Стрихнин ( / ˈ s t r ɪ k n iː n , - n ɪ n / , STRIK -neen, -nin , в США в основном /- n aɪ n / -nyne ) [6] [7] является высокотоксичным , бесцветным , горьким , кристаллическим алкалоидом , используемым в качестве пестицида , особенно для уничтожения мелких позвоночных , таких как птицы и грызуны . Стрихнин при вдыхании , проглатывании или всасывании через глаза или рот вызывает отравление , которое приводит к мышечным судорогам и в конечном итоге к смерти от асфиксии . [8] Хотя он больше не используется в медицине , он исторически использовался в малых дозах для усиления мышечных сокращений , например , как сердечный [9] и кишечный стимулятор [10] и препарат для повышения производительности. Наиболее распространенным источником являются семена дерева Strychnos nux-vomica .
Стрихнин — это терпеновый индольный алкалоид, принадлежащий к семейству алкалоидов Strychnos рода Corynanthe , и он является производным триптамина и секологанина . [11] [12] Биосинтез стрихнина был решен в 2022 году. [13] Фермент, стриктозидинсинтаза , катализирует конденсацию триптамина и секологанина, за которой следует реакция Пикте-Шпенглера с образованием стриктозидина . [14] Многие этапы были выведены путем выделения промежуточных продуктов из Strychnos nux-vomica . [15] Следующий этап — гидролиз ацеталя , который раскрывает кольцо путем отщепления глюкозы (O-Glu) и дает реактивный альдегид. Образующийся альдегид затем подвергается воздействию вторичного амина, в результате чего образуется гейсошизин, распространенный промежуточный продукт многих родственных соединений семейства стрихносовых . [11]
Обратная реакция Пикте-Шпенглера расщепляет связь C2–C3, а затем образует связь C3–C7 посредством миграции 1,2-алкила, окисления ферментом цитохрома P450 до спирооксиндола , нуклеофильной атаки енола при C16 и отщепления кислорода, образуя связь C2–C16, что обеспечивает дегидропреакуаммицин. [16] Гидролиз метилового эфира и декарбоксилирование приводит к образованию норфлуорокурарина. Стереоспецифическое восстановление эндоциклической двойной связи НАДФН и гидроксилирование дает альдегид Виланда-Гумлиха , который был впервые выделен Хаймбергером и Скоттом в 1973 году, хотя ранее синтезирован Виландом и Гумлихом в 1932 году. [15] [17] Чтобы удлинить придаток на два углерода, ацетил-КоА добавляется к альдегиду в альдольной реакции , чтобы получить престрихнин. Затем стрихнин образуется путем легкого присоединения амина с карбоновой кислотой или ее активированным тиоэфиром КоА , с последующим замыканием кольца посредством вытеснения активированного спирта.
Как отметили ранние исследователи, молекулярная структура стрихнина с ее специфическим набором колец , стереоцентров и азотных функциональных групп является сложной синтетической мишенью и по этой причине, а также по причине интереса к взаимосвязям структура-активность, лежащим в основе ее фармакологической активности, вызвала интерес. [18] Один из первых химиков-синтетиков, работавших со стрихнином, Роберт Бернс Вудворд , процитировал химика, определившего его структуру путем химического разложения и связанных с ним физических исследований, который сказал, что «по своим молекулярным размерам это самое сложное из известных органических веществ» (приписывается сэру Роберту Робинсону ). [19] [20]
Первый полный синтез стрихнина был описан исследовательской группой Р. Б. Вудворда в 1954 году и считается классикой в этой области. [21] [11] Отчет Вудворда, опубликованный в 1954 году, был очень кратким (3 страницы), [22] но за ним последовал 42-страничный отчет в 1963 году. [23] С тех пор молекула постоянно привлекала широкое внимание в последующие годы из-за проблем, связанных с синтетической органической стратегией и тактикой, которые представляла ее сложность; ее синтез был направлен, и ее стереоконтролируемое получение независимо друг от друга было достигнуто более чем дюжиной исследовательских групп с момента первого успеха.
Стрихнин — нейротоксин , который действует как антагонист рецепторов глицина и ацетилхолина . Он в первую очередь влияет на двигательные нервные волокна в спинном мозге, которые контролируют сокращение мышц. Импульс запускается на одном конце нервной клетки путем связывания нейротрансмиттеров с рецепторами. В присутствии ингибирующего нейротрансмиттера, такого как глицин , большее количество возбуждающих нейротрансмиттеров должно связаться с рецепторами, прежде чем будет сгенерирован потенциал действия . Глицин действует в первую очередь как агонист рецептора глицина, который является лиганд-зависимым хлоридным каналом в нейронах, расположенных в спинном мозге и в головном мозге. Этот хлоридный канал пропускает отрицательно заряженные хлоридные ионы в нейрон, вызывая гиперполяризацию , которая отодвигает мембранный потенциал дальше от порогового значения. Стрихнин является антагонистом глицина; он нековалентно связывается с тем же рецептором, предотвращая ингибирующее действие глицина на постсинаптический нейрон. Поэтому потенциалы действия запускаются при более низких уровнях возбуждающих нейротрансмиттеров. Когда тормозные сигналы предотвращены, двигательные нейроны активируются легче, и у жертвы возникают спастические сокращения мышц, что приводит к смерти от асфиксии. [8] [24] Стрихнин связывается с ацетилхолинсвязывающим белком Aplysia californica (гомологом никотиновых рецепторов ) с высоким сродством, но низкой специфичностью, и делает это в нескольких конформациях. [25]
В высоких дозах стрихнин очень токсичен для человека (минимальная летальная пероральная доза для взрослых составляет 30–120 мг) и многих других животных (пероральная LD 50 = 16 мг/кг для крыс, 2 мг/кг для мышей), [26] и отравление при вдыхании, проглатывании или всасывании через глаза или рот может быть смертельным. Семена S. nux-vomica обычно эффективны как яд, только если их измельчить или разжевать перед проглатыванием, потому что перикарпий довольно твердый и неперевариваемый; поэтому симптомы отравления могут не проявиться, если семена проглотить целиком. [27] [28]
Отравление стрихнином у животных обычно происходит при проглатывании приманок, предназначенных для борьбы с сусликами, крысами, белками, кротами, бурундуками и койотами. Стрихнин также используется в качестве родентицида , но он не является специфическим для таких нежелательных вредителей и может убивать других мелких животных. [29] [30] В Соединенных Штатах большинство приманок, содержащих стрихнин, были заменены приманками с фосфидом цинка с 1990 года. В Европейском союзе родентициды со стрихнином запрещены с 2006 года. Некоторые животные невосприимчивы к стрихнину; обычно они выработали устойчивость к ядовитым алкалоидам стрихноса в фруктах, которые они едят, например, у фруктовых летучих мышей . У жука-аптекаря есть симбиотические кишечные дрожжи, которые позволяют ему переваривать чистый стрихнин.
Токсичность стрихнина у крыс зависит от пола. Он более токсичен для самок, чем для самцов при введении подкожной инъекцией или внутрибрюшинной инъекцией . Различия обусловлены более высокой скоростью метаболизма микросомами печени самцов крыс. Собаки и кошки более восприимчивы среди домашних животных, свиньи, как полагают, столь же восприимчивы, как и собаки, а лошади способны переносить относительно большие количества стрихнина. У птиц, пострадавших от отравления стрихнином, наблюдаются опущение крыльев, слюнотечение , тремор , мышечное напряжение и судороги . Смерть наступает в результате остановки дыхания . Клинические признаки отравления стрихнином связаны с его воздействием на центральную нервную систему . Первые клинические признаки отравления включают нервозность, беспокойство, подергивание мышц и скованность шеи. По мере прогрессирования отравления мышечные подергивания становятся более выраженными, и внезапно появляются судороги во всех скелетных мышцах. Конечности вытянуты, а шея изогнута в опистотонусе . Зрачки широко расширены. По мере приближения смерти судороги следуют друг за другом с возрастающей скоростью, тяжестью и продолжительностью. Смерть наступает от асфиксии из-за длительного паралича дыхательных мышц. После приема стрихнина симптомы отравления обычно проявляются в течение 15–60 минут.
После инъекции, вдыхания или приема внутрь первыми симптомами являются генерализованные мышечные спазмы . Они появляются очень быстро после вдыхания или инъекции — в течение всего пяти минут — и проявляются несколько дольше после приема внутрь, обычно примерно через 15 минут. При очень высокой дозе дыхательная недостаточность и смерть мозга могут наступить через 15–30 минут. Если принимается более низкая доза, начинают развиваться другие симптомы, включая судороги , спазмы, скованность , [42] повышенную бдительность и возбуждение . [43] Судороги, вызванные отравлением стрихнином, могут начаться уже через 15 минут после воздействия и длиться 12–24 часа. Они часто вызываются зрелищами, звуками или прикосновениями и могут вызывать другие неблагоприятные симптомы, включая гипертермию , рабдомиолиз , миоглобинурийную почечную недостаточность , метаболический ацидоз и респираторный ацидоз . Во время приступов могут наблюдаться мидриаз (аномальное расширение зрачков), экзофтальм (выпячивание глаз) и нистагм (непроизвольные движения глаз). [30]
По мере прогрессирования отравления стрихнином могут возникнуть тахикардия (учащенное сердцебиение), гипертония (высокое кровяное давление), тахипноэ (учащенное дыхание), цианоз ( синюшность), потоотделение (потливость), водно-электролитный дисбаланс , лейкоцитоз (высокое количество белых кровяных телец ), тризм (тризм), сардоническая улыбка (спазм лицевых мышц) и опистотонус (резкий спазм мышц спины, вызывающий выгибание спины и шеи). В редких случаях у пострадавшего может возникнуть тошнота или рвота . [30]
Непосредственной причиной смерти при отравлении стрихнином может быть остановка сердца , дыхательная недостаточность , полиорганная недостаточность или повреждение мозга . [30]
Что касается воздействия стрихнина на рабочем месте, Управление по охране труда и здоровья и Национальный институт охраны труда установили предельные значения воздействия в размере 0,15 мг/м3 в течение 8-часового рабочего дня. [2]
Поскольку стрихнин вызывает некоторые из самых драматичных и болезненных симптомов среди всех известных токсических реакций, отравление стрихнином часто изображается в литературе и кино, в том числе у авторов Агаты Кристи и Артура Конан Дойла . [51]
Противоядия от отравления стрихнином не существует . [52] Отравление стрихнином требует агрессивного лечения с ранним контролем мышечных спазмов, интубацией при потере контроля над дыхательными путями, удалением токсинов ( дезактивацией ), внутривенной гидратацией и потенциально активными усилиями по охлаждению в контексте гипертермии, а также гемодиализом при почечной недостаточности (не было показано, что стрихнин удаляется гемодиализом). [53] Лечение включает пероральный прием активированного угля , который адсорбирует стрихнин в пищеварительном тракте; неабсорбированный стрихнин удаляется из желудка путем промывания желудка вместе с растворами дубильной кислоты или перманганата калия для окисления стрихнина. [54]
Активированный уголь — это вещество, которое может связываться с определенными токсинами в пищеварительном тракте и предотвращать их всасывание в кровоток. [55] Эффективность этого лечения, а также то, как долго оно действует после приема внутрь, являются предметом споров. [56] [57] [58] Согласно одному источнику, активированный уголь эффективен только в течение одного часа после приема яда, хотя источник не рассматривает стрихнин конкретно. [59] Другие источники, специфичные для стрихнина, утверждают, что активированный уголь можно использовать через один час после приема внутрь, в зависимости от дозы и типа продукта, содержащего стрихнин. [60] [57] Поэтому другие варианты лечения, как правило, предпочтительнее активированного угля. [57] [61]
Использование активированного угля считается опасным для пациентов с ослабленными дыхательными путями или измененными психическими состояниями. [62]
Большинство других вариантов лечения сосредоточены на контроле судорог, возникающих при отравлении стрихнином. Эти методы лечения включают содержание пациента в тихой и затемненной комнате, [63] противосудорожные препараты , такие как фенобарбитал или диазепам , [53] миорелаксанты, такие как дантролен , [64] барбитураты и пропофол , [65] и хлороформ или большие дозы хлорала , бромида , уретана или амилнитрита . [66] [67] [68] [69] Если отравленный человек способен выжить в течение 6-12 часов после первоначальной дозы, у него хороший прогноз. [53]
Обязательным условием отравления стрихнином является «бодрствующий» припадок, при котором происходит тонико-клоническая активность, но пациент остается бдительным и ориентированным во время и после этого. [70] Соответственно, Джордж Харли (1829–1896) в 1850 году показал, что кураре (вурали) эффективен для лечения столбняка и отравления стрихнином.
Стрихнин может быть введен в организм перорально, путем вдыхания или инъекции. Это сильное горькое вещество, и у людей, как было показано, активирует рецепторы горького вкуса TAS2R10 и TAS2R46 . [71] [72] [73] Стрихнин быстро всасывается из желудочно-кишечного тракта. [74]
Стрихнин транспортируется плазмой и эритроцитами . Благодаря небольшому связыванию с белками стрихнин быстро покидает кровоток и распределяется по тканям организма. Примерно 50% принятой дозы может попасть в ткани в течение 5 минут. Также в течение нескольких минут после приема внутрь стрихнин можно обнаружить в моче. Небольшая разница была отмечена между пероральным и внутримышечным введением стрихнина в дозе 4 мг. [75] У людей, погибших от стрихнина, самые высокие концентрации обнаруживаются в крови, печени, почках и стенке желудка. Обычная смертельная доза составляет 60–100 мг стрихнина и наступает смерть через 1–2 часа, хотя смертельные дозы различаются в зависимости от человека.
Стрихнин быстро метаболизируется микросомальной ферментной системой печени, требующей НАДФН и O 2 . Стрихнин конкурирует с ингибирующим нейротрансмиттером глицином, что приводит к возбужденному состоянию. Однако токсикокинетика после передозировки описана недостаточно. В большинстве тяжелых случаев отравления стрихнином пациент умирает до прибытия в больницу. Биологический период полураспада стрихнина составляет около 10 часов.
Через несколько минут после приема внутрь стрихнин выводится в неизмененном виде с мочой и составляет около 5–15 % сублетальной дозы, введенной в течение 6 часов. Примерно 10–20 % дозы выводится в неизмененном виде с мочой в течение первых 24 часов. Процент выведения уменьшается с увеличением дозы. Из количества, выведенного почками, около 70 % выводится в течение первых 6 часов и почти 90 % в течение первых 24 часов. Выведение практически завершается через 48–72 часа. [76]
Стрихнин был первым алкалоидом, который был идентифицирован в растениях рода Strychnos семейства Loganiaceae . Strychnos , названный Карлом Линнеем в 1753 году, является родом деревьев и вьющихся кустарников порядка Gentianales . Род содержит 196 различных видов и распространен в теплых регионах Азии (58 видов), Америки (64 вида) и Африки (75 видов). Семена и кора многих растений этого рода содержат стрихнин.
Токсические и лечебные свойства Strychnos nux-vomica были хорошо известны со времен Древней Индии, хотя само химическое соединение не было идентифицировано и охарактеризовано до 19 века. Жители этих стран имели исторические знания о видах Strychnos nux-vomica и бобах Святого Игнатия ( Strychnos ignatii ). Strychnos nux-vomica — это дерево, произрастающее в тропических лесах на Малабарском побережье в Южной Индии, Шри-Ланке и Индонезии, которое достигает высоты около 12 метров (39 футов). У дерева кривой, короткий, толстый ствол, а древесина мелкозернистая и очень прочная. Плод имеет оранжевый цвет, размером с большое яблоко с твердой кожурой и содержит пять семян, которые покрыты мягким шерстяным веществом. Спелые семена выглядят как сплющенные диски, которые очень твердые. Эти семена являются основным коммерческим источником стрихнина и были впервые импортированы и продавались в Европе как яд для уничтожения грызунов и мелких хищников . Strychnos ignatii — древесный вьющийся кустарник с Филиппин. Плод растения, известный как бобы Святого Игнатия, содержит до 25 семян, заключенных в мякоть. Семена содержат больше стрихнина, чем другие коммерческие алкалоиды. Свойства S. nux-vomica и S. ignatii в значительной степени соответствуют свойствам алкалоида стрихнина.
Стрихнин был впервые обнаружен французскими химиками Жозефом Бьенеме Каванту и Пьером-Жозефом Пеллетье в 1818 году в бобах Сент-Игнатиуса. [77] [78] В некоторых растениях Strychnos также присутствует 9,10-диметоксипроизводное стрихнина, алкалоид бруцин . Бруцин не так ядовит, как стрихнин. Исторические записи указывают на то, что препараты, содержащие стрихнин (предположительно), использовались для убийства собак, кошек и птиц в Европе еще в 1640 году. [76] Его предположительно использовал осужденный убийца Уильям Палмер, чтобы убить свою последнюю жертву, Джона Кука. [79] Его также использовала во время Второй мировой войны бригада Дирлевангера против гражданского населения. [80]
Структура стрихнина была впервые определена в 1946 году сэром Робертом Робинсоном , а в 1954 году этот алкалоид был синтезирован в лаборатории Робертом Б. Вудвордом . Это один из самых известных синтезов в истории органической химии. Оба химика получили Нобелевскую премию (Робинсон в 1947 году и Вудворд в 1965 году). [76]
Стрихнин использовался в качестве сюжетного приема в детективных романах Агаты Кристи . [81]
Стрихнин широко использовался в качестве усилителя спортивных результатов и стимулятора для отдыха в конце 19-го и начале 20-го века из-за его судорожного эффекта. Один из печально известных случаев его использования произошел во время марафона на Олимпиаде 1904 года , когда легкоатлету Томасу Хиксу его помощники невольно дали смесь из яичных белков и бренди с добавлением небольшого количества стрихнина в тщетной попытке повысить его выносливость. Хикс выиграл гонку, но к тому времени, как он достиг финишной черты, у него начались галлюцинации [82] , и вскоре после этого он потерял сознание. [83]
Максимилиан Теодор Бух предложил его как лекарство от алкоголизма примерно в то же время. Считалось, что он похож на кофе, [84] [85] и также использовался и злоупотреблялся в рекреационных целях. [86] [87]
Его действие хорошо описано в повести Герберта Уэллса « Человек-невидимка »: главный герой утверждает: «Стрихнин — это великолепное тонизирующее средство... для устранения дряблости у человека». Доктор Кемп, знакомый, отвечает: «Это дьявол. Это палеолит в бутылке». [88]
Была сделана попытка поставить клизму с мылом и водой, но сфинктер не действовал. После подкожной инъекции 1/45 грана [1,44 мг] стрихнина была сделана вторая попытка, и последовало хорошее опорожнение кишечника, после чего было введено и удержано полпинты [284 мл] физиологического раствора. [...] Мы решили придерживаться уже начатого лечения, а именно: периодические ректальные инъекции физиологического раствора и отведение мочи через катетер, ингаляция кислорода при цианозе и стрихнин подкожно при ослаблении пульса.
По своим молекулярным размерам это самое сложное из известных веществ. цитируя Вудворда Р.Б., Кава М.П., Оллиса В.Д., Хангера А., Даеникера Х.У., Шенкера К. (1963). «Полный синтез стрихнина». Тетраэдр . 19 (2): 247–288. дои : 10.1016/S0040-4020(01)98529-1.
У него начались галлюцинации, он считал, что до финиша еще 20 миль.