Toxic Mechanisms of Pyrethroids Studied <i>in Vitro</i>

Abstract

Väitöskirjassa tutkittiin kemiallisesti erilaisten kaupallisten pyretroidiyhdisteiden: Biospray, tehoaine pyretriini, Biokill, tehoaine permetriini ja Ripcord, tehoaine sypermetriini, myrkyllisyyttä. Pyretroidiyhdisteet ovat laajasti kotitalouksissa ja maataloudessa käytettyjä hyönteismyrkkyjä, joihin lähes jokainen törmää (Esim. Raidissa,jota käytetään kärpästen torjuntaan on pyretriiniä ja BioKill-suihkeessa, jota käytetään kotitalouksissa yleisesti esim. ruusujen kirvojen torjuntaan). Tutkimus oli in vitro-tutkimus, jossa ei käytetty koe-eläimiä, vaan pääasiassa ihmisen hermoston ja rintarauhasen soluja, joita altistettin pyretroidiyhdisteillä. Myrkyllisyys todettiin lähinnä solun ennergiatalouden (ATP-energian)muutoksina sekä mikroskoopisessa tarkastelussa.

Tutkimuksessa todettiin hermosolujen olevan herkkiä pyretroidiyhdisteille. Yllättävää oli, että pyretriini, joka on eräästä kasvista saatava luonnon yhdiste oli synteettistä yhdistettä (permetriiniä) haitallisempi esim. solukalvolle. Yllättävää oli myös se, että soluviljelmissä mikroskoopiset havainnot osoittivat solujen voivan huonosti jo hyvin alhaisissa pyretroidikonsentraatioissa, vaikka metabolia (mm solun energian kulutus) näytti toimivan vielä erittäin hyvin. Eli mikroskooppitutkimus voisi olla hyvä esitutkimusmenetelmä, kun arvioidaan kemikaalien myrkyllisyyttä.

Uutta oli myös se, että pyretroidit näyttivät lisäävän estrogeenin vaikutusta ihmisen maitorauhasen soluissa (syöpäsolulinja). Solujen kasvu oli varsin merkittävää, kun soluviljelmään, jossa oli estrogeeniä mukana lisättiin pyretroidiyhdisteitä. Tarvitaan kuitenkin vielä lisätutkimuksia asian todentamiseksi ja erityisesti mekanismin selvittämiseksi.

Pyrethroids are insecticides widely used in agriculture and gardening. They form a group of chemically different compounds with a high degree of efficacy and low human toxicity. Pyrethroids are often regarded as a modern generation of 'safe' insecticides, because they are rapidly metabolised in mammals and ecosystems, which explains their low toxicity. The natural pyrethroid compounds, pyrethrins, were already known in China in the first century AD. In the 1940s the producing of synthetic pyrethroids began, and pyrethroid compounds are now routinely synthesised by the agrochemical industry. The neurotoxicity of pyrethroids is based on their effects on the neuronal cell membrane. Previously, the voltage-sensitive sodium channel has been studied as a principal molecular target site for pyrethroids. The non-neurotoxic effects referred to are e.g. allergenic effects, oestrogenic effects and interaction with the cell cycle.

In the present in vitro study, three commercial pyrethroid products (Biospray, Biokill and Ripcord) were studied. In Biospray S, pyrethrin is the active compound, while Biokill contains permethrin and Ripcord cypermethrin. The neurotoxicity was investigated in studies of neural membrane effects in isolated rat brain synaptosomes, and the acute cell toxic effects were followed in neuronal cell cultures. The hormone-like effects were evaluated in a human breast carcinoma cell line.

In synaptosomal membranes, the adenosine triphosphatase (ATPase) was shown to be a target site for the membrane effect of pyrethroids. Piperonyl butoxide, a well-known synergist of pyrethrin, potentiated the synaptosome ATPase -inhibiting effect of pyrethrin. In the SH-SY5Y neuroblastoma cultures, the viability of the cells decreased in acute exposures. The toxic effect was dependent on the chemical structure of the respective pyrethroid compounds. Pyrethroids without an alpha cyano group (pyrethrin and permethrin) were less toxic than cypermethrin with the same group. Microscopic photographs confirmed the result of the biochemical viability tests. The morphological changes were seen in the exposed cultures even at concentrations lower than those obtained with the viability tests. In human breast carcinoma cell line (MCF-7), pyrethroid compounds had a clearly synergistic effect with oestradiol. At low concentrations, pyrethroids increased markedly the cell proliferative effect of oestradiol, but at high concentrations, their effect was cell toxic. The cell toxicity was studied with two biochemical viability tests: WST-1 test based on the mitochondrial metabolic enzyme activity and, ATP test based on the total cellular ATP content. The present study showed that the neural membrane integral protein ATPase is a target for the effects of pyrethroids. The different acute toxicities of the test compounds in the neuroblastoma cell line confirmed the toxicity-increasing effect of the alpha cyano group in the pyrethroid structure. The in vitro study on breast carcinoma cell line showed the oestrogen-like effect of pyrethroids, which should receive special attention when the toxic risks of pyrethroids are further evaluated.