skutkuje ciągłą depolaryzacją błony oraz blokowaniem generowania potencjałów czynnościowych | F-PBA CPA | 0,02 | LD50 dla myszy i szczurów wynosi 80 mg/kg masy ciała | Mdłości, wymioty, biegunka, ślinienie, łzawienie, pląsawicę, bezwład, drżenie oraz drgawki klonalne | Zwalczanie motyli i chrząszczy oraz w uprawach roślin |
dla much domowych
F-PBA - kwas fenoksybenzoesowy, 3-PBA - kwas 3-fenoksybenzoesowy, CPA - kwas cyklopropanokarboksylowy,
Światowa Organizacja Zdrowia (WHO, World Health Organization) zaleca do stosowania trzy główne substancje chemiczne: permetrynę, deltametrynę oraz alfa-cypermetrynę [48]. Pyretroidy powszechnie są stosowane do ochrony roślin, w przemyśle rolniczym, farmaceutycznym, a także w weterynarii oraz medycynie. Mimo istniejących licznych obostrzeń, ich stosowanie niesie duże ryzyko, ponieważ związki te oraz ich metabolity mogą się przedostawać do środowiska naturalnego, zanieczyszczając wodę, glebę oraz żywność. Od wielu lat opisywane są następstwa stosowania pyretroidów jako bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia zwierząt oraz ludzi. Związki te wykazują działanie nefrotoksyczne, hepatotoksyczne, immunotoksyczne, neurotoksyczne oraz działają negatywnie na układ rozrodczy oraz na płód. W badaniach
W artykule zebrano oraz usystematyzowano dostępną wiedzę dotyczącej wywoływania stresu oksydacyjnego przez wybrane pyretroidy; permetrynę, deltametrynę oraz alfa-cypermetrynę.
Wiele organizmów wykształciło unikalne systemy, które chronią przed szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu (ROS, reactive oxygen species). Jednym ze sposobów walki są enzymy antyoksydacyjne, takie jak: dysmutaza ponadtlenkowa (EC 1.15.1.1; SOD), katalaza (EC 1.11.1.6; CAT), reduktaza glutationowa (EC 1.6.4.2; GR), peroksydaza glutationowa (EC 1.11.1.9; GPx), a także glutation (GSH), które bezpośrednio wychwytują rodniki ponadtlenkowe oraz nadtlenek wodoru, przekształcając je w mniej reaktywne formy, chroniąc komórki przed peroksydacją lipidów [11, 20, 52].
Peroksydacja lipidów to proces utlenienia przede wszystkim wielonienasyconych kwasów tłuszczowych wchodzących w skład fosfolipidów. W wyniku tego procesu dochodzi do uszkodzenia i depolaryzacji błony cytoplazmatycznej, błon mitochondrialnych, jądra komórkowego oraz błon pęcherzyków i błon rozdzielających kompartmenty komórkowe. Obecne w nadmiarze, powstałe w toku reakcji faz peroksydacji wolne rodniki stają się bardzo reaktywne i reagując z innymi wolnymi rodnikami, tworzą nierodnikowe produkty utleniania lipidów. Peroksydacja lipidów może być mierzona np. przez zmiany w poziomie aldehydu malonowego (MDA), kwasu tiobarbiturowego (TBA) oraz DPPP (1,3-bis (difenylofosfino) propan) [20, 56].
Permetryna może indukować stres oksydacyjny przez wytwarzanie ROS i być toksyczna
Po podaniu permetryny i/lub deltametryny szczurom rasy Wistar wykazano wzrost aktywności SOD i zmniejszenie aktywności GPx, stężenia GSH oraz wzrost stężenia GST (EC 2.5.1.18; transferazy glutationowej) oraz aktywności CAT niezależnie od płci. Opisywano zmniejszenie stężenia GSH w osoczu, wzrost TNF-α oraz zmniejszenie IL-1β, IL-2, IL-13 u starszych szczurów [15, 17].
Badania wykazały, iż metabolity permetryny również mogą wywoływać stres oksydacyjny. Komórki serca izolowane od szczurów rasy Wistar traktowano 3-PBA (kwas 3-fenoksybenzoesowy), 3-PBAlc (alkohol 3-fenoksybenzylowy) oraz PBAld(aldehyd 3-fenksybenzylowy). Metabolity te spowodowały wzrost utleniania białek i lipidów. 3-PBAlc wywołał najmocniejszą peroksydację lipidów, natomiast 3-PBA najsilniejsze uszkodzenie białek [44]. U organizmów wodnych wykazano zwiększone wytwarzanie ROS i GSH w różnych narządach karpia zwyczajnego
Aktywność enzymów wzrosła w gruczole trawiennym po traktowaniu permetryną i w skrzelach po podaniu antracenu. Łączna aktywność związków chemicznych była znacznie większa, niż analizowana oddzielnie [5]. Działanie cypermetryny oceniono wykorzystując układ pokarmowy i skrzela ślimaka jabłoni
Ozok [37] zbadał wpływ cypermetryny na ryby z rodziny karpiowatych
W literatura naukowej niewiele opisano badań pod kątem działania pyretroidów na stres oksydacyjny
Dostępne są wyniki badań dotyczących wpływu pyretroidów na powstawanie stresu oksydacyjnego oraz jego skutki [16, 17, 21, 39]. Oceniono wpływ cypermetryny na szczury w dawce 60 mg/kg/dzień przez 15 dni. Analizowano markery stresu oksydacyjnego: GSH, GPx, MDA, przeprowadzono barwienie immunohistochemiczne. Zaobserwowano obniżenie aktywności GSH i GPx z jednoczesnym wzrostem poziomu MDA. Cypermetryna znacznie redukowała aktywność całkowitej kwaśnej fosfatazy (EC 3.1.3.2, AcP), obniżała poziom GSH i aktywność GPx oraz powodowała znaczną akumulację MDA. W badaniu udowodniono, że MDA nasila peroksydację lipidów w układzie rozrodczym szczurów. Obniżenie aktywności AcP odzwierciedla upośledzoną steroidogenezę w jądrach szczurów i może to być skorelowane ze zmniejszonym wydzielaniem gonadotropin. Cypermetryna indukowała również uszkodzenia struktury jąder, najądrzy, pęcherzyków nasiennych i zmniejszenie ilości spermy u samców myszy, przez indukcję stresu oksydacyjnego [21].
Hocine i wsp. [23] zasugerowali, że anion ponadtlenkowy i nadtlenek wodoru są głównymi inicjatorami powstawania wolnych rodników podczas stosowania cypermetryny. Uznano to za prawdopodobny mechanizm prowadzący do uszkodzenia DNA. Zatem wzrost peroksydacji lipidów oraz zmniejszenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych może odgrywać istotną rolę w genotoksyczności cypermetryny. Cypermetryna spowodowała nasilenie stresu oksydacyjnego w tkance mózgowej szczurów, czego wykładnikiem był podwyższony poziom TBARS (substancje reagujące z kwasem tiobarbiturowym) [23].
Cypermetryna może działać na dwa sposoby: może wywołać stres oksydacyjny, ale także jako związek hydrofobowy może się gromadzić w błonie komórkowej i zakłócać procesy związane z zachowaniem struktury błony, układem białek transportowych i w ten sposób wpływać na pełnione przez błonę role. Mniejsza aktywność enzymatyczna GPx może ułatwiać zwiększoną peroksydację lipidów. Stres oksydacyjny badano na komórkach linii SH-SY5Y w odpowiedzi na alfa-cypermetrynę. Przeprowadzono test MTT oraz zmierzono aktywność dehydrogenazy mleczanowej (EC 1.1.1.27, LDH). Stężenie 0,01–30 µM alfa-cypermetryny nie miało wpływu na żywotność komórek (brak zmian w MTT i aktywność LDH). Pyretroid w sposób zależny od dawki indukował wzrost MDA i poziom tlenku azotu [39]. U szczurów ciężarnych karmionych alfa-cypermetryną w dawce 0,02 mg/kg masy ciała/dobę oraz u noworodków zaobserwowano wzrost MDA, stężenia białka karbonylowego oraz spadek aktywności CAT, SOD i stężenia GSH [23]. Wyniki wskazały na znaczącą rolę stresu oksydacyjnego i ROS w toksyczności cypermetryny, zarówno
Akumulacja deltametryny w tkankach zwiększała wytwarzanie ROS prowadząc do stresu oksydacyjnego i uszkodzenia tkanek. Jest związkiem bardzo lipofilnym, zdolnym do przenikania przez błony biologiczne i naturalne bariery, takie jak bariera krew-mózg. Zaobserwowano upośledzenie pamięci, podwyższenie aktywności SOD i aminotransferazy alaninowej (EC 2.6.1.2, ALT) oraz obniżenie GPx, a ponadto opisywano nacieki limfocytarne w wątrobie myszy poddanych działaniu deltametryny [34].
Badano poziom MDA i białkowych grup karbonylowych (PCO) w celu odzwierciedlenia stopnia peroksydacji lipidów i utleniania białek u szczurów traktowanych deltametryną. Związek ten indukował większy wzrost stężenia MDA niż PCO, co wskazuje, że lipidy są szczególnie wrażliwe na uszkodzenia oksydacyjne, a ponadto hamował aktywność enzymów antyoksydacyjnych SOD, CAT [51]. U szczurów traktowanych deltametryną doustnie i dootrzewnowo odnotowano zwiększenie aktywności aminotransferazy asparaginianowej (EC 2.6.1.1, AST), ALT, stężenia MDA w surowicy i zmniejszenie aktywności SOD oraz CAT [1].
Opisano także wpływ deltametryny na natężenie stresu oksydacyjnego u nietoperzy
Badań oceniających stres oksydacyjny zachodzący w organizmie ludzkim, który został wywołany pyretroidami jest niewiele. W jednym z nich oceniono wyniki analiz 200 pracowników narażonych na alfa-cypermetrynę, podzielonych na grupy ze względu na stopień ekspozycji. Analizowano parametry morfologiczne (liczbę leukocytów, płytek krwi), immunologiczne (CD3, CD4, CD8), enzymatyczne (aktywność SOD, CAT, GPx, stężenie GSH) oraz mutacje genu
W innych badaniach zaobserwowano wzrost poziomu utlenienia PCO po podaniu cypermetryny [4]. Deltametryna natomiast indukowała wzrost ilości ROS
Podczas stresu oksydacyjnego może dojść do uszkodzeń pojedynczych zasad azotowych, pęknięć nici DNA oraz tworzenia adduktów. Głównym rodnikiem odpowiedzialnym za wymienione zmiany jest rodnik hydroksylowy. Najbardziej podatne na reakcje z rodnikiem są zasady azotowe – tymidyna oraz guanina [7, 41, 46].
Wskazuje się, że stres oksydacyjny może wywołać śmierć komórki. Reaktywne formy tlenu, poprzez kaspazy i aktywację szlaków wewnętrznych i zewnętrznych, najczęściej doprowadzają do apoptozy, rzadziej do martwicy oraz autofagii [7, 22, 38, 41].
U organizmów wodnych, niskie i wysokie dawki deltametryny mogą powodować hiperplazję (przerost) komórek blaszkowatych i nacieki komórek zapalnych w blaszkach, przekrwienie i ogniskową martwicę hepatocytów, a także nekrotyczne zmiany w neuronach [5]. Długotrwałe narażenie na deltametrynę karpia zwyczajnego
Niewielkie dawki alfa-cypermetryny (0,0036 µg/ml) niszczyły DNA, powodowały apoptozę i cytotoksyczność wobec ludzkich limfocytów i komórek linii HepG2. W badanych stężeniach biomarkery stresu oksydacyjnego (TBARS), TAC (całkowity status antyoksydacyjny) oraz aktywność GPx nie zostały znacząco zmienione. Wskazuje to, że uszkodzenia DNA były spowodowane bezpośrednimi interakcjami między badanymi związkami i/lub ich metabolitami, które destabilizowały strukturę DNA [53]. Zaobserwowano zmniejszenie żywotności komórek i indukcję apoptozy w komórkach linii RAW 264.7 [25].
Udowodniono, że cypermetryna wywołuje apoptozę w komórkach linii SH-SY5Y [38], astrocytach szczurów [32], a także u zarodka
Romero i wsp. [39] badali stres oksydacyjny generowany w odpowiedzi na alfa-cypermetrynę w komórkach linii SH-SY5Y. Wykryto zmiany poziomów mRNA w 39 genach, w 3 obniżenie, a w 36 wzrost ekspresji genów. Wykryto zmianę ekspresji genów apoptozy, autofagii i martwicy oraz indukcję stresu oksydacyjnego, który prowadzi do uszkodzenia DNA [39].
Zwiększone wytwarzanie reaktywnych form tlenu i uszkodzenia DNA mogą zależeć od dawki cypermetryny. Według Huanh i wsp. pyretroid może doprowadzić do zatrzymania cyklu komórkowego. Zaobserwowano zmniejszoną ekspresją p21, p53 oraz obniżenie poziomu cyklin D1, E, CDK4 [25].
Dikic i wsp. [12] wykazali właściwości uszkadzające cypermetryny w stosunku do DNA hepatocytów szczurów za pomocą testu kometkowego. Udowodniono genotoksyczność cypermetryny w komórkach krwi płodu (limfocyty) i wątroby szczurów rasy Wistar z użyciem testu kometkowego alkalicznego [33].
Ogaly i wsp. [35] stwierdzili zwiększoną ekspresję TP53 w mózgu szczurów po 30 dniach podawania deltametryny. Deltametryna indukowała apoptozę w splenocytach mysich w zależności od stężenia. Zaobserwowano powstawanie ROS, aktywację kaspazy-3, wzrost ekspresji kinazy p38 MAP i Bax w sposób zależny od stężenia oraz zmniejszenie ekspresji Bcl2 i GSH. Pyretroid indukował apoptozę przez interakcję z receptorami CD45, CD28 prowadząc do stresu oksydacyjnego i aktywacji szlaków zależnych od kaspaz mitochondrialnych [35].
Zaobserwowano wzrost ekspresji genu NF-κB p65 oraz Nrf2 w móżdżku szczurów rasy Wistar poddanych działaniu permetryny. Zmniejszenie ekspresji genu
Wielu naukowców udowodniło, że pyretroidy wywołują stres oksydacyjny uszkadzając w ten sposób DNA, białka oraz lipidy, co zobrazowano na ryc. 1 [16, 17, 38, 42, 53]. Dlatego na znaczeniu zyskują badania dotyczące skutków ochronnych związków o udowodnionym działaniu antyoksydacyjnym, które mogą zapobiegać negatywnym działaniom pyretroidów.
Wykazano działanie ochronne etanolowego ekstraktu z owoców drzew oliwnych (OFE) i jego pochodnej – oleuropeiny (OLE) przeciwko toksyczności wątrobowo-nerkowej wywołanej przez deltametrynę, u szczurów rasy Wistar. Po podaniu deltametryny zaobserwowano wzrost poziomu LPO mierzonej wzrostem ilości MDA, zmniejszenie całkowitej zdolności przeciwutleniającej (ABTs), obniżenie aktywności SOD, CAT, wzrost poziomu ekspresji genów prozapalnych
Zhang i wsp. [54] wykazali ochronny wpływ melatoniny w stosunku do szkodliwego działania deltametryny na kraby. Pyretroid ten zwiększał poziomy MDA, GSH oraz zmniejszał aktywność SOD. Ekspozycja na deltametrynę indukowała uszkodzenie wątroby i trzustki, czego oznaką był wzrost aktywności ALT, AST, AcP, ALP. Wymienione zmiany neutralizowała melatonina [54].
Ochronny wpływ na mózg narażony na toksyczne działanie cypermetryny wykazywał także olej sezamowy. Pyretroid zwiększał stężenia substancji reagujących z kwasem tiobarbiturowym (TBARS), obniżał stężenie glutationu, powodował spadek aktywności SOD, CAT, acetylocholinesterazy (EC 3.1.1.7; AChE) i oksydazy monoaminowej (EC 1.4.3.4; MAO), obniżał stężenia białka całkowitego, albuminy, a powodował wzrost stężenia triglicerydów i cholesterolu w osoczu krwi, a także redukcję masy ciała. Po zastosowaniu oleju sezamowego widoczna była znaczna poprawa wyników oraz stabilizacja masy ciała [26].
Kwas alfa-liponowy (ALA) wykazuje także ochronny wpływ pyretroidy. ALA łagodził niekorzystne zmiany oporności osmotycznej erytrocytów i peroksydację lipidów w organizmach szczurów rasy Wistar poddanych działaniu deltametryny [43].
Silne działanie antyoksydacyjne wywierały
Spirulina platensis, mikroalga o aktywności przeciwutleniającej i przeciwzapalnej, chroniła samce myszy przed hepatotoksycznością, nefrotoksycznością oraz neurotoksycznością wywołaną deltametryną [1].
Ogaly i wsp. [35] badali działanie wodnego ekstraktu z liści zielonej herbaty przeciw neurotoksyczności i uszkodzeniom oksydacyjnym wywołanemu przez deltametrynę u samców szczurów. Związek ten powodował znaczny wzrost stężenia MDA, tlenku azotu, fragmentacji DNA, poziomu ekspresji genów apoptotycznych
Doniesiono, że witaminy E i C łagodzą skutki toksyczne wywołanych u ptaków i ssaków przez deltametrynę [34]. Alfa-tokoferol zastosowany łącznie z deltametryną u broilerów (kurczaki) zmniejszał ubytek masy ciała, a także uszkodzenie wątroby (wzrost aktywności ALT i AST) u badanych zwierząt [9]. Witamina E hamowała neurotoksyczność indukowaną przez deltametrynę [18].
Gasmi i wsp. [19] wykazali działanie ochronne przed neurotoksycznością podczas stosowania kwercetyny u szczurów rasy Wistar narażonych na deltametrynę. W badaniach zaobserwowano normalizację aktywności enzymów GSH, SOD, CAT, obrazu histopatologicznego (ograniczenie martwicy tkanki mózgowej) oraz zachowań behawioralnych: poprawę pamięci, polepszenie sprawności ruchowej, zmniejszenie lęku [19].
Związki przeciwutleniające, zwłaszcza pochodzenia roślinnego, w przyszłości mogą mieć istotne znaczenie u osób i zwierząt, które są narażone na działanie nie tylko pyretroidów, ale i innych pestycydów.
Nie istnieją bezpieczne środki owadobójcze. Nawet te, które zostały wskazane jako potencjalnie nieszkodliwe, mogą wywoływać długotrwałe skutki zdrowotne, wpływać na ekspresję genów, a tym samym zmieniać odporność organizmu na stres środowiskowy oraz mechanizmy adaptacji. Ze względu na kumulację pyretroidów w środowisku, szczególnie wodnym, na uwagę zasługują wszystkie badania wyjaśniające mechanizmy reakcji zachodzących podczas kontaktu z pyretroidem.
Pyretroidy, modyfikując działanie enzymów uczestniczących w zmiataniu wolnych rodników, mogą wywoływać długotrwałe zmiany w tkankach, których skutkiem może być uszkodzenie narządów wewnętrznych, zmiany w odporności komórkowej i zmiany zachowania. Przedstawiono usystematyzowane dane dotyczące poszczególnych procesów, które mogą wystąpić po kontakcie z wymienionymi pyretroidami oraz możliwe rozwiązania prewencyjne.