Chronic effects of carbamazepine on Danio rerio: a multi-parametric evaluation

Abstract

Os fármacos são atualmente considerados contaminantes ambientais emergentes, devido à sua constante deteção nos ecossistemas aquáticos, consequência do aumento na sua produção, diversificação e consumo. A carbamazepina (Cbz) é um fármaco humano utilizado para tratamento de epilepsia, distúrbios bipolares e neuralgia trigeminal estando entre os fármacos mais prescritos no mundo e sendo considerado um marcador de poluição antropogénica. Para uma correta avaliação de risco ambiental é essencial avaliar os efeitos a longo termo dos compostos em vários níveis de organização biológica. Assim, os objetivos deste trabalho foram: i) avaliar a toxicidade crónica da Cbz para o peixe-zebra (Danio rerio) adulto, numa gama de concentrações que inclui uma concentração ambientalmente relevante (10 μg.L−1) e uma concentração correspondente a 5% do valor de concentração letal mediana (CL50) (10000 μg.L−1). Foram estudados efeitos no crescimento, comportamento alimentar, reprodução (número total de ovos e viabilidade), defesas antioxidantes (atividade da catalase - CAT e Glutationa S- transferase - GST), neurotransmissão (atividade da acetilcolinesterase - AChE), atividade metabólica (atividade da lactato desidrogenase - LDH) e anomalias nucleares eritrocíticas nos adultos expostos a Cbz; ii) avaliar a toxicidade aguda do propranolol (Prop) (um fármaco cardiovascular utilizado no controlo da hipertensão, angina pectoris e arritmia após enfarte agudo do miocárdio) para adulto D. rerio após previa exposição a Cbz, iii) avaliar alterações na suscetibilidade de embriões decorrente da exposição aguda ao Prop após exposição parental a Cbz. A exposição crónica do peixe-zebra a Cbz induziu alterações no tempo total de ingestão de alimento nas duas concentrações testadas e induziu inibição da CAT no fígado e brânquias (10 e 10000 μg.L−1). A GST apresentou uma resposta dependente do órgão, com um aumento de atividade nas brânquias (10 e 10000 μg.L−1) e fígado (10000 μg.L−1) e diminuição no intestino (10000 μg.L−1). A atividade da AChE aumentou na cabeça (10 e 10000 μg.L−1) e músculo (10000 μg.L−1), enquanto a atividade da LDH apresentou-se aumentada no fígado (10000 μg.L−1) e diminuída no músculo e brânquias na concentração de Cbz mais elevada (10000 μg.L−1). Em termos reprodutivos, a Cbz (10 e 10000 μg.L−1) diminuiu o número de ovos viáveis produzidos por peixe-zebra. A prévia exposição de adulto D. rerio a baixas concentrações de Cbz (0 e 10 μg.L−1) induziu 100% de mortalidade quando os organismos foram expostos ao Prop (1000 e 5000 μg.L−1) enquanto, organismos expostos a maior concentração de Cbz (10000 μg.L−1) apresentaram capacidade para tolerar o Prop. A exposição crónica a Cbz não teve no entanto efeitos significativos na taxa de crescimento dos organismos, não tendo igualmente sido detectadas anomalias nucleares eritrocíticas, indicadores de cito e genotoxicidade. Os descendentes não demonstraram alterações na susceptibilidade ao Prop, quando comparados com os organismos controlo. De uma forma geral, os dados obtidos neste trabalho sugerem que a exposição crónica a baixas concentrações de Cbz afeta o comportamento e processos bioquímicos no peixe-zebra com possíveis consequências a nível da reprodução.

Pharmaceuticals are emerging environmental contaminants due to their constant detection into aquatic ecosystems, as a response to the increase in the rate of production, high diversity, and high consumption. Carbamazepine (Cbz) is used to epilepsy treatment, bipolar disorders, trigeminal neuralgia, being among the most prescribed drugs in the world and is considered a marker of anthropogenic pollution. For a correct environmental risk assessment, it is essential to evaluate the long-term effects of the compounds in various levels of biological organization. The objectives of this study were: i) evaluate the chronic toxicity (63 days) of Cbz for adult Danio rerio at an environmentally relevant concentration (10 μg.L-1) and at a concentration close to 5% of the median lethal concentration (LC50) value (10000 μg.L-1). Effects were studied on growth, feeding behavior, reproduction (total number of eggs and viability), antioxidant defences (Catalase - CAT and Glutathione-S-Transferase - GST), neurotransmission (acetylcholinesterase activity – AChE), metabolic activity (lactate dehydrogenase - LDH) and nuclear abnormalities in adults exposed to Cbz; ii) to evaluate the acute toxicity of propranolol (Prop) (a cardiovascular pharmaceutical used to hypertension control, angina pectoris and arrhythmia after acute myocardial infarction) for adult D. rerio after chronic exposure to Cbz, iii) to evaluate changes in offspring susceptibility to acute exposure to Prop after parental exposure to Cbz and, in offspring. Chronic exposure of zebrafish to Cbz induced changes in total time for food intake at the two concentrations tested. Cbz exposure induced changes in enzymatic activity: CAT was inhibited in the liver and gills (10 and 10000 μg.L-1); GST presented an organ-dependent response with increased activity in the gills (10 and 10000 μg.L-1) and in the liver (10000 μg.L-1) and a decrease in enzyme activity in the intestine (10000 μg.L-1); the activity of AChE was increased in head (10 and 10000 μg.L-1) and muscle (10000 μg.L-1); while LDH showed increased activity in the liver and decreased in muscle and gills, these effects were observed in the highest concentration of Cbz (10000 μg.L-1). The number of eggs produced did not suffer changes; however, the number of viable eggs produced by zebrafish, exposed to Cbz was reduced (10 and 10000 μg.L-1). The previous exposure of adult D. rerio to low concentrations of Cbz (0 and 10 μg.L-1) induced mortality of 100% when these organisms were exposed to Prop (1000 and 5000 μg.L-1) while organisms exposed to a higher concentration of Cbz (10000 μg.L-1) were able to tolerate the Prop.The chronic exposure to Cbz did not induced significant effects in growth rate of the organisms and no erythrocytic nuclear abnormalities, cito and genotoxicity indicators were detected. The offspring did not show changes in Prop susceptibility, when compared with the control organisms. Overall, the data obtained in this work suggest that chronic exposure to low concentration of Cbz affects feeding behaviour and biochemical processes in zebrafish with possible consequences at reproduction level.