Analitikai kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
65 %
Ortelius tudományág: Műszeres analitika
Sejtszintű és molekuláris neurobiológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
35 %
Ortelius tudományág: Neurobiológia
zsűri
Idegtudományok
Kutatóhely
Balatoni Limnológiai Intézet (HUN-REN Ökológiai Kutatóközpont)
projekt kezdete
2017-09-01
projekt vége
2020-08-31
aktuális összeg (MFt)
15.219
FTE (kutatóév egyenérték)
2.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatási program fő célja a környezetbe kerülő pszichoaktív hatóanyagok által kiváltott idegrendszeri változások megismerése biomolekuláris szinten, modern tömegspektrometriás módszerek alkalmazásával. A kutatási program részeként vizsgálni fogom a biológiai aktivitással rendelkező humán eredetű gyógyszer hatóanyagok (pl. diazepam, carbamazepine, fluoxetin) mennyiségi viszonyait a Balatonban és a Zala vízgyűjtőterületén. A gyógyszermaradványok mennyiségi viszonyai alapján, kontrolált laboratóriumi kísérleti körülmények között, kezeléseket végzek, majd célzottan vizsgálom azonosított neuronokban a biomolekuláris profil megváltozását. Célom azonosítani a megváltozott neurokémiai folyamatokat. Az azonosított neuronok feltérképezésével, valamint a módosult neurotranszmissziós folyamatok meghatározásával kívánom feltárni és vizsgálni a pszichoaktív hatóanyag terhelés rövid és hosszú távú idegrendszeri hatásait, egy gerinctelen modell állatfajában (nagy mocsári csiga- Lymnaea stagnalis). A munka sikerességét garantálja a MTA ÖK Balatoni Limnológiai Intézetének teljes intellektuális és infrastrukturális háttere.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Az emberi tevékenység hatására környezetünkben különböző szintetikus kémiai szennyezőanyagok jelenléte figyelhető meg (például pszichoaktív hatóanyagok). Ezen szennyező anyagok közvetlenül befolyásolják a különböző vízi ökoszisztémákat, azonban a nem elszigetelt vízkészleteket elérve emberi hatásai is elképzelhetőek. A kutatás célja, hogy megértsük, hogy ezen kimutatható pszichoaktív szerek hogyan befolyásolják az idegsejtek molekuláris összetételét és a neurális folyamatokat. Az azonosított neuronok biomolekuláris feltérképezése alapvető jelentőségű, hogy megértsük a neuronális folyamatok hátterében álló biokémiai és molekuláris változásokat. A kutatás alapkérdései: 1. Milyen pszichoaktív gyógyszerhatóanyag terhelési viszonyok jellemzik a Balaton és a Zala vízgyűjtő területét? 2. Milyen molekuláris változásokat indukál a pszichoaktív hatóanyag terhelés a nagy mocsári csiga azonosított neuronjaiban? 3. Kimutatható-e késői vagy elhúzódó idegrendszeri válasz, valamint ez különbözik e a korai idegrendszeri választól? 4. Milyen elhúzódó következményei lehetnek a pszichoaktív szerekkel végzett gyógyszeres terápiának?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Napjainkban, a különböző abiotikus humán eredetű kémiai szennyezések, mint pl. a pszichoaktív hatóanyagok, a vízi ökoszisztéma jelentős megváltozását idézik elő. A vízkészlet terhelési viszonyainak meghatározásával, valamint a biomolekuláris profilok összetételének mennyiségi és minőségi meghatározásával bővíthetjük tudásunkat és ismeretünket a környezeti kihívásokra adott idegrendszeri válasz biokémiai és molekuláris hátterével kapcsolatosan. Vizsgálhatóvá válik egy olyan neurokémiai-ökológiai alapkérdés, amelyben egy tényleges környezeti szennyezésre adott molekuláris válasz tanulmányozható és értékelhetők a különböző humán eredetű környezetszennyező anyagok hatásai. A vizsgálatok és következtetések hozzájárulhatnak a humán terápiában használt hatóanyagok hosszú távú idegrendszeri hatásainak pontosításához és megértéséhez. Ez idáig kevés ismeretanyag áll rendelkezésre ezen hatóanyagok terápia utáni hatásairól és társadalmi következményeiről. Az MTA ÖK BLI kiváló technikai, ökológiai és neurokémiai intellektuális hátteret biztosít, ezt a tudást párosítva az analitika (tömegspektrometria) újszerűségével és lehetőségeivel eddig nem vizsgált kérdések megválaszolására van lehetőség. Nemzetközi viszonylatban a Max Planck Institute for Chemical Ecology-ban (Prof. B. Hansson vezetésével) folynak hasonló alapelvek szerint kutatások, azonban az alkalmazott, speciális egy-neuron molekuláris elemzésére alkalmas módszer, úgy gondolom egyedülálló lehetőséget biztosít eddig nem ismert neurokémiai folyamatok felderítésére.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A Magyarországon jelenleg alkalmazott szennyvíztisztítási eljárások számos bioaktív szennyező eltávolítására nem, vagy csak alig alkalmasak, így azok, biológiai aktivitásuk megőrzése mellett, változatlan formában jutnak ki a természetbe. Az emberi eredetű szennyezések, köztük a pszichoaktív gyógyszermaradványok, jelentős hatást gyakorolnak olyan sekély tavak, mint pl. a Balaton élővilágára, ahol célszervezetnek nem tekinthető gerinctelen vízi állatok (pl. nagy mocsári csiga) életfolyamatait befolyásolják, azonban a nem elszigetelt vízkészleteket elérve emberi hatásai is elképzelhetőek. Ezek a hatások főleg idegrendszeri eredetűek, módosítják idegi folyamataikat és megváltoztatják az idegsejtek molekuláris összetételét. A pályázat célja, azon idegrendszeri folyamatok megismerése, melyek megváltoznak a pszichoaktív hatóanyagok hatására. Vizsgálni kívánom az idegrendszer szintjén megjelenő biomolekuláris profilok megváltozását azonosított idegsejteken, valamint a háttérben álló idegi folyamatokat, válaszokat. Magyarországon jelentős a humán gyógyszeres terápiában ezen hatóanyagok alkalmazása és évről évre növekvő tendenciát mutat a könnyű beszerezhetőség következtében. Azonban, a terápia hosszú távú, visszamaradó idegrendszeri hatásairól kevés ismeretanyag áll rendelkezésre napjainkban. A vizsgálatok és következtetések hozzájárulhatnak a humán gyógyszerfelhasználás hosszú távú idegrendszeri hatásainak pontosításához és megértéséhez, valamint társadalmi következményeinek becsléséhez.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The main aim of this project is to investigate the psychoactive drugs exposure induced neural changes at biomolecular levels by modern mass spectrometric methods. As a part of the project, I will study the quantitative parameters of human derived, biologically active pharmaceutical agents (e.g. diazepam, carbamazepine, fluoxetine) in the catchment area of Lake Balaton and River Zala. Based on the quantitative data to be obtained, treatments will be applied under strictly controlled laboratory conditions, then the subsequent changes in the biomolecular profile of key neurons will be investigated. I will identify the changes in the biomolecular map of identified neurons, furthermore the affected neurochemical processes. Finally, I will determine the psychoactive drugs induced early and late neuronal responses in an invertebrate model animal (Lymnaea stagnalis). The successful realization of the project is guaranteed by the intellectual and infrastructural background of the MTA ÖK Balaton Limnological Institute.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. As a result of human activity, a lot different synthetic chemical pollutants are present (e.g. psychoactive drugs) in our environment. These pollutants directly affect the water ecosystems and additionally, by contaminating the not well isolated water resources, they could affect human life. The aim of this research is to understand how these detected psychoactive drugs affect the biomolecular content of relevant neurons and neural processes. The biomolecular mapping of these identified neurons is essential to understand the biochemical and molecular changes that underlie neural processes. The key questions are: 1. What is concentration of psychoactive drugs in the catchment area of Lake Balaton and River Zala? 2. What kind of changes are induced in the identified neurons at molecular level by psychoactive drug treatments? 3. Is there any difference between the early and late neuronal responses to the psychoactive drugs? 4. What are the late consequences of psychoactive drug therapy?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Nowadays, a variety of anthropogenic chemical pollutants, such as psychoactive drugs, causes significant changes in water ecosystems. The determination of exposure conditions, furthermore, the quantitative and qualitative analysis of biomolecular profiles could expand our knowledge and understand the biochemical and molecular background of specific neural responses to environmental challenges. A neurochemical-ecological questions can be addressed regarding the molecular responses to an actual environmental pollution and the effects of various pollutants of human origin can be studied and evaluated. The investigations and conclusions may contribute to the clarification and understanding of the long-term neural effects of human drug usage. So far, there is only limited knowledge available on the social consequences, the prolonged and delayed effects of these therapies The MTA ÖK Balaton Limnological Institute guarantees an excellent intellectual and infrastructural backgroung in the field of ecology and neurochemistry and this knowledge, combined with the opportunities arising from the novelty (mass spectrometry) of the analysis makes it possible to answer previously unexamined questions. On the international scale the researchers at the Max Planck Institute for Chemical Ecology (Head: Prof. B. Hansson) carried out similar research, however, I think the application of this special, single-neuron analysis method provides a unique opportunity to understand unknown neurochemical processes.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Currently used wastewater treatment technologies in Hungary are not or only partly suited for eliminating many, biologically active pollutants which allows them to enter the environment in their physiologically active state. Anthropogenic pollutants (e.g. psychoactive pharmaceutical agents) mean a significant disturbance for the aquatic ecosystems of shallow lakes such as the Lake Balaton since they influence the physiology of non-target invertebrate species (e.g. Lymnaea stagnalis and additionally, by contaminating the not well isolated water resources, they could affect human life. Most frequently, the disturbed processes are neural, neuronal and the molecular composition of single neurons are modified. The aim of this project is to understand the neural processes that are altered by psychoactive agents. I plan to investigate the modification of biomolecular profiles that take place in identified neurons of the nervous system and the underlying neuronal processes. In Hungary, consumption of these drugs is substantial in human drug therapy and an increasing trend can be observed from year to year since they are easily accessible to the public. However, there is limited knowledge available on the prolonged and delayed effects of these therapies. The studies and conclusions may contribute to the clarification and understanding the long-term neural effect of human drug usage as well as to estimating the social consequences.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Egy szilárdfázisú extrakciót követő szuperkritikus fluid kromatográf – tandem tömegspektrometriás detektálást alkalmazó módszer került kifejlesztésre, amely alkalmas többkomponensű gyógyszerhatóanyagmaradványok szimultán vizsgálatára, ezt a módszert alkalmaztuk a szennyezések követésére a Balaton esetében. A vizsgálatok során 69 hatóanyagot azonosítottunk a vizsgált 134 közül. Megállapítottuk, a fő szennyezések a szennyvíztisztító művekhez köthetők, ugyanakkor a turizmus indukálta szennyezések szintén kimutathatók voltak. A turizmus hatását a rekreációs anyagok (pl. koffein és tiltott drogok) magas koncentrációja jól jelezte az idegenforgalmi szezonban, ezen anyagok jelentősen befolyásolhatják e fontos nyári üdülőhely vízminőségét.
A felszíni vizekben jelen lévő krónikus gyógyszermaradvány szennyezések környezeti kockázatot jelenthetnek nem célszervezetek számára is, meghatároztuk a környezeti kockázati tényezők időbeli változását 42 hatóanyagot megvizsgálva. Eredményeink megerősítették azokat a feltételezéseket, melyek szerint a magas turisztikai befolyás jelentős hatással van a kockázati tényezőkre mértékére.
A Lymnaea stagnalis, mint vizi modellállatot pszichoaktív szer terhelésnek tettük ki és megállapítottuk, hogy a környezeti terhelés befolyásolhatja a nem cél szervezetek viselkedési aktivitásait.
Az egy neuron analízisére alkalmas tömegspektrometriás módszert optmalizáltuk a L. stagnalis-ra, ezt alkalmazva 42 idegrendszerből származó komponenst tudtunk azonosítani.
kutatási eredmények (angolul)
We developed a reliable solid-phase extraction supercritical fluid chromatography tandem mass spectrometry method for simultaneous multi-residue analysis of drugs to reveal spatiotemporal changes in the PhAC (Pharmaceutically active compounds) contaminations in the Lake Balaton. The environmental application of the method revealed 69 out of traced 134 chemical compounds. Wastewater treatment plant loads have a major role in the PhAC contamination of studied area; at the same time, the mass tourism-induced PhAC contamination was also detectable. Furthermore, the impact of tourism was indicated by elevated concentrations of recreational substances (e.g., caffeine and illicit drugs) in the touristic season affecting the water quality of this important summer holiday destination.
The presence of PhACs in surface waters poses an environmental risk of chronic exposure to nontarget organisms, we determined the temporal changes in ecological risk quotient (RQ) based on the concentrations of 42 PhACs. Our results confirmed assumptions that the high tourist season had a significant impact on the calculated RQ.
Lymnaea stagnalis as aquatic model animal was exposed to chronic psychoactive drug treatments and we conclude that the environmentally PhACs could affect the behavioural activity of non-targeted organisms.
The single neuron analysis by mass spectrometry method have been optimizing to L. stagnalis neurons and we could identify 42 component derived from central nervous system.
Maasz Gabor, Mayer Matyas, Zrinyi Zita, Molnar Eva, Kuzma Monika, Fodor Istvan, Pirger Zsolt, Takács Péter: Spatiotemporal variations of pharmacologically active compounds in surface waters of a summer holiday destination, SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT, 2019
