Aquatische Ökotoxikologie von Arzneimitteln in der Umwelt: Die reproduktionstoxische Wirkung von synthetischen Gestagenen am Fisch (Pimephales promelas)

Zeilinger, Jana

Estrogene Steroidhormone sind bekanntermaßen in der Lage, die Sexualentwicklung und die Reproduktion von Fischen schon in sehr niedrigen Konzentrationen zu beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu waren zu Beginn dieser Arbeit keine Daten zu den Umweltwirkungen der Klasse der Gestagene verfügbar. Synthetische Gestagene (Progestine) sind Bestandteile oraler Kontrazeptiva und Hormon-Ersatz-Therapeutika. Nach ihrer Anwendung wird der überwiegende Teil ausgeschieden und gelangt über den Urin in die aquatische Umwelt. Aufgrund ihrer pharmakologischen Aktivität beim Säuger ist anzunehmen, dass analog auch beim Fisch die Reproduktion den sensitivsten Endpunkt für die Wirkung von Progestinen darstellt. Um diese Annahme zu untersuchen, wurden die Effekte von drei zur Zeit vermarkteten Progestinen (Levonorgestrel, Dienogest und Drospirenon) an adulten Dickkopfelritzen (Pimephales promelas) in Anlehnung an den Entwurf einer Prüfrichtlinie der OECD zum 21-Tage Fisch-Screening-Assay mit zusätzlichen Endpunkten wie Gonadenhistologie, Vitellogenin-Bestimmung mittels ELISA und Immunhistochemie untersucht. Die eingesetzten nominalen Konzentrationen ergaben sich aus einer rechnerischen Abschätzung der umweltrelevanten Konzentrationen auf Basis von Verkaufsdaten und bekannter akuter Toxizität am Fisch und unterschieden sich in der Größenordnung (Levonorgestrel 2-100 ng/L, Dienogest 100–1000 ng/L und Drospirenon 2–200 µg/L). Um zu überprüfen, ob sich noch andere Lebensphasen als sensitiv gegenüber Gestagenen erweisen, wurde mit einer der Modellsubstanzen (Levonorgestrel) ein Zwei-Generationen-Test nach einer US EPA Richtlinie durchgeführt, in dem die Tiere vom befruchteten Ei bis 30 Tage nach Schlupf der F1-Generation gegenüber der Testsubstanz exponiert wurden. Alle getesteten Progestine verursachten im Reproduktionstest eine Hemmung der Eiablage und histologische Veränderungen an den Gonaden, unterschieden sich jedoch deutlich in Ihren Effektkonzentrationen. Levonorgestrel bewirkte ab der niedrigsten getesteten Konzentration von 0,8 ng/L einen Stillstand der Reproduktion, so dass keine “No-observed-effect-concentration“ (NOEC) identifiziert werden konnte. Höhere Konzentrationen (100 ng/L) resultierten in einer Maskulinisierung der weiblichen Fische mit einer Neubildung von Nuptialtuberkeln und dunklerer Pigmentierung von Haut und Flossen, männlichen sekundären Geschlechtsmerkmalen. Der Zwei-Generationen-Test zeigte, dass die Behandlung mit LNG das Geschlechterverhältnis verschiebt, so dass ab 22,0 ng/L am Expositionsende mehr als 90% der adulten Fische Männchen waren. Bei je einem Tier der Gruppen 22,0 und 29,7 ng/L wurden außerdem Hoden und Oocyten (Testes-Ova) gefunden. Dienogest bewirkte im Reproduktionstest ab einer gemessenen Konzentration von 293 ng/L aufwärts eine verringerte Anzahl der Eier pro Gelege und einen Rückgang der Anzahl abgelegter Eier in der höchsten Dosis. Die niedrigste Dosis von 65 ng/L zeigte keinen Effekt, so dass hier die NOEC festgelegt werden konnte. Die Behandlung mit DRSP sorgte erst ab einer Konzentration von 6,5 µg/L für einen Stillstand der Reproduktion der Fische mit einer klaren Dosis-Wirkungsbeziehung und einer NOEC von 0,66 µg/L. Die Effektkonzentrationen der drei Progestine unterscheiden sich deutlich in ihrer Größenordnung. Für die Effekte von LNG scheint maßgeblich der androgene Partialeffekt der Substanz verantwortlich zu sein, welcher vermutlich zu Beginn der Geschlechtsreife der Jungfische einsetzt. Die Abschätzung des PEC/PNEC-Verhältnisses anhand der ermittelten NOEC der drei Substanzen zeigte, dass für Drospirenon und Dienogest derzeit nicht mit einer Umweltgefährdung zu rechnen ist, Levonorgestrel aber durchaus in wirksamen Konzentrationen in den Gewässern vorliegen kann.

Whereas it is well known that estrogenic steroidal hormones are able to affect the sexual development and reproduction of fish at low concentrations, no data on environmental effects of the class of progestogenic hormones are available yet. Synthetic gestagens (progestins) are a component in oral contraceptives. Upon their use, a fraction of the progestins will be excreted via urine into the aquatic environment. Based on their pharmacological action in mammals it is supposed that fish reproduction is the most sensitive endpoint for the progestin treatment. In order to test this assumption the effects of two progestins currently marketed in contraceptive formulations, levonorgestrel (LNG) and drospirenone (DRSP), were investigated in adult fathead minnows (Pimephales promelas) following a Organization for Economic Cooperation and Development 21-day fish reproduction screening assay draft protocol with additional endpoints. Levonorgestrel was tested at measured concentrations of 0.8, 3.3 and 29.6 ng/L, DRSP at concentrations of 0.66, 6.5 and 70 µg/L. Both tested progestins caused an inhibition of reproduction. For LNG this occurred at concentrations of ≥0.8 ng/L, no no-observed-effect-concentration (NOEC) could be defined. Higher concentrations resulted in masculinization of females with de-novo-synthesis of nuptial tubercles. Drospirenone treatment, on the other hand, affected the reproductive success of fathead minnow at concentrations of 6.5 µg/L and higher with a clear dose-response relationship and a NOEC of 0.66 µg/L, which is above environmentally relevant concentrations.

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Zeilinger, Jana: Aquatische Ökotoxikologie von Arzneimitteln in der Umwelt: Die reproduktionstoxische Wirkung von synthetischen Gestagenen am Fisch (Pimephales promelas). 2009.

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