Untersuchung der Bandbreite an Verfälschungsmitteln, die die Hormone von Fischen und Amphibien stören

Die Antibabypille ist offensichtlich nicht für Fische und Frösche gedacht. Allerdings können die Hormone der Pille und anderer Arzneimittel, die in Kläranlagen nicht vollständig abgebaut werden, Auswirkungen auf Wasserorganismen haben.

Dies liegt daran, dass sich das menschliche Hormonsystem nicht so sehr von dem anderer Wirbeltiere unterscheidet. Tatsächlich sind oft dieselben Sender und Rezeptoren beteiligt. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) bezeichnet diese Stoffe oder deren Mischungen als endokrine Disruptoren, und es gibt Vorschriften zur Bewertung und Reduzierung des Risikos für Mensch und Tier.

Forscher des IGB empfehlen, die Definition und Testmethoden für endokrine Disruptoren zu erweitern. Neben Chemikalien können auch andere Faktoren wie bestimmte Pflanzenstoffe, parasitäre Infektionen oder Lichtverschmutzung das endokrine System stören.

Ihre Studie zu diesem Thema ist veröffentlicht im Tagebuch Philosophische Transaktionen der Royal Society B: Biologische Wissenschaften.

Chemische Kommunikation ist das Grundkonzept für den Informationsaustausch in einem Organismus. Bei „höheren“ Tieren und beim Menschen haben sich für diese Kommunikation drei zentrale Systeme entwickelt: das Immunsystem, das Nervensystem und das endokrine System. Das Hormonsystem steuert wichtige Körperprozesse wie Wachstum und Entwicklung, Verhalten, Stoffwechsel und Fortpflanzung.

Endokrine Disruptoren in Süßwasserökosystemen

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind endokrine Disruptoren Chemikalien oder Chemikalienmischungen, die in die Umwelt gelangen und das endokrine System von Tieren und Menschen beeinträchtigen.

Prominenteste Beispiele sind Weichmacher, die ähnlich wie weibliche Sexualhormone wirken, und Hormone aus der Antibabypille, die in Kläranlagen nicht vollständig abgebaut werden.

Diese endokrinen Disruptoren reichern sich in Oberflächengewässern an und machen Fische und Amphibien besonders gefährdet: Sie können überwiegend weiblich werden oder sich zu Hermaphroditen entwickeln, und einige Frösche können für immer Kaulquappen bleiben.

Bisher wurden endokrine Disruptoren für regulatorische Zwecke nach dem sogenannten EATS-Modell kategorisiert. Dies zeigt an, ob sie östrogene, androgene, schilddrüsenartige (auf die in der Schilddrüse produzierten Hormone) oder andere steroidale Wirkungen haben.

Das Modell deckt daher den Teil des Hormonsystems ab, der mit der Fortpflanzung über Sexualsteroide, der Steroidogenese und dem Stoffwechsel sowie der Entwicklung verbunden ist (z. B. die Metamorphose von Kaulquappen in Frösche, die von der Schilddrüse gesteuert wird). Hierfür gibt es validierte Testmethoden, sogenannte OECD-Testrichtlinien.

Allerdings weist das Forscherteam in der aktuellen Literaturrecherche darauf hin, dass nicht alle Hormonsysteme in das EATS-Modell einbezogen werden und dass es andere hormonell aktive Faktoren gibt, die nicht reguliert werden. „Es ist wichtig, diese bisher unerkannten Signalwege und endokrinen Disruptoren bei der Risikobewertung zu berücksichtigen“, sagte IGB-Forscher Prof. Werner Kloas, Erstautor der Studie.

Stoffe in der Minipille, die nicht vom EATS-Modell abgedeckt sind

Ein Hormonsystem, das nicht vom EATS-Modell abgedeckt wird, sind die Gestagene, auch bekannt als Luteal- oder Schwangerschaftshormone, da sie dabei helfen, eine Schwangerschaft einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Ein bekannter endokriner Disruptor dieses Hormonsystems ist Levonorgestrel, ein häufiges Verhütungsmittel in der „Minipille“.

Bei Fischen wurden bei sehr geringen Konzentrationen besonders drastische Auswirkungen auf die Fortpflanzung beobachtet. Bei Fröschen war nicht so sehr die sexuelle Entwicklung betroffen, sondern das Schilddrüsensystem und die Paarungsrufe. Weitere Beispiele für Hormonsysteme, die bisher im EATS-Modell nicht berücksichtigt wurden, sind die Insulinrezeptor-Signalübertragung, Hormone des Magen-Darm-Trakts und kardiovaskuläre Hormone, also Hormone, die die Blutzirkulation steuern.

Phytochemikalien aus Sojabohnen als potenzielle endokrine Disruptoren bei Rindern und Fischen

Neben künstlichen Chemikalien können auch natürliche Substanzen hormonell aktiv sein. Phytoöstrogene beispielsweise wirken wie das weibliche Sexualhormon. Hohe Konzentrationen erreichen sie erst, wenn sie angereichert sind, etwa in Kosmetika oder Nahrungsergänzungsmitteln. Für künstlich mit Phytoöstrogenen angereicherte Kosmetika müssen daher Grenzwerte eingehalten werden. Auch die Verwendung von Futtermitteln auf Sojabohnenbasis könnte ein Risiko für die Fortpflanzung von Wiederkäuern oder Fischen in der Aquakultur darstellen.

Steigende Temperaturen können sich auch auf das endokrine System auswirken

Bei Fischen ist eine temperaturabhängige Geschlechtsdifferenzierung selten und auf wenige Arten beschränkt. Bei Amphibien ist die Geschlechtsdifferenzierung nicht temperaturabhängig, primäre genetische Geschlechtssignale können jedoch temperaturabhängig ausgeschaltet werden. Dies geschieht gelegentlich auf natürliche Weise und kann gelegentlich zu einer Geschlechtsumkehr führen.

„Steigende Temperaturen im Zuge des Klimawandels und anderer endokriner Disruptoren sollten weiter im Zusammenhang mit Hormonreaktionen betrachtet und wissenschaftlich untersucht werden, insbesondere da das Wissen über die genetische Geschlechtsbestimmung und die Folgen endokriner Störungen bei wildlebenden Amphibienarten sehr dürftig ist“, sagte er IGB-Forscher Dr. Matthias Stöck, weiterer Autor der Studie.

Der Fischbandwurm blockiert die Entwicklung der Fortpflanzungsorgane bei Wirtsfischen

Parasiten haben Strategien entwickelt, um das Verhalten oder den Stoffwechsel ihrer Wirte zu ihrem Vorteil zu verändern. Unter den Fischparasiten ist bekannt, dass der Bandwurm Ligula intestinalis das endokrine System seiner Wirtsfische beeinflusst und die Fortpflanzungsfunktionen beeinträchtigt. L. intestinalis kann sogar die Entwicklung der Fortpflanzungsorgane seiner Wirtsfische, des Döbels und der Plötze, vollständig blockieren, indem es die Expression von Gonadotropin-Genen und damit die Menge an Sexualhormonen sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Wirtsfischen reduziert.

Lichtverschmutzung beeinflusst das Schlafhormon Melatonin

Die Tatsache, dass Lichtregime die Fortpflanzungshormone beeinflussen, insbesondere bei saisonal laichenden Fischen, wird in der Aquakultur genutzt, um die Fortpflanzung gezielt zu unterdrücken oder zu unterdrücken. Daher liegt es nahe, dass Lichtverschmutzung das Potenzial hat, als endokriner Disruptor zu wirken.

„Lichtverschmutzung ist keine ‚äußere Substanz‘, der wir ausgesetzt sind, sondern eine physikalische Kraft, die durch elektromagnetische Strahlung verursacht wird. Die WHO-Definition von endokrinen Disruptoren umfasst daher Lichtverschmutzung nicht als Umweltfaktor, obwohl es dafür bereits Beweise gibt.“ „Lichtverschmutzung birgt die Gefahr, das endokrine System von Fischen und Amphibien zu stören“, sagte Kloas.

Das Team untersuchte die Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf Hormone des Stress-, Schilddrüsen- und Fortpflanzungssystems sowie auf die Produktion des Schlafhormons Melatonin bei Fischen wie Plötze und Barsch. Unter Laborbedingungen war die Melatoninsekretion bereits bei der niedrigsten nächtlichen Lichtexposition von 0,01 Lux deutlich beeinträchtigt (zum Vergleich: Die Beleuchtung bei Vollmond beträgt etwa 0,2 Lux), während selbst höhere Expositionen keine Stressreaktion über Cortisol auslösten.

„Natürliche endokrine Disruptoren mögen eine Rolle spielen, aber sie prägen Organismen seit langem durch Koevolution, ohne zu einem Verlust der Artenvielfalt zu führen. Zukünftige Forschungs- und Regulierungsbemühungen sollten sich daher auf die Minimierung anthropogener endokriner Disruptoren konzentrieren“, sagte co -Autorin Dr. Andrea Ziková-Kloas, Gastwissenschaftlerin am IGB und Leiterin des Labors für Ökotoxikologie am Umweltbundesamt (UBA). „Das können durchaus auch nicht-chemische Einflüsse sein.“

Herausforderung bei der Risikobewertung: Verschiedene endokrine Systeme interagieren miteinander

Eine der Herausforderungen bei der Risikobewertung endokriner Disruptoren besteht darin, dass sie indirekt Schäden durch Störungen des endokrinen Systems und nicht durch direkte toxische Wirkungen verursachen.

Dies bedeutet, dass kein unmittelbarer Schaden entsteht. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass ein einzelner endokriner Disruptor möglicherweise mehrere endokrine Systeme gleichzeitig stören kann. Beispielsweise sind Fortpflanzungshormonsysteme eng mit Schilddrüsenhormonen verknüpft, die für Wachstum und Entwicklung wichtig sind. Sie interagieren auch eng mit dem Immun- und Nervensystem.

Alternativen zu Tiermodellen werden immer besser

„Um diese Wechselwirkungen beurteilen zu können, bedarf es spezifischer Testansätze“, sagte Ziková-Kloas. Tierversuche werden immer noch häufig eingesetzt, da die Komplexität der Prozesse nur im gesamten Organismus verstanden werden kann.

Allerdings bieten die erstaunlichen Fortschritte bei der Etablierung von Organoidkulturen, die ein endokrines Organ wie die Schilddrüse rekonstruieren, oder sogar Multi-Organoide-on-a-Chip aus Säugetierstammzellen, zunehmend faszinierende Möglichkeiten, verschiedene endokrine Organsysteme in einem einzigen in vitro zu kombinieren System.

„Die Entwicklung solcher Organoide-on-a-Chip könnte unser grundlegendes Verständnis darüber verbessern, wie verschiedene endokrine Systeme miteinander interagieren“, sagte der Wissenschaftler. „Klassische endokrine Systeme werden jedoch durch Rückkopplungsmechanismen reguliert, einschließlich der Gehirnebene, was die größte Herausforderung bei solchen Versuchen zur Rekonstruktion eines klassischen endokrinen Systems darstellt.“