Тетродотоксин ( TTX ) — мощный нейротоксин . Его название происходит от Tetraodontiformes , отряда , в который входят рыбы-собаки , рыбы-ежики , рыбы-солнце и рыбы-спинороги ; некоторые из этих видов несут этот токсин. Хотя тетродотоксин был обнаружен у этих рыб, он обнаружен и у некоторых других животных (например, у сине-кольчатых осьминогов , тритонов с грубой кожей и лунных улиток ). Он также вырабатывается некоторыми инфекционными или симбиотическими бактериями , такими как Pseudoalteromonas , Pseudomonas и Vibrio , а также другими видами, находящимися в симбиотических отношениях с животными и растениями. [1] [2]
Хотя он ежегодно вызывает тысячи случаев отравления и несколько смертей [3] , он продемонстрировал эффективность в лечении боли, связанной с раком, в клинических испытаниях II и III фазы. [4]
Тетродотоксин — блокатор натриевых каналов . Он подавляет активацию потенциалов действия в нейронах, связываясь с потенциалзависимыми натриевыми каналами в мембранах нервных клеток и блокируя прохождение ионов натрия (ответственных за восходящую фазу потенциала действия) в нейрон. Это не позволяет нервной системе передавать сообщения и, таким образом, мышцам сокращаться в ответ на нервную стимуляцию. [5]
Механизм его действия – селективная блокировка натриевых каналов – был окончательно продемонстрирован в 1964 году Тошио Нарахаши и Джоном У. Муром в Университете Дьюка с использованием метода фиксации потенциала в зазоре сахарозы . [6]
Помимо бактериальных видов, которые, скорее всего, изначально являются биосинтетическими (см. ниже), тетродотоксин был выделен из самых разных видов животных, включая: [1]
В 1964 году Мошер и др. [12] [13] показали, что тарихатоксин идентичен ТТХ, а в 1978 году в журнале Science было сообщено об идентичности макулотоксина и ТТХ , [14] а синонимичность этих двух токсинов подтверждается в современных отчетах (например, в Pubchem [15] и в современных учебниках по токсикологии [16] ), хотя исторические монографии, подвергающие это сомнению, продолжают переиздаваться. [17]
Токсин по-разному используется животными в качестве защитного биотоксина для отражения хищников или как защитный и хищный яд (например, у осьминогов, щетинкочелюстных и ленточных червей ). [18] Несмотря на то, что токсин действует как защитный механизм, некоторые хищники, такие как обыкновенная подвязочная змея , выработали нечувствительность к ТТХ, что позволяет им охотиться на ядовитых тритонов . [19]
Связь TTX с потребляемыми, инфицирующими или симбиотическими бактериальными популяциями в пределах вида животных, из которых он выделен, относительно ясна; [1] присутствие бактерий, продуцирующих TTX, в микробиоме животного определяется методами культивирования, наличие токсина — химическим анализом, а связь бактерий с продукцией TTX — анализом токсичности сред, в которых выращиваются предполагаемые бактерии. [2] Как отмечают Лаго и др., «есть веские доказательства того, что поглощение бактерий, продуцирующих TTX, является важным элементом токсичности TTX у морских животных, которые представляют этот токсин». [2] Бактерии, продуцирующие TTX, включают виды Actinomyces , Aeromonas , Alteromonas , Bacillus , Pseudomonas и Vibrio ; [2] у следующих животных были обнаружены определенные виды бактерий: [a]
Связь видов бактерий с продукцией токсина не вызывает сомнений – Лаго и его коллеги утверждают, что «[эндоцеллюлярные] симбиотические бактерии были предложены в качестве возможного источника эукариотического ТТХ посредством экзогенного пути» [2] , а Чау и его коллеги отмечают, что «широко распространенное распространение ТТХ в филогенетически различных организмах... убедительно свидетельствует о том, что симбиотические бактерии играют роль в биосинтезе ТТХ» [1] – хотя эта корреляция была распространена на большинство, но не на всех животных, у которых был идентифицирован токсин. [1] [2] [5] Напротив, в одном случае, с тритонами ( Taricha granulosa ), не удалось обнаружить бактерии, продуцирующие ТТХ, в тканях с самыми высокими уровнями токсина ( кожа , яичники , мышцы ) с использованием методов ПЦР [24], хотя были высказаны технические опасения по поводу этого подхода. [1] Критически важным для общего аргумента является то, что иглобрюхи Takifugu rubripes, пойманные и выращенные в лабораторных условиях на контролируемых диетах без ТТХ, «теряют токсичность со временем», в то время как культивируемые иглобрюхи Takifugu niphobles, не содержащие ТТХ и питающиеся диетами, содержащими ТТХ, показали, что ТТХ в печени рыб увеличивается до токсичных уровней. [1] Следовательно, поскольку виды бактерий, которые производят ТТХ, широко представлены в водных отложениях, есть веские основания для приема внутрь ТТХ и/или бактерий, продуцирующих ТТХ, 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 через бактерии; остается вопрос, можно ли в достаточной степени объяснить эти количества приемом внутрь, приемом внутрь плюс колонизацией или каким-то другим механизмом. [1] [2] [5]
Тетродотоксин связывается с тем, что известно как сайт 1 быстрого потенциалзависимого натриевого канала . [26] Сайт 1 расположен в отверстии внеклеточной поры ионного канала. Любая молекула, связанная с этим сайтом, будет блокировать ионы натрия от проникновения в нервную клетку через этот канал (что в конечном итоге необходимо для нервной проводимости). Сакситоксин , неосакситоксин и несколько конотоксинов также связываются с тем же сайтом. [27]
Использование этого токсина в качестве биохимического зонда выявило два различных типа потенциалзависимых натриевых каналов (VGSC), присутствующих у млекопитающих: тетродотоксин-чувствительные потенциалзависимые натриевые каналы (TTX-s Na + каналы) и тетродотоксин-резистентные потенциалзависимые натриевые каналы (TTX-r Na + каналы). Тетродотоксин ингибирует TTX-s Na + каналы в концентрациях около 1–10 нМ, [28] тогда как для ингибирования TTX-r Na + каналов требуются микромолярные концентрации тетродотоксина . [29] Нервные клетки, содержащие TTX-r Na + каналы, расположены в основном в сердечной ткани, в то время как нервные клетки, содержащие TTX-s Na + каналы, доминируют в остальной части тела.
TTX и его аналоги исторически были важными агентами для использования в качестве химических инструментальных соединений, для использования в характеристике каналов и в фундаментальных исследованиях функций каналов. [30] [31] Распространенность Na + -каналов TTX в центральной нервной системе делает тетродотоксин ценным агентом для подавления нейронной активности в клеточной культуре .
Биосинтетический путь к TTX изучен лишь частично. Давно известно, что молекула связана с сакситоксином , и по состоянию на 2011 год считается, что существуют отдельные пути для водного (бактериального) и наземного (тритона) TTX. [32] В 2020 году новые промежуточные продукты, обнаруженные у тритонов, предполагают, что синтез начинается с геранилгуанидина у амфибий; эти промежуточные продукты не были обнаружены у водных животных, содержащих TTX, что подтверждает теорию раздельного пути. [33] В 2021 году был получен первый геном бактерии, продуцирующей TTX. Эта « Bacillus sp. 1839» была идентифицирована как Cytobacillus gottheilii с использованием ее последовательности рРНК. Исследователь, ответственный за это исследование, еще не определил последовательный путь, но надеется сделать это в будущем. [34]
Животные, которые накапливают TTX в качестве защитного механизма, а также их хищники должны эволюционировать, чтобы стать устойчивыми к воздействию TTX. Мутации в генах VGSC, особенно генах Na v 1.4 (скелетно-мышечный VGSC, «TTX-s» [35] ), обнаружены у многих таких животных. [36] Эти мутации возникали независимо несколько раз, даже многократно в разных популяциях одного и того же вида, как это было отмечено у подвязочной змеи. Они состоят из различных аминокислотных замен в схожих позициях, что является слабым примером конвергентной эволюции, вызванной тем, как TTX связывается с немутировавшим VGSC. [36]
Другой путь к устойчивости к TTX — это токсин-связывающие белки, которые достаточно крепко удерживают TTX, чтобы не допустить его попадания в уязвимые VGSC. Различные белки, связывающие TTX, были обнаружены у рыбы-собаки, крабов и брюхоногих моллюсков. Существуют также белки, связывающие сакситоксин (STX), токсин с похожим 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] Йошито Киши и его коллеги сообщили о первом полном синтезе рацемического тетродотоксина в 1972 году. [39] [40] М. Изобэ и его коллеги [41] [42] [43] и Дж. Дюбуа сообщили об асимметричном полном синтезе тетродотоксина в 2003 году. [44] Два синтеза 2003 года использовали совершенно разные стратегии: путь Изобэ был основан на подходе Дильса-Альдера , а работа Дюбуа использовала активацию связи C–H . С тех пор методы быстро совершенствовались, и было разработано несколько новых стратегий синтеза тетродотоксина. [45] [46]
TTX чрезвычайно токсичен. В паспорте безопасности материала для TTX указана пероральная средняя летальная доза ( LD 50 ) для мышей, равная 334 мкг на кг. [47] Для сравнения, пероральная LD 50 цианида калия для мышей составляет 8500 мкг на кг, [48] демонстрируя, что даже перорально TTX более ядовит, чем цианид . TTX еще более опасен, если вводится внутривенно; количество, необходимое для достижения летальной дозы путем инъекции, составляет 8 мкг на кг для мышей. [49]
Токсин может попасть в организм жертвы через рот , инъекцию, вдыхание или через поврежденную кожу. [50]
Отравление , возникающее в результате потребления рыбы отряда Tetraodontiformes, является чрезвычайно серьезным. Органы (например, печень) рыбы-собаки могут содержать уровни тетродотоксина, достаточные для того, чтобы вызвать описанный паралич диафрагмы и соответствующую смерть из-за дыхательной недостаточности . [51] Токсичность варьируется между видами, в зависимости от сезона и географического положения, а мясо многих рыб-собаки может быть не 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, останавливая дыхание. [53]
Терапевтическое использование яиц рыбы-собаки ( тетраодона ) упоминается в первой китайской фармакопее Pen-T'so Ching (Книга трав, предположительно 2838–2698 гг. до н. э. Шэньнуна ; но более поздняя дата более вероятна ), где они были классифицированы как имеющие «среднюю» токсичность, но могут оказывать тонизирующее действие при использовании в правильной дозе. Основное применение было «для остановки судорожных заболеваний». [30] В Pen-T'so Kang Mu (Указатель трав или Великий травник Ли Ши-Чена, 1596) некоторые виды рыб Хо-Тун (современное китайское название тетраодона ) также были признаны как токсичные, но при правильной дозе полезные как часть тонизирующего средства. Повышенная токсичность Хо-Туна была отмечена у рыбы, пойманной в море (а не в реке) после марта. Было признано, что наиболее ядовитыми частями являются печень и яйца, но токсичность можно снизить, замочив яйца. [30] (Тетродотоксин малорастворим в воде и растворим в 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 были известны токсические эффекты рыбы, вплоть до того, что ее использовали для самоубийства, и что император специально постановил, что солдатам не разрешалось есть ее. [55] Существуют 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 у западных людей были зафиксированы в судовых журналах капитана Джеймса Кука от 7 сентября 1774 года. [51] В тот день Кук записал, что его команда съела немного местной тропической рыбы (рыбы-собаки), а затем скормила остатки свиньям, содержавшимся на борту. Экипаж испытал онемение и одышку, а свиньи были найдены мертвыми на следующее утро. Оглядываясь назад, становится ясно, что команда пережила слабую дозу тетродотоксина, в то время как свиньи съели части тела рыбы-собаки, содержащие большую часть токсина, таким образом, получив смертельное отравление.
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 оценивало биологическое оружие на людях в 1930-х годах. [57]
Диагноз отравления рыбой фугу ставится на основании наблюдаемых симптомов и недавнего анамнеза питания. [58]
Симптомы обычно развиваются в течение 30 минут после приема внутрь, но могут быть отсрочены до четырех часов; однако, если доза смертельная, симптомы обычно проявляются в течение 17 минут после приема. [51] За покалыванием губ и языка следует его развитие в конечностях, гиперсаливация , потливость , головная боль, слабость, летаргия, нарушение координации , тремор , паралич, синюшная кожа , потеря голоса , затрудненное глотание и судороги . Желудочно-кишечные симптомы часто бывают серьезными и включают тошноту , рвоту , диарею и боли в животе ; смерть обычно наступает из-за дыхательной недостаточности . [53] [58] Увеличивается респираторный дистресс , нарушается речь, и 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 парализованная, может быть в сознании и в некоторых случаях полностью понятна до самой смерти, которая обычно наступает в течение 4-6 часов (диапазон ~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 поддерживающая и основана на симптомах, с агрессивным ранним контролем дыхательных путей. [51] В случае употребления 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 не прекратится действие яда. [51] Альфа-адренергические агонисты рекомендуются в дополнение к внутривенным жидкостям для повышения артериального давления; антихолинэстеразные агенты «были предложены в качестве варианта лечения, но не были должным образом протестированы». [59]
Антидот не был разработан и одобрен для использования человеком, но первичный отчет об исследовании (предварительный результат) показывает, что USAMRIID разрабатывает моноклональное антитело, специфичное к тетродотоксину , которое было эффективно в одном исследовании для снижения летальности токсина в тестах на мышах. [60]
Отравления тетродотоксином были почти исключительно связаны с потреблением рыбы-собаки из вод Индо-Тихоокеанского региона, в первую очередь потому, что столь же токсичные рыбы-собаки из других регионов употребляются в пищу гораздо реже. Несколько зарегистрированных случаев отравлений, включая смертельные случаи, тем не менее, были связаны с рыбой-собакой из Атлантического океана, Мексиканского залива и Калифорнийского залива . Не было подтвержденных случаев тетродотоксичности от атлантической рыбы-собаки, Spheroides maculatus , но три исследования обнаружили, что экстракты из рыбы 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-трубач Charonia sauliae была замешана в пищевых отравлениях, и данные свидетельствуют о том, что она содержит производное тетродотоксина. Было зарегистрировано несколько случаев отравления неправильно маркированной рыбой-собакой, и по крайней мере один случай со смертельным исходом в Орегоне, когда человек на спор проглотил тритона Taricha granulosa с грубой кожей. [61]
В 2009 году в регионе Окленд в Новой Зеландии началась серьезная паника после того, как несколько собак погибли, съев Pleurobranchaea maculata (серого морского слизняка) на пляжах. [62] Детей и владельцев домашних животных попросили избегать пляжей, а любительская рыбалка также была прервана на некоторое время. После исчерпывающего анализа было обнаружено, что морские слизни, должно быть, проглотили тетродотоксин. [63]
Статистика Токийского бюро социального обеспечения и общественного здравоохранения показывает, что в период с 1996 по 2006 год по всей стране ежегодно регистрировалось 20–44 случая отравления фугу , что приводило к 34–64 госпитализациям и 0–6 смертельным случаям в год, при этом средний уровень смертности составил 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 инцидентов с участием 183 человек, но погибло всего семь человек. [65]
Только несколько случаев были зарегистрированы в Соединенных Штатах, а вспышки в странах за пределами Индо-Тихоокеанского региона редки. На Гаити считалось, что 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] Поэтому обсуждение этого вопроса практически исчезло из первичной литературы с начала 1990-х годов. Као и Ясумото пришли к выводу в первой из своих статей в 1986 году, что «широко распространенное в светской прессе утверждение о том, что тетродотоксин является причинным агентом в первоначальном процессе зомбирования, не имеет под собой фактических оснований». [66] : 748
Генетический фон не является фактором восприимчивости к отравлению тетродотоксином. Этого токсикоза можно избежать, не употребляя в пищу виды животных, которые, как известно, содержат тетродотоксин, в основном, рыбу-собаку; другие тетродотоксичные виды обычно не употребляются в пищу людьми.
Отравление тетродотоксином вызывает особую озабоченность общественного здравоохранения в Японии, где фугу является традиционным деликатесом. Его готовят и продают в специальных ресторанах, где обученные и лицензированные повара аккуратно удаляют внутренности , чтобы снизить опасность отравления. [69] Существует вероятность неправильной идентификации и маркировки, особенно приготовленных, замороженных рыбных продуктов.
Биопроба на мышах, разработанная для паралитического отравления моллюсками (PSP), может использоваться для мониторинга тетродотоксина у рыбы-собаки и является текущим методом выбора. Метод ВЭЖХ с постколоночной реакцией со щелочью и флуоресценцией был разработан для определения тетродотоксина и связанных с ним токсинов. Продукты щелочной деградации могут быть подтверждены как их триметилсилильные производные с помощью газовой хроматографии/масс-спектрометрии. [ необходима цитата ]
Тетродотоксин может быть количественно определен 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 от боли, связанной с раком. Ранние клинические испытания демонстрируют значительное облегчение боли у некоторых пациентов. [71] [72]
Он также изучался в связи с мигренью . Мутации в одном конкретном TTX-чувствительном Na + канале связаны с некоторыми мигренями , [73] хотя неясно, имеет ли это какое-либо терапевтическое значение для большинства людей с мигренью. [74]
Тетродотоксин использовался в клинической практике для облегчения негативных последствий, связанных с отменой героина . [75]
В США тетродотоксин фигурирует в списке избранных агентов Департамента здравоохранения и социальных служб , [76] и ученые должны зарегистрироваться в HHS, чтобы использовать тетродотоксин в своих исследованиях. Однако исследователи, имеющие менее 500 мг, освобождаются от регулирования. [77]
Тетродотоксин служит сюжетным приемом для персонажей, чтобы подделать смерть, как в фильмах Hello Again (1987), The Serpent and the Rainbow (1988), The A-Team (2010) и Captain America: The Winter Soldier (2014), War (2019), а также в эпизодах « Jane the Virgin », Miami Vice (1985), [78] Nikita , MacGyver Season 7, Episode 6, где противоядием является лист Datura stramonium , CSI: NY (Season 4, episode 9 «Boo») и Chuck . В Law Abiding Citizen (2009) и Alex Cross (2012) его паралич представлен как метод оказания помощи в пытках. Токсин также упоминался в «синтетической форме» в S1E2 сериала « FBI ». Токсин используется как оружие во втором сезоне «Арчера» , в «Тайных делах» и в эпизоде Inside No. 9 « Загадка Сфинкса ». [79] [80] В «Коломбо», эпизоде 2 сезона 7, фугу используется для убийства жертвы антагониста. Коломбо (сезон 7) В ранобэ «Дневники аптекаря» , а также в соответствующих манга- [81] [82] и аниме- [83] [84] адаптациях токсин фугу встречается в нескольких таинственных арках.
Основываясь на предположении, что тетродотоксин не всегда смертелен, но в дозах, близких к смертельным, может сделать человека крайне нездоровым, при этом человек остается в сознании, [58] тетродотоксин, как утверждается, приводит к зомбизму и был предложен в качестве ингредиента в гаитянских препаратах вуду . [85] Эта идея впервые появилась в 1938 году в научно-популярной книге Tell My Horse Зоры Нил Херстон, в которой было несколько рассказов о предполагаемом отравлении тетродотоксином на Гаити колдуном вуду, называемым Бокор . [86] Эти истории позже были популяризированы этноботаником , получившим образование в Гарварде, Уэйдом Дэвисом [85] в его книге 1985 года и фильме Уэса Крейвена 1988 года, оба под названием «Змея и радуга» . Джеймс Эллрой включает «токсин рыбы-иглы» в качестве ингредиента в гаитянские препараты Вуду для создания зомбирования и отравления смертей в своем темном, тревожном, жестоком романе Blood's a Rover . Но эта теория была подвергнута сомнению научным сообществом с 1990-х годов на основе аналитических химических испытаний многочисленных препаратов и обзора более ранних отчетов (см. выше). [66] [67] [68]
Макулотоксин, мощный нейротоксин, выделенный из задних слюнных желез синекольчатого осьминога. Hapalochlaena maculosa, теперь идентифицирован как тетродотоксин. Это первый зарегистрированный случай, когда тетродотоксин был обнаружен в яде.
{{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Тетродотоксин блокирует натриевые токи и, как полагают, обладает потенциалом как сильнодействующий анальгетик и как эффективное средство для детоксикации при героиновой зависимости без симптомов отмены и без вызывания физической зависимости.