How do antineoplastic agents affect the survival and cellular homeostasis of Daphnia magna?

Abstract

Antineoplastic agents, vital components of cancer chemotherapy, are designed to inhibit tumor cell proliferation through interactions with DNA and modifications of cellular growth factors. Their release into municipal and hospital effluents raises concerns about potential risks to non-target aquatic organisms, especially when they coexist in complex mixtures. This study investigates the immobilisation, antioxidant and biochemical response and neurotransmission of Daphnia magna when exposed to two distinct antineoplastic agents, doxorubicin (DOX) and oxaliplatin (OXA), with the objective to evaluate the impact of their single and mixture toxic effects. The combined toxicities were assessed using two distinct models, Concentration Addition and Independent Action, alongside with their possible deviations, like synergism, (causing a more severe effect) or antagonism (less severe effect), effects dependent on “dose level” (different deviations at high and low concentration levels) or those dependent on “dose ratio” (deviations depend on the mixture’s composition). Acute effects of single exposure after 48 hours found a fifty percent of immobilisation of D. magna occuring at EC50=0.79 mg/L of DOX and at EC50=59.61 mg/L of OXA. Mixture exposure of DOX and OXA displayed a better fit for dose ratio deviation patterns for both models, showing synergism at higher OXA concentrations while antagonism was mainly caused by increasing DOX concentrations. The evaluation of biomarkers for neurotoxicity, oxidative stress, and cell membrane damage was conducted through D. magna’s exposure to sub-lethal concentrations of DOX and OXA. Biomarkers included Acetylcholinesterase, Catalase, Glutathione peroxidase, Glutathione Reductase, Glutathione S-transferase, Electron Transport System, Cytochrome c Reductase activities, and Lipid Peroxidation. Biomarker analysis elucidates that different mechanisms have been employed to attenuate the cellular-level impact of oxidative stress induced by each isolated antineoplastic on Daphnia. When exposed to mixtures, it is observed a decrease on acetylcholinesterase, especially at higher concentrations of OXA. The ecotoxicological data presented in this study not only highlight the potential environmental risk associated with anticancer drugs, particularly concerning their synergistic effects, but also emphasize the importance of integrating statistical models to assess the environmental impact of these compounds, as their behaviour will be different to the impact the single stressors induce.

Antineoplásicos são componentes vitais da quimioterapia contra o cancro e são desenhados para inibir a proliferação de células tumorais por meio de interações com o DNA e modificações nos fatores de crescimento celular. A sua libertação nos efluentes municipais e hospitalares suscita preocupações quanto aos potenciais riscos para organismos aquáticos não alvo, especialmente quando coexistem em misturas complexas. É investigada a imobilização, resposta antioxidante e bioquímica, bem como a neurotransmissão em Daphnia magna quando expostas a dois diferentes agentes antineoplásicos, doxorubicina (DOX) e oxaliplatina (OXA), com o objetivo de avaliar o impacto dos seus efeitos tóxicos individuais e em misturas. As toxicidades combinadas foram avaliadas usando dois modelos distintos, Adição de Concentração e Ação Independente, bem como seus possíveis desvios para sinergismo (causando efeito mais severo) ou a antagonismo (efeito menos severo), dependentes da dose aplicada, ou dependência do rácio entre as doses aplicadas para cada item da mistura e/ou combinação. Os efeitos agudos da exposição individual após 48 horas revelaram que cinquenta por cento de imobilização de D. magna ocorre em EC50=0,79 mg/L de DOX e EC50=59,61 mg/L de OXA. A exposição de misturas de DOX e OXA apresentou um melhor ajuste para os padrões de desvio de dependência do rácio em ambos os modelos, mostrando sinergismo em concentrações mais altas de OXA e antagonismo em concentrações mais baixas de DOX. A avaliação de biomarcadores para neurotoxicidade, stresse oxidativo e danos na membrana celular foi realizada por meio da exposição de D. magna a concentrações subletais de DOX e OXA. Os biomarcadores incluíram atividades da Acetilcolinesterase, Catalase, Glutationa peroxidase, Glutationa Redutase, Glutationa S-transferase, Sistema de transporte de Eletrões, Citocromo c Redutase e Peroxidação Lipídica. Análise de biomarcadores mostra que diferentes mecanismos foram utilizados para atenuar o impacto a nível celular do stress oxidativo induzido por cada antineoplásico individualmente em Daphnia. Quando em misturas, foi observado diminuição da acetilcolinesterase, especialmente em concentrações mais elevadas de OXA. Os dados ecotoxicológicos apresentados neste estudo, não apenas destacam o potencial risco ambiental associado a compostos antineoplásicos, particularmente no que diz respeito aos seus efeitos sinérgicos, mas também enfatizam a importância da integração de modelos estatísticos para avaliar o impacto ambiental desses compostos, uma vez que o seu comportamento será diferente do impacto causado por stressores individuais.