Тетродотоксин ( ТТХ ) – мощный нейротоксин . Его название происходит от Tetraodontiformes , отряда , включающего иглобрюхов , рыб-дикобразов , океаническую солнечную рыбу и спинорогов ; некоторые из этих видов несут токсин. Хотя тетродотоксин был обнаружен у этих рыб, он обнаружен и у ряда других животных (например, у синекольчатых осьминогов , грубокожих тритонов и лунных улиток ). Его также производят некоторые инфекционные или симбиотические бактерии , такие как Pseudoalteromonas , Pseudomonas и Vibrio , а также другие виды, находящиеся в симбиотических отношениях с животными и растениями. [1] [2]
Хотя он ежегодно приводит к тысячам отравлений и нескольким смертельным случаям, [3] он показал эффективность для лечения боли, связанной с раком, в клинических исследованиях фазы II и III. [4]
Тетродотоксин – блокатор натриевых каналов . Он ингибирует возникновение потенциалов действия в нейронах, связываясь с потенциалзависимыми натриевыми каналами в мембранах нервных клеток и блокируя прохождение ионов натрия (ответственных за фазу нарастания потенциала действия) в нейрон. Это предотвращает передачу сигналов нервной системой и, следовательно, сокращение мышц в ответ на нервную стимуляцию. [5]
Механизм его действия Тосио Нарахаши и Джоном В. Муром в Университете Дьюка с использованием техники фиксации напряжения на сахарозном зазоре . [6]
селективная блокировка натриевого канала был окончательно показан в 1964 годуПомимо бактериальных видов, скорее всего, окончательного биосинтетического происхождения (см. ниже), тетродотоксин был выделен из самых разных видов животных, в том числе: [1]
В 1964 году Мошер и др. [12] [13] показали, что тарихатоксин идентичен ТТХ, а об идентичности макулотоксина и ТТХ сообщалось в журнале Science в 1978 году [14] , и синонимичность этих двух токсинов поддерживается в современных исследованиях. сообщается (например, в Pubchem [15] и в современных учебниках по токсикологии [16] ), хотя исторические монографии, ставящие под сомнение это, продолжают переиздаваться. [17]
Токсин по-разному используется животными в качестве защитного биотоксина для отражения хищников или как одновременно защитный и хищный яд (например, у осьминогов, хетогнатов и ленточных червей ). [18] Несмотря на то, что токсин действует как защитный механизм, некоторые хищники, такие как обыкновенная подвязочная змея, развили нечувствительность к ТТХ, что позволяет им охотиться на токсичных тритонов . [19]
Связь ТТХ с потребляемыми, инфицирующими или симбиотическими популяциями бактерий внутри видов животных, от которых он выделен, относительно ясна; [1] присутствие бактерий, продуцирующих ТТХ, в микробиоме животного определяется методами культивирования, наличие токсина - с помощью химического анализа, а связь бактерий с продуцированием ТТХ - с помощью анализа токсичности среды, в которой выращиваются подозреваемые бактерии. [2] Как утверждают Лаго и др. обратите внимание: «есть убедительные доказательства того, что поглощение бактерий, продуцирующих ТТХ, является важным элементом токсичности ТТХ у морских животных, которые представляют этот токсин». [2] Бактерии, продуцирующие ТТХ, включают виды Actinomyces , Aeromonas , Alteromonas , Bacillus , Pseudomonas и Vibrio ; [2] у следующих животных были задействованы определенные виды бактерий: [a]
Связь видов бактерий с выработкой токсина однозначна – Лаго и его коллеги заявляют: «[e]эндоклеточные симбиотические бактерии были предложены в качестве возможного источника эукариотического ТТХ посредством экзогенного пути», [2] и Чау и коллеги отмечают, что «широко распространенное распространение ТТХ у филогенетически различных организмов... убедительно свидетельствует о том, что симбиотические бактерии играют роль в биосинтезе ТТХ» [1] – хотя корреляция была распространена на большинство, но не на всех животных, у которых был обнаружен токсин. идентифицировано. [1] [2] [5] Напротив, в одном случае, у тритонов ( Taricha granulosa ), не удалось обнаружить бактерии, продуцирующие ТТХ, в тканях с самым высоким уровнем токсина ( кожа , яичники , мышцы) . ), используя методы ПЦР , [24] , хотя были высказаны технические опасения по поводу этого подхода. [1] Критически важно для общего аргумента, что иглобрюхи Takifugu Rubripes , пойманные и выращенные в лаборатории на контролируемых диетах без ТТХ, «теряют токсичность с течением времени», в то время как культивируемые нифоблы Takifugu , не содержащие ТТХ, которых кормили на диетах, содержащих ТТХ, видели ТТХ в печень рыб увеличивается до токсичного уровня. [1] Таким образом, поскольку виды бактерий, продуцирующие ТТХ, широко присутствуют в водных отложениях, есть веские основания полагать, что ТТХ и/или продуцирующие ТТХ бактерии попадают в организм с накоплением и возможной последующей колонизацией и производством. [1] Тем не менее, без четких путей биосинтеза (еще не обнаруженных у животных, но показанных для бактерий) [25] остается неясным, накапливает ли каждое животное ТТХ просто посредством бактерий; остается вопрос, можно ли в достаточной степени объяснить эти количества проглатыванием, проглатыванием плюс колонизацией или каким-либо другим механизмом. [1] [2] [5]
Тетродотоксин связывается с так называемым участком 1 быстрого потенциалзависимого натриевого канала . [26] Сайт 1 расположен у внеклеточного порового отверстия ионного канала. Любая молекула, связанная с этим участком, будет блокировать проникновение ионов натрия в нервную клетку через этот канал (что в конечном итоге необходимо для нервной проводимости). Сакситоксин , неосакситоксин и некоторые конотоксины также связываются с одним и тем же сайтом. [27]
Использование этого токсина в качестве биохимического зонда выявило два различных типа потенциал-управляемых натриевых каналов (VGSC), присутствующих у млекопитающих: чувствительные к тетродотоксину потенциал-управляемые натриевые каналы (TTX-s Na + каналы) и устойчивые к тетродотоксину потенциал-управляемые каналы. натриевые каналы (ТТХ-р Na + каналы). Тетродотоксин ингибирует Na + -каналы TTX-s в концентрациях около 1–10 нМ [28] , тогда как для ингибирования Na + -каналов TTX-r необходимы микромолярные концентрации тетродотоксина . [29] Нервные клетки, содержащие Na + -каналы TTX-r, расположены преимущественно в сердечной ткани, тогда как нервные клетки, содержащие Na + -каналы TTX-s, доминируют в остальной части тела.
ТТХ и его аналоги исторически были важными агентами для использования в качестве химических соединений, для использования в характеристике каналов и в фундаментальных исследованиях функции каналов. [30] [31] Преобладание Na + -каналов ТТХ-s в центральной нервной системе делает тетродотоксин ценным агентом для подавления активности нейронов в клеточной культуре .
Биосинтетический путь получения ТТХ изучен лишь частично. Давно известно, что эта молекула связана с сакситоксином , и по состоянию на 2011 год считается, что существуют отдельные пути передачи ТТХ для водных (бактерий) и наземных (тритонов). [32] В 2020 году новые промежуточные соединения, обнаруженные у тритонов, позволяют предположить, что синтез у амфибий начинается с геранилгуанидина; эти промежуточные соединения не были обнаружены у водных животных, содержащих ТТХ, что подтверждает теорию раздельного пути. [33] В 2021 году был получен первый геном бактерии, продуцирующей ТТХ. Эта « Bacillus sp. 1839» была идентифицирована как Cytobacillus gottheilii по последовательности ее рРНК. Исследователь, ответственный за это исследование, еще не определил последовательный путь, но надеется сделать это в будущем. [34]
Животные, которые накапливают ТТХ в качестве защитного механизма, а также их хищники, должны эволюционировать, чтобы стать устойчивыми к воздействию ТТХ. У многих таких животных обнаруживаются мутации в генах VGSC, особенно в генах Na v 1.4 (VGSC скелетных мышц, «TTX-s» [35] ). [36] Эти мутации независимо возникали несколько раз, даже несколько раз в разных популяциях одного и того же вида, как это наблюдалось у подвязочной змеи. Они состоят из различных аминокислотных замен в сходных положениях, что является слабым примером конвергентной эволюции, вызванной тем, как TTX связывается с немутантным VGSC. [36]
Другой путь к устойчивости к ТТХ — это токсинсвязывающие белки, которые достаточно крепко удерживают ТТХ, чтобы предотвратить его попадание в уязвимые VGSC. Различные белки, связывающие ТТХ, были обнаружены у иглобрюхих, крабов и брюхоногих моллюсков. Существуют также белки, связывающие сакситоксин (STX), токсин с аналогичным механизмом действия. [36]
В 1964 году группа ученых под руководством Роберта Б. Вудворда выяснила структуру тетродотоксина. [37] Структура была подтверждена рентгеновской кристаллографией в 1970 году. [38] Ёсито Киши и его коллеги сообщили о первом полном синтезе рацемического тетродотоксина в 1972 году. [39] [40] М. Исобе и его коллеги [41] [42] [43] и Ж. Дюбуа сообщили об асимметричном полном синтезе тетродотоксина в 2003 году. [44] В двух синтезах 2003 года использовались совершенно разные стратегии: путь Изобе, основанный на подходе Дильса-Альдера , и работа Дюбуа с использованием активации связи C–H. . С тех пор методы быстро развивались, было разработано несколько новых стратегий синтеза тетродотоксина. [45] [46]
ТТХ чрезвычайно токсичен. В паспорте безопасности материала для ТТХ указана средняя летальная доза при пероральном приеме ( LD 50 ) для мышей, равная 334 мкг на кг. [47] Для сравнения, пероральная ЛД 50 цианида калия для мышей составляет 8500 мкг на кг, [48] демонстрируя, что даже при пероральном приеме ТТХ более токсичен, чем цианид . ТТХ еще более опасен при внутривенном введении; количество, необходимое для достижения смертельной дозы при инъекции, составляет 8 мкг на кг мышей. [49]
Токсин может попасть в организм жертвы при проглатывании , инъекции или вдыхании , а также через потертости кожи. [50]
Отравление, возникающее вследствие употребления в пищу рыбы отряда Tetraodontiformes, является чрезвычайно серьезным. Органы (например, печень) рыбы -фугу могут содержать уровни тетродотоксина, достаточные для того, чтобы вызвать описанный паралич диафрагмы и соответствующую смерть из-за дыхательной недостаточности . [51] Токсичность варьируется в зависимости от вида, в разное время года и в разных географических регионах, и мясо многих иглобрюхов не может быть опасно токсичным. [5]
Механизм токсичности заключается в блокировке быстрых потенциалзависимых натриевых каналов, которые необходимы для нормальной передачи сигналов между телом и мозгом. [52] В результате ТТХ вызывает потерю чувствительности и паралич произвольных мышц, включая диафрагму и межреберные мышцы, остановку дыхания. [53]
Терапевтическое использование яиц рыбы фугу ( тетраодона ) упоминалось в первой китайской фармакопее Пен-Цо Цзин («Книга трав», предположительно 2838–2698 гг. до н.э. Шэннуна ; но более вероятна более поздняя дата ), где они были классифицированы имеет «среднюю» токсичность, но может оказывать тонизирующее действие при использовании в правильной дозе. Основное применение заключалось в «остановке судорожных заболеваний». [30] В Pen-T'so Kang Mu (Index Herbacea или The Great Herbal Ли Ши-Чена, 1596 г.) некоторые виды рыб Хо-Тун (нынешнее китайское название тетраодона ) также были признаны токсичными. , в правильной дозе, полезен в качестве тонизирующего средства. Повышенная токсичность Хо-Туна была отмечена у рыбы, выловленной в море (а не в реке) после марта. Было признано, что наиболее ядовитыми частями являются печень и яйца, но эту токсичность можно снизить, замачивая яйца. [30] (Тетродотоксин слабо растворим в воде и растворим при концентрации 1 мг/мл в слабокислых растворах.) [54]
Немецкий врач Энгельберт Кемпфер в своей «Истории Японии» (переведенной и опубликованной на английском языке в 1727 году) описал, насколько хорошо известно токсическое воздействие рыбы, вплоть до того, что ее использовали для самоубийства и что император специально постановил, что солдатам не разрешается есть его. [55] Есть также свидетельства из других источников, что знания о такой токсичности были широко распространены по всей Юго-Восточной Азии и Индии. [30]
Первые зарегистрированные случаи отравления ТТХ, поразившие жителей Запада, взяты из журналов капитана Джеймса Кука от 7 сентября 1774 года. [51] В этот день Кук записал, как его команда ела местную тропическую рыбу (рыбу фугу), а затем скармливала останки свиньям, содержавшимся на острове. доска. Экипаж почувствовал онемение и одышку, а на следующее утро все свиньи были найдены мертвыми. Оглядываясь назад, становится ясно, что экипаж пережил легкую дозу тетродотоксина, в то время как свиньи съели части тела рыбы-фугу, содержащие большую часть токсина, и таким образом были смертельно отравлены.
Токсин был впервые выделен и назван в 1909 году японским ученым доктором Ёсидзуми Тахарой. [2] [56] [51] Это был один из агентов, изученных японским подразделением 731 , которое проводило испытания биологического оружия на людях в 1930-х годах. [57]
Диагноз отравления иглобрюхом основывается на наблюдаемой симптоматике и недавнем анамнезе питания. [58]
Симптомы обычно развиваются в течение 30 минут после приема внутрь, но могут задерживаться на срок до четырех часов; однако если доза смертельна, симптомы обычно проявляются в течение 17 минут после приема. [51] Покалывание губ и языка сопровождается развитием его в конечностях, гиперсаливацией , потливостью , головной болью, слабостью, вялостью, нарушением координации , тремором , параличом, синюшностью кожи , потерей голоса , затруднением глотания и судорогами . Желудочно-кишечные симптомы часто бывают тяжелыми и включают тошноту , рвоту , диарею и боль в животе ; смерть обычно наступает вследствие дыхательной недостаточности . [53] [58] Нарастает респираторный дистресс , нарушается речь, у жертвы обычно наблюдается одышка , чрезмерное расширение зрачков и аномально низкое кровяное давление . Паралич усиливается, могут возникнуть судороги , умственные нарушения и нерегулярное сердцебиение . Жертва, хотя и полностью парализована, может находиться в сознании и в некоторых случаях полностью понятна незадолго до смерти, которая обычно наступает в течение 4–6 часов (диапазон от ~20 минут до ~8 часов). Однако некоторые жертвы впадают в кому . [53] [59]
Если пациент выживает в течение 24 часов, выздоровление без каких-либо последствий обычно происходит в течение нескольких дней. [58]
Терапия является поддерживающей и основана на симптомах, с агрессивным ранним восстановлением проходимости дыхательных путей. [51] В случае употребления яда лечение может состоять из опорожнения желудка, кормления жертвы активированным углем для связывания токсина и принятия стандартных мер жизнеобеспечения, чтобы поддерживать жизнь жертвы до тех пор, пока действие яда не пройдет. [51] Альфа-адренергические агонисты рекомендуются в дополнение к внутривенным введениям жидкостей для повышения артериального давления; антихолинэстеразные средства «были предложены в качестве варианта лечения, но не прошли адекватных испытаний». [59]
Никакой антидот не был разработан и одобрен для использования человеком, но первичный исследовательский отчет (предварительный результат) показывает, что USAMRIID разрабатывает моноклональное антитело , специфичное к тетродотоксину , которое в одном исследовании оказалось эффективным для снижения смертности от токсина в тестах на мышах. . [60]
Отравления тетродотоксином почти исключительно связаны с употреблением в пищу рыбы-фугу из вод Индо-Тихоокеанского региона, прежде всего потому, что столь же токсичные рыбы-фугу из других регионов употребляются в пищу гораздо реже. Тем не менее, в нескольких зарегистрированных случаях отравлений, в том числе со смертельным исходом, были задействованы иглобрюхи из Атлантического океана, Мексиканского и Калифорнийского заливов . Не было подтвержденных случаев тетродотоксичности у атлантического иглобрюха Sphoeroides maculatus , но три исследования показали, что экстракты из рыб этого вида высокотоксичны для мышей. Несколько недавних отравлений этими рыбами во Флориде были вызваны сакситоксином , который вызывает паралитическое отравление моллюсками с очень похожими симптомами и признаками. Раковина трубы Charonia sauliae была причастна к пищевым отравлениям, и данные свидетельствуют о том, что она содержит производное тетродотоксина. Было зарегистрировано несколько случаев отравления неправильно маркированной рыбой-фугу и, по крайней мере, одно сообщение о смертельном эпизоде в Орегоне, когда человек на спор проглотил грубокожего тритона Taricha granulosa . [61]
В 2009 году серьезная паника в регионе Окленд в Новой Зеландии возникла после того, как несколько собак умерли, поедая Pleurobranchaea maculata (серый морской слизень с боковыми жабрами) на пляжах. [62] Детей и владельцев домашних животных попросили избегать пляжей, а любительская рыбалка также была на время прервана. После исчерпывающего анализа было установлено, что морские слизни, должно быть, проглотили тетродотоксин. [63]
Статистические данные Токийского бюро социального обеспечения и общественного здравоохранения указывают на 20–44 случая отравления фугу в год в период с 1996 по 2006 год по всей стране, что приводит к 34–64 госпитализациям и 0–6 смертям в год, при среднем уровне смертности 6,8%. [64] Из 23 инцидентов, зарегистрированных в Токио в период с 1993 по 2006 год, только один произошел в ресторане, а все остальные были связаны с рыбаками, поедавшими свой улов. [64] С 2006 по 2009 год в Японии произошло 119 происшествий с участием 183 человек, но только семь человек погибли. [65]
Лишь несколько случаев были зарегистрированы в Соединенных Штатах, а вспышки в странах за пределами Индо-Тихоокеанского региона редки. Считалось, что на Гаити тетродотоксин использовался в препаратах вуду , в так называемых зомби- ядах. Однако последующий тщательный анализ неоднократно ставил под сомнение ранние исследования по техническим причинам и не смог идентифицировать токсин ни в одном препарате. [66] [67] [68] Таким образом, обсуждение этого вопроса практически исчезло из основной литературы с начала 1990-х годов. Као и Ясумото в первой из своих статей в 1986 году пришли к выводу, что «широко распространенное в прессе утверждение о том, что тетродотоксин является возбудителем начального процесса зомбирования, не имеет фактического обоснования». [66] : 748
Генетический фон не является фактором восприимчивости к отравлению тетродотоксином. Этого токсикоза можно избежать, если не употреблять в пищу виды животных, о которых известно, что они содержат тетродотоксин, особенно рыбу-фугу; другие тетродотоксичные виды обычно не употребляются в пищу людьми.
Отравление тетродотоксином представляет особую проблему для общественного здравоохранения в Японии, где фугу является традиционным деликатесом. Его готовят и продают в специальных ресторанах, где обученные и лицензированные повара тщательно удаляют внутренности , чтобы снизить опасность отравления. [69] Существует вероятность неправильной идентификации и неправильной маркировки, особенно готовых и замороженных рыбных продуктов.
Биологический анализ на мышах, разработанный для паралитического отравления моллюсками (PSP), может использоваться для мониторинга тетродотоксина в рыбе фугу и в настоящее время является методом выбора. Для определения тетродотоксина и связанных с ним токсинов разработан метод ВЭЖХ с постколоночной реакцией со щелочью и флуоресценцией . Продукты щелочного разложения могут быть подтверждены как их триметилсилильные производные с помощью газовой хроматографии/масс-спектрометрии. [ нужна цитата ]
Тетродотоксин можно определить количественно в сыворотке, цельной крови или моче для подтверждения диагноза отравления у госпитализированных пациентов или для оказания помощи в судебно-медицинском расследовании случая смертельной передозировки. Большинство аналитических методов включают масс-спектрометрическое обнаружение после газового или жидкостного хроматографического разделения. [70]
Тетродотоксин исследовался как возможное средство лечения боли, связанной с раком. Ранние клинические испытания продемонстрировали значительное облегчение боли у некоторых пациентов. [71] [72]
Его также изучали в отношении мигрени . Мутации в одном конкретном ТТХ-чувствительном Na + -канале связаны с некоторыми головными болями при мигрени [73] , хотя неясно, имеет ли это какое-либо терапевтическое значение для большинства людей с мигренью. [74]
Тетродотоксин использовался в клинических целях для облегчения негативных последствий, связанных с отменой героина . [75]
В США тетродотоксин фигурирует в списке избранных агентов Министерства здравоохранения и социальных служб [76] , и ученые должны зарегистрироваться в HHS, чтобы использовать тетродотоксин в своих исследованиях. Однако исследователи, имеющие дозу менее 500 мг, освобождаются от регулирования. [77]
Тетродотоксин служит сюжетным ходом, позволяющим персонажам инсценировать смерть, как в фильмах «Снова привет» (1987), «Змей и радуга» (1988), «Команда А» (2010) и «Первый мститель: Зимний солдат» (2014), «Война ». (2019), а также в эпизодах « Девственница Джейн », «Полиция Майами» (1985), [78] Никита , МакГайвер, 7 сезон, 6 серия, где противоядием является лист дурмана страмониевого , CSI: NY (4 сезон, 9 серия). Бу») и Чак . В «Законопослушном гражданине» (2009) и Алексе Кроссе (2012) его паралич представлен как метод содействия пыткам. Токсин также упоминался в «синтетической форме» в S1E2 сериала « ФБР ». Токсин используется в качестве оружия как во втором сезоне « Арчера » , так и в «Тайных делах» и в 9-м эпизоде « Загадка Сфинкса ». [79] [80] В «Коломбо», эпизод 2 седьмого сезона, фугу используется, чтобы убить жертву антагониста. Коломбо (сезон 7) В ранобэ «Дневники аптекаря» , а также в соответствующих адаптациях манги [81] [82] и аниме [83] [84] токсин фугу встречается во многих загадочных дугах.
Основываясь на предположении, что тетродотоксин не всегда смертелен, но в почти смертельных дозах он может вызвать у человека крайне плохое самочувствие и оставаться в сознании, [58] предполагается, что тетродотоксин приводит к зомбированию и был предложен в качестве ингредиента гаитянского препарата. Препараты Вуду . [85] Эта идея впервые появилась в научно-популярной книге 1938 года «Скажи моей лошади» Зоры Нил Херстон, в которой были многочисленные сообщения о предполагаемом отравлении тетродотоксином на Гаити колдуном вуду по имени Бокор . [86] Эти истории позже были популяризированы этноботаником , получившим образование в Гарварде Уэйдом Дэвисом [85] в его книге 1985 года и фильме Уэса Крэйвена 1988 года, оба под названием «Змей и радуга» . Джеймс Эллрой включил «токсин иглобрюха» в состав препаратов гаитянского вуду , вызывающих зомбизм и смертность от отравлений, в своем мрачном, тревожном и жестоком романе « Кровь - это вездеход» . Но эта теория подвергалась сомнению научным сообществом с 1990-х годов на основании испытаний нескольких препаратов, основанных на аналитической химии, и обзора более ранних отчетов (см. Выше). [66] [67] [68]
Макулотоксин, мощный нейротоксин, выделенный из задних слюнных желез синекольчатого осьминога. Hapalochlaena maculosa теперь идентифицирована как тетродотоксин. Это первый зарегистрированный случай обнаружения тетродотоксина в яде.
{{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Тетродотоксин блокирует токи натрия и считается потенциальным мощным анальгетиком и эффективным средством детоксикации от героиновой зависимости без симптомов абстиненции и без возникновения физической зависимости.