Édesvizi algák által termelt cianotoxinok hatásai vizi gerinctelen szervezetekben – idegrendszeri háttérmechanizmusok in vivo és in vitro modell rendszereken
Title in English
Neuronal substrate(s) of cyanotoxin effects produced by freshwater algae - in vivo and in vitro studies on model freshwater invertebrate organisms
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
70 %
Hydrobiology, ecological status assessment, applied ecology (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Balaton Limnological Institute, Centre for Ecological Research, Hungarian Academy of Sciences (Centre for Ecological Research)
Participants
Farkas, Anna Gácsi, Marianna Győri, János Hernádi, László Kovács, Attila
Starting date
2006-02-01
Closing date
2010-01-31
Funding (in million HUF)
14.000
FTE (full time equivalent)
7.66
state
closed project
Summary in Hungarian
A Balatonból izolált, Kutatóintézetünkben tenyésztett cianobaktérium törzsek (Aphanizomenon, Anabaena, Cylindrospermopsis) toxikus hatóanyagainak hatásmechanizmusait vizsgáljuk gerinctelen modell szervezetek (nagy mocsári csiga Lymnaea stagnalis L., édesvízi kagyló Anodonta cygnea L.) életfolyamataiban. A toxintartalmú algakivonatok hatásait teszteljük az állatok viselkedési mintázatain (mozgás, légzés, táplálkozás, filtráció). Lymnaea stagnalis központi idegrendszerében elektrofiziológiai, biokémiai és morfológiai módszerekkel feltárjuk a toxinhatásra létrejövő idegrendszeri változásokat. Meghatározzuk a toxikus hatóanyagok sejt és membránszintű támadáspontját in vivo (a központi idegrendszerben) illetve in vitro (izolált idegsejteken és kapcsolatokban). Jellemezzük az algatoxinok idő-, és koncentráció függő bioakkumulációját, az állatok anyagcserefolyamataival kialakuló interakciókat. Eredményeinket összehasonlítjuk a Balatonból és más élővizekből gyűjtött minták, valamint a kereskedelemben kapható, ismert neurotoxinok hatásaival, végül megkíséreljük az algakivonatok toxikus konponenseinek elválasztását és kémiai azonosítását. Kutatásaink eredményei hozzájárulhatnak a cianotoxinok egészségkárosító hatásait kivédő megoldások kidolgozásához. A toxikus hatóanyagok idegrendszeri támadáspontjainak azonosításával új farmakológiai eszközökhöz is juthatunk, melyekkel elemi idegrendszeri mechanizmusok (transzmitter-receptorok, ioncsatornák működése) célzottan befolyásolható magasabbrendűek (gerincesek) idegrendszerében is.
Summary
The effects of toxins produced by cyanobacterial cultures (Aphanizomenon, Anabaena, Cylindrospermopsis) isolated from Lake Balaton will be assessed using two freshwater model organisms. The changes in locomotion, respiration, feeding and filtration behaviour of the pond snail Lymnaea stagnalis and mussel Anodonta cygnea will be quantified. Electrophysiological, biochemical and morphological techniques will be applied to the isolated CNS and to cultured neurons to find the neuronal correlates of the behavioural changes. The exact membrane and intracellular target(s) of the toxins will be studied pharmacologically. The accumulation of toxins in the CNS and other tissues (as functions of time and concentration) will be assayed analytically (HPLC). Lake Balaton cyanotoxins will be compared with those from other open air waters (Kis-Balaton, water reservoirs) and commercially available neurotoxins (anatoxin-a. saxitoxin). Finally we aim to identify and purify the toxic components of the extracts of cyanobacteria. Our results will be useful in toxicity assessment of water contaminated by cyanobacteria and in finding ways to prevent the hazardous effects of cyanotoxins. Identifying new algal neurotoxins may also provide tools to characterize the neuronal membranes (receptors, ion channels) in higher animals, including vertebrates.
Final report
Results in Hungarian
Természetes fitoplankton tömegprodukció során gyűjtött minták és hazai cianobaktérium törzsek in vivo toxikológiai elemzése (THAMNOTOX-F, ArTox, DAPHTOX-FTM, ToxAlert 100) ill. in vitro biomarker mérései bizonyítják, hogy sporadikusan mind a Balatonban mind a Kis-Balaton területén megjelenhetnek potenciálisan toxikus algatörzsek. A Balatonból izolált Cylindrosprmopsis raciborskii törzsek toxikus mechanizmusai a mért biokémiai paraméterek (LDH, GST szintek, AchE gátlás) alapján eltérnek a cilindrospermopszint termelő ausztrál C. raciborskii (AQS) törzs hatásától, és jobban hasonlítanak az anatoxinokat termelő Oscillatoria (PCC 6505) törzsre. Puhatestű neuronokon kapott elektrofiziológiai eredmények (az algakivonatok kolinerg receptorblokkoló, esetenként AchE gátló hatása) is a PCC törzs hatásához mérhető. In vitro, CHO-K1 sejttenyészeten végzett életképességi tesztek és a sejtváz szerkezetében kialakuló degeneratív változások rövid-és hosszútávú (feltehetően eltérő bioaktív komponensek vagy mechanizmusok révén) kialakuló citotoxikus hatásokat is kimutattak.
Molekuláris genetikai vizsgálatok szerint a balatoni C. raciborskii törzsek nem termelnek cilindrospermopszint, és analítikai vizsgálatok sem igazolták eddig ismert cianotoxinok (anatoxin-a, anatoxin-a(S) vagy szaxitoxinok) jelenlétét. Az in vivo és in vitro tesztek szerint okozott toxicitás így feltehetően egyéb, eddig nem azonosított toxikus metabolitok jelenlétének, illetve ezek szinergista hatásának köszönhetőek.
Results in English
Cyanobacterial bloom samples and endogenous cyanobacterial isolates were assessed for environmental risk by a battery of in vivo toxicity tests (THAMNOTOX-F, ArTox, DAPHTOX-FTM, ToxAlert 100) and in vitro biochemical assays of test animals. The results revealed the sporadic appearance of toxic strains of cyanobacteria in the lake Balaton and Kis-Balaton area.
Biochemical data (LDH, GST and AchE levels) suggested different toxic mechanisms of the extracts of Cylindrospermopsis raciborskii isolates from the Lake Balaton compared with the cylindrospermopsin producing Australian C. raciborskii strains. The electrophysiological results on identified gastropod neurons showed similar features (cholinegic blocking and AchE inhibiting effects) with the extracts made from the anatoxin-a producing Oscillatoria (PCC 6505) strains. In vitro viability tests and morphological studies on CHO-K1 cell culture separated the short term and long term cytotoxic effects of the C. raciborskii strains, probably due to their different toxic components and target mechanisms.
Molecular genetic studies did not prove the presence of cylindrospermopsin, neither analitical analysis showed any of the recently known cyanotoxins (anatoxin-a, anatoxin-a(s), saxitoxin) in the extracts of C. raciborskii strains from Balaton, suggesting that their in vivo and in vitro toxicity is the product of other, recently unidentified toxic substances and their likely synergistic interactions.
Vehovszky, Á. Szabó H., Ács, A., Győri, J., Farkas, A: Effects of rotenone and other mitochondrial complex I. inhibitors on the brine shrimp Artemia, Acta Biologica Hungarica 61 (4) - közlésre elfogadva, 2010
Ács András: Alternatív ökotoxikológiai tesztek környezetszennyező komponensek detektálására Egyetemi doktori (PhD) értekezés (kéziratban) témavezető: Kováts Nóra, Farkas Anna, Pannon Egyetem, Veszprém, 2010
Antal Ottilia Tamara: Cianobaktérium törzsek citotoxicitásának vizsgálata CHO-K1 sejteken Országos Tudományos Diákköri Konferencia dolgozat (kategória 1. helyezés). témavezető: Dr. Kósa Ferenc, Gácsi Mariann, Dr. Győri János)., Pannon Egyetem, Veszprém, 2010
Ágnes Vehovszky, András Ács, Attila W.Kovács, Henriette Szabó, János Győri, Anna Farkas: Isolated strains of Cylindrospermopsis raciborskii from Lake Balaton (Hungary) produce anatoxin-a like neurotoxins, Comparative Biochemistry and Physiology 153A 2/Suppl P 588, 2009
Gácsi Mariann: Cianobakteriális toxinok és cianobaktérium kivonatok citotoxicitásának összehsonlító vizsgálata CHO-K1 sejteken., Egyetemi doktori (PhD) értekezés. Debreceni egyetem, Juhász Nagy Pál Doktori Iskola, Debrecen, 2009, 2009
Antal Ottilia Tamara: Cianobaktérium törzsek citotoxicitásának vizsgálata CHO-K1 sejteken, Egyetemi szakdolgozat. Babes-Bolyai Tudományegyetem, Biológia-Geológia Kar, Biológia szak, Kolozsvár, 2008, 2009
Kovács W. Attila, Felföldi Tamás: Természetes vizek potenciális toxintermelő képességének molekuláris vizsgálata, Hidrológiai Közlöny 88: 108-111, 2008
KOVÁCS, W.A., FELFÖLDI T., M. L. SAKER, GÁCSI MARIANN: Cylindrospermopsis raciborskii (Nostocales, Cyanobacteria) cilindrospermopszin termelő képességének molekuláris vizsgálata, Hidrológiai Közlöny 87. 6 sz. 83-86, 2007
Farkas Anna, Kovács W. Attila, Gácsi Mariann, Győri János, Vehovszky Ágnes: Cianobaktériumok toxikusságának vizsgálata a sórák (Artemia salina L.) akut toxicitási teszt alkalmazásával., Hidrológiai Közlöny, 87. 6 sz. 28-30, 2007
Gácsi, M., Antal, O., Vasas, G., Máthé, C., Borbély, G., Saker, M.L., Győri, J., Farkas,: A., Vehovszky, Á., Bánfalvi, G: Comparative study of cyanotoxins affecting cytoskeletal and chromatin structures in CHO-K1 cells, Toxicology in Vitro 23. 710-718, 2009
Hernádi L, Kárpáti L, Győri J, Vehovszky Á, Hiripi L: Humoral serotonin and dopamine modulate the feeding in the snail, Helix pomatia, Acta Biol Hung 59 (Suppl.). 39-46, 2008
Hernádi L, Hiripi L, Győri J, Szabó H, Vehovszky Á,: The terrestrial snail Helix pomatia adapts to environmental conditions by the modulation of central arousal, Acta Biol Hung 59 (Suppl.). 47-53., 2008
