Accepted Manuscript Title: Effects of chronic, parental pharmaceutical exposure on zebrafish (Danio rerio) offspring Author: Michal Galus Sahaana Rangaranjan Anderson Lai Lana Shaya Sigal Balshine Joanna Y. Wilson PII: DOI: Reference:

S0166-445X(14)00026-5 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.aquatox.2014.01.016 AQTOX 3745

To appear in:

Aquatic Toxicology

Received date: Revised date: Accepted date:

11-12-2013 13-1-2014 18-1-2014

Please cite this article as: Galus, M., Rangaranjan, S., Lai, A., Shaya, L., Balshine, S., Wilson, J.Y.,Effects of chronic, parental pharmaceutical exposure on zebrafish (Danio rerio) offspring, Aquatic Toxicology (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.aquatox.2014.01.016 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

  Effects of chronic, parental pharmaceutical exposure on zebrafish (Danio rerio) offspring     Michal Galus1, Sahaana Rangaranjan1, Anderson Lai1, Lana Shaya1, Sigal Balshine2, and Joanna Y.  Wilson*1   

ip t

1  2  3  4  5  6 

1

Department of Biology, McMaster University, 1280 Main Street West, Hamilton, Canada ON  L8S 4K1    2 Psychology, Neurosciences, and Behaviour; McMaster University, 1280 Main Street West,  Hamilton, Canada ON L8S 4K1    *Address correspondence to:  Joanna Y. Wilson  Department of Biology, McMaster University  1280 Main St. West, Hamilton, ON L8S 4K1 Canada  Tel: (905) 525‐9140 extension 20075  Fax: (905) 522‐6066  EMAIL: [email protected]     Co‐author Email addresses:  Michal Galus: [email protected]  Sahaana Rangaranjan: [email protected]  Anderson Lai: [email protected]  Lana Shaya: [email protected]  Sigal Balshine: [email protected]   

28 

Keywords: carbamazepine, gemfibrozil, sperm, behaviour, breeding 

29 

Abbreviations1 

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27 

30 

                                                        1 CBZ – carbamazepine, GEM‐ gemfibrozil, CTL‐ control    

1

Page 1 of 48

30  31 

  Abstract 

32 

  

33 

reproduction  in  offspring.  Adult  zebrafish  (Danio  rerio)  were  exposed  for  6  weeks  to  10                    

34 

μg  L‐1  of  carbamazepine  (CBZ)  and  gemfibrozil  (GEM),  two  commonly  prescribed  drugs. 

35 

Embryos  were  collected,  reared  in  clean  water  until  sexual  maturity  and  then  assessed  for 

36 

reproductive output, courtship, sperm function and organ histology. While 34% of the control 

37 

pairs produced clutches, only 11% of the fish with CBZ exposed parents or 17% of the fish with 

38 

GEM exposed parents produced clutches. Reciprocal crosses indicated that exposure in males 

39 

had more profound reproductive effects. When a control F1 male was crossed with either a F1 

40 

female  whose  parents  were  CBZ  or  GEM  exposed;  no  differences  were  observed  in  embryo 

41 

production compared to controls. However, when a control F1 female was crossed with either a 

42 

CBZ  or  GEM  F1  male,  50%  less  embryos  were  produced.  Male  courtship  was  reduced  in  both 

43 

CBZ  and  GEM  F1  fish  but  the  deficits  in  courtship  displays  were  drug  specific.  Compared  to 

44 

control males, the sperm from GEM F1 males had shorter head lengths and midpieces whereas 

45 

sperm  from  CBZ  F1  males  had  longer  midpeices.  Although  it  remains  unclear  how  specifically 

46 

these morphological differences influenced sperm velocity, the sperm from GEM F1 males and 

47 

from  CBZ  F1  males  swam  faster  than  the  sperm  of  control  F1  at  20s  post  activation.  No 

48 

significant  differences  were  observed  in  the  histology  of  the  liver,  kidney  and  gonads  across 

49 

treatment  groups.  These  data  are  important  as  they  show  that  chronic,  low  dose 

50 

pharmaceutical exposure of parental fish is sufficient to cause significant reproductive effects in 

51 

offspring. 

52 

 

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

In  this  study  we  explored  how  parental  exposure  to  pharmaceuticals  influences 

 

2

Page 2 of 48

  Introduction       The  effects  of  parental  contaminant  exposure  on  offspring  are  a  sorely  understudied 

57 

area  of  toxicology.    Multi‐  or  trans‐  generational  effects  are  typically  easier  to  study  in 

58 

laboratory using species with short life spans (Dietrich et al., 2010; Lürling et al., 2006; Péry et 

59 

al.,  2008)  but  can  also  be  investigated  with  organisms  that  have  lived  for  generations  in 

60 

polluted environments (Hontela et al., 1992; Nacci et al., 2002; Nye et al., 2007).  In both cases, 

61 

exposures are typically for the whole life cycle.  Traditionally, life cycle assessments (LCA) utilize 

62 

either a cradle‐to‐grave or cradle‐to‐gate approach (EPA, 1993). In both schemes, exposure is 

63 

typically from the onset of fertilization until terminal sampling (full life cycle) or until 24 hr past 

64 

sexual  differentiation  (partial  life  cycle,  EPA,  1993).  Rarely  do  studies  extend  beyond  one 

65 

generation.    Yet,  the  effects  documented  in  LCA  may  be  caused  during  gamete  production, 

66 

embryogenesis, maternal deposition or uptake of contaminants into the egg, secondary sexual 

67 

maturation or some combination of these important biological processes.  The major challenge 

68 

is that life cycle or multi‐generational studies are difficult and time consuming to conduct and 

69 

thus the number of studies that use vertebrates are limited. In a fast reproducing species such 

70 

as  zebrafish,  these  types  of  experiments  are  clearly  possible.  Given  that  many  fish  have 

71 

migratory  behaviors  or  distinct  breeding  grounds,  quantifying  the  risks  of  parental  versus 

72 

embryonic  contaminant  exposures  may  be  quite  important  and  provide  distinct  data  from 

73 

traditional LCA approaches. 

74 

  

75 

focused  on  effects  caused  by  estrogens  (Greytak  et  al.,  2010),  estrogen  like  compounds 

76 

(Brennan et al., 2006) or polychlorinated biphenyls (PCBs) (Nacci et al., 2002). The number of 

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

53  54  55  56 

 

Studies that have looked at trans‐generational impacts in aquatic species have generally 

4

Page 3 of 48

studies  that  have  explored  the  trans‐generational  impacts  with  pharmaceuticals  is  extremely 

78 

limited.  To  date,  only  one  multi‐generational  assessment  involving  fish  (Parrott  and  Bennie, 

79 

2009)  has  been  published  and  the  majority  of  studies  that  have  been  conducted  use 

80 

invertebrates  (Dzialowski  et  al.,  2006;  Kim  et  al.,  2012;  Ortiz‐Rodríguez  et  al.,  2012).  In  fish, 

81 

maternal  deposition  of  contaminants  is  one  primary  route  of  exposure  for  the  developing 

82 

embryo  (Abrams  and  Mullins,  2009),  however  there  are  other  mechanisms  by  which  the 

83 

progeny  may  be  impacted  by  parental  exposure.    For  example,  fluctuations  in  circulating 

84 

estrogen  concentrations  within  the  mother,  during  gametogenesis,  have  been  linked  to 

85 

impaired  growth  rate  and  survival  amongst  offspring  (Migliaccio  et  al.,  1996).  Furthermore, 

86 

elevated cortisol levels, induced from behavioral stress during courtship in females, impacts the 

87 

morphology and yolk‐sac size of F1 offspring in coral fishes (McCormick, 1998) and cichlid fish 

88 

(Mileva  et  al.,  2011).    Male  mediated  effects  are  often  associated  to  impairments  with 

89 

spermatozoa and DNA damage which has been linked to the incidence of skeletal abnormalities 

90 

amongst  F1  (Devaux  et  al.,  2011).  Such  studies  provide  evidence  suggesting  that  parental 

91 

exposure  to  endocrine  disrupting  compounds  may  impair  fish  populations  over  several 

92 

generations. 

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

77 

93 

Gemfibrozil (GEM) is a fibric acid derivative which is clinically prescribed to lower plasma 

94 

triglycerides and total cholesterol (Spencer and Barradell, 1996). Although its exact mechanism 

95 

of action is unclear, GEM is a peroxisome proliferator believed to elicit its effect by binding to 

96 

the nuclear transcription factor peroxisome proliferator‐activated receptor‐alpha (PPARα) and 

97 

promoting hepatic uptake and metabolism of free fatty acids (Martin et al., 1997).  Peroxisome 

98 

proliferators have been heavily studied in mammalian systems and chronic exposure to them 

 

5

Page 4 of 48

has been linked to the onset of hepatic carcinoma (Gonzalez, 1997) and efficiency reduction in 

100 

the anti‐oxidant defense system in rodents (O'Brien et al., 2001). Little work has been done to 

101 

characterize the impact of GEM on fish, however goldfish (Carassius auratus) exposed to 1.5 μg 

102 

L‐1  of  GEM  had  decreased  plasma  testosterone  (Mimeault  et  al.,  2005)  and  adult  zebrafish 

103 

(Danio  rerio)  chronically  exposed  to  0.5  and  10  μg  L‐1  of  GEM  show  decreased  reproductive 

104 

output, atretic oocytes, and altered kidney histology (Galus et al., 2013b).  

105 

 

106 

and is frequently used in the treatment of epilepsy and bipolar disorder (Brodie et al., 1995). 

107 

CBZ is believed to have two target sites within vertebrates, triggering unique cellular responses. 

108 

Its anticonvulsive properties are believed to occur through modulation of voltage gated sodium 

109 

channels,  maintaining  the  channels  in  an  inactive  state  and  reducing  neuronal  excitability 

110 

(Brodie et al., 1995). However, its anti‐depressive properties are believed to occur by lowering 

111 

the  turnover  rate  of  arachidonic  acid  while  keeping  docosahexaeonic  acid  unaltered  in  brain 

112 

(Rao  et  al.,  2008).  Japanese  medaka  (Oryzias  latipes)  acutely  exposed  to  6150  μg  L‐1  of  CBZ 

113 

showed  reduced  feeding  behaviour  and  swimming  speed  (Nassef  et  al.,  2010).  Sperm  of  the 

114 

common carp (Cyprinus carpio L.), incubated for two hours with 2000 μg L‐1 of CBZ had reduced 

115 

velocity (Li et al., 2010).  Lastly, adult zebrafish chronically exposed to 0.5 and 10 μg L‐1 of CBZ 

116 

showed  decreased  reproductive  output,  decreased  plasma  ketotestosterone  in  males,  and 

117 

altered kidney histology (Galus et al., 2013b). 

cr

ip t

99 

Ac ce p

te

d

M

an

us

Carbamazepine  (CBZ)  is  primarily  prescribed  as  an  anticonvulsant  and  mood  stabilizer 

118 

 Of  the  small  number  of  studies  that  examined  the  effects  of  GEM  and  CBZ  in  fishes, 

119 

most involved concentrations well above what would be considered environmentally relevant 

120 

and most exposure were acute. Both GEM and CBZ have been detected in waste water effluent 

 

6

Page 5 of 48

and  surface  waters  with  average  effluent  concentrations  ranging  from  0.84  –  4.76  μg  L‐1  and 

122 

0.87 – 1.2 μg L‐1, respectively (Andreozzi et al., 2003; Kolpin et al., 2002; Metcalfe et al., 2003; 

123 

Paxéus,  2004;  Petrović  et  al.,  2003;  Zhang  et  al.,  2008).  Like  other  pharmaceuticals  in  the 

124 

aquatic environment, CBZ and GEM enter receiving waters via waste water effluent discharge.  

125 

Their  release  into  surface  waters  is  due  to  the low  removal  efficiency of  these  compounds  in 

126 

waste water treatment, which is usually between 40 – 50% for GEM and 

Effects of chronic, parental pharmaceutical exposure on zebrafish (Danio rerio) offspring.

In this study we explored how parental exposure to pharmaceuticals influences reproduction in offspring. Adult zebrafish (Danio rerio) were exposed fo...
610KB Sizes 0 Downloads 3 Views