Трихотецены — это большое семейство химически родственных микотоксинов . Они продуцируются различными видами Fusarium , Myrothecium , Trichoderma / Podostroma , Trichothecium , Cephalosporium , Verticimonosporium и Stachybotrys . С химической точки зрения трихотецены — это класс сесквитерпенов .
Определяющими структурными особенностями, которые обуславливают биологическую активность трихотеценов, являются 12,13-эпоксидное кольцо, наличие гидроксильных или ацетильных групп в соответствующих положениях на ядре трихотецена, а также структура и положение боковой цепи. Они производятся на многих различных зернах, таких как пшеница, овес или кукуруза, различными видами Fusarium, включая F. graminearum , F. sporotrichioides , F. poae и F. equiseti .
Некоторые виды плесени, которые производят трихотеценовые микотоксины, такие как Stachybotrys chartarum , могут расти во влажных помещениях. Было обнаружено, что макроциклические трихотецены, производимые S. chartarum, могут переноситься по воздуху и, таким образом, способствовать проблемам со здоровьем у людей. [1] [2] Ядовитый гриб, произрастающий в Японии и Китае , Podostroma cornu-damae , содержит шесть трихотеценов, включая сатратоксин H , роридин E и веррукарин.
Трихотецены представляют собой группу из более чем 150 химически родственных токсичных микотоксинов . [3] Каждый трихотецен имеет структуру ядра, состоящую из одного шестичленного кольца, содержащего один атом кислорода, окруженного двумя углеродными кольцами. [4] Эта структура ядра содержит эпоксидный мостик между атомами углерода 12 и 13, а также двойную связь между атомами углерода 9 и 10. [5] Эти две функциональные группы в первую очередь отвечают за способность трихотецена ингибировать синтез белка и вызывать общие цитотоксические эффекты. [6] Примечательно, что эта структура ядра является амфипатической , содержащей как полярные, так и неполярные части. [7] Все трихотецены связаны через эту общую структуру, но различаются по схеме замещения кислородсодержащих функциональных групп на углеродах 3, 4, 7, 8 и 15. [5] Эти функциональные группы управляют свойствами отдельного трихотецена, а также служат основой для наиболее часто используемой системы классификации для этого семейства токсинов. Эта система классификации разбивает семейство трихотецена на четыре группы: тип A, B, C и D.
Трихотецены типа А имеют гидроксильные или O -связанные эфирные замены вокруг структуры основного кольца. [4] Распространенными примерами таких замещений являются неосоланиол с гидроксильным замещением у углерода 8 и токсин Т-2 с эфирным замещением у углерода 8.
Трихотецены типа B классифицируются по наличию оксо -замещений вокруг структуры основного кольца. [4] Распространенными примерами таких соединений являются ниваленол и трихотецен, которые оба имеют кетонную функциональную группу у углерода 8.
Трихотецены типа C имеют дополнительный эпоксидный мостик между атомами углерода 7 и 8. [4] Типичным примером является кротоцин, который также имеет функциональную группу сложного эфира, связанную с O , у атома углерода 4.
Трихотецены типа D имеют дополнительное макроциклическое кольцо между углеродом 4 и углеродом 15. [4] Эти кольца могут иметь различные дополнительные функциональные группы. Распространенными примерами являются роридин А и сатратоксин Н.
Хотя отдельные функциональные группы этих типов классификации придают каждому трихотецену уникальные химические свойства, их тип классификации не указывает явно на их относительную токсичность. В то время как группа типа D, как полагают, содержит наиболее токсичные трихотецены, трихотецены типов A и B значительно различаются по своей токсичности. [4]
Система классификации, описанная выше, является наиболее часто используемой для группировки молекул семейства трихотеценов. Однако для этих сложных молекул также существует множество альтернативных систем классификации. Трихотецены также можно в целом описать как простые или макроциклические . [6] Простые трихотецены включают типы A, B и C, тогда как макроциклические трихотецены включают тип D и характеризуются наличием мостика углерод 4 – углерод 15. Кроме того, Дж. Ф. Гроув предложил классификацию трихотеценов на три группы, которая также была основана на моделях функционального замещения кольцевого скелета. [8] Трихотецены группы 1 имеют только функциональные группы, замещенные на третьем, полностью насыщенном углеродном кольце. [8] Трихотецены группы 2 содержат дополнительные функциональные группы на основном кольце, содержащем двойную связь углерода 9, 10. [8] Наконец, трихотецены группы 3 содержат кетонную функциональную группу на углероде 8; это тот же критерий для трихотеценов типа B. [8]
Достижения в области эволюционной генетики также привели к предложению систем классификации трихотеценов, основанных на пути их биосинтеза. Гены, ответственные за биосинтез микотоксина, обычно располагаются в кластерах; у Fusariumi они известны как гены TRI. [9] Каждый ген TRI отвечает за выработку фермента , который выполняет определенный этап биосинтеза трихотеценов. Мутации в этих генах могут приводить к образованию вариантных трихотеценов, и поэтому эти молекулы можно сгруппировать на основе общих этапов биосинтеза. Например, общий этап биосинтеза трихотеценов контролируется геном TRI4 . [10] Этот ферментный продукт контролирует добавление либо трех, либо четырех атомов кислорода к триходиену с образованием либо изотриходиола, либо изотрихотриола соответственно. [10] Затем из любого из этих промежуточных продуктов можно синтезировать множество трихотеценов, и поэтому их можно классифицировать как t-тип, если они синтезированы из изотрихотриола, или d-тип, если они синтезированы из изотриходиола. [4]
Токсичность трихотеценов в первую очередь является результатом их широко цитируемого действия в качестве ингибиторов синтеза белка; это ингибирование происходит в рибосомах на всех трех стадиях синтеза белка: инициации, элонгации и терминации. [11] Во время инициации трихотецены могут либо ингибировать ассоциацию двух рибосомных субъединиц, либо ингибировать функцию зрелой рибосомы, предотвращая ассоциацию первой тРНК со стартовым кодоном. [11] Ингибирование при элонгации, скорее всего, происходит из-за того, что трихотецены предотвращают функцию пептидилтрансферазы , фермента, который катализирует образование новых пептидных связей на 60-й рибосомной субъединице. [12] Ингибирование во время терминации также может быть результатом ингибирования пептидилтрансферазы или способности трихотеценов предотвращать гидролиз, необходимый на этом заключительном этапе. [11]
Модель замещения кольцевого ядра трихотеценов влияет на действие токсина как ингибитора инициации или как ингибитора удлинения/терминации. [11] Трихотецены также обладают способностью влиять на общую функцию клеточных ферментов, поскольку 12,13-эпоксидная группа восприимчива к нуклеофильной атаке тиоловых групп активного центра . [13] Эти ингибирующие эффекты наиболее ярко проявляются в активно пролиферирующих клетках, таких как клетки желудочно-кишечного тракта или костного мозга .
Синтез белка происходит как в цитоплазме клетки, так и в просветном пространстве митохондрий , цитоплазматических органелл, ответственных за выработку энергии клетки. Это происходит посредством ферментативного пути, который генерирует высокоокисленные молекулы, называемые активными формами кислорода , например, перекись водорода . [14] Активные формы кислорода могут реагировать и вызывать повреждение многих критических частей клетки, включая мембраны, белки и ДНК . [15] Ингибирование трихотеценом синтеза белка в митохондриях позволяет активным формам кислорода накапливаться в клетке, что неизбежно приводит к окислительному стрессу и индукции запрограммированного пути клеточной смерти, апоптоза . [15]
Индукция апоптоза в клетках с высоким уровнем активных форм кислорода обусловлена различными сигнальными путями клеток. Первый — это путь p53 , который, как показано, активируется токсином T-2 . p53 — это белок, отвечающий за контроль клеточного цикла, но увеличение активности этого белка также приводит к увеличению активации белков BAX в клетке. [16] Эти белки BAX в первую очередь отвечают за увеличение проницаемости митохондриальной мембраны и приводят к высвобождению цитохрома c и активных форм кислорода. [16] Высвобождение цитохрома c из митохондрий вызывает апоптоз, инициируя сборку каспаз или белков, отвечающих за деградацию клетки изнутри.
Кроме того, было показано, что трихотецены, такие как T-2, увеличивают сигнальный путь c-Jun N-Terminal Kinase в клетках. [17] Здесь c-Jun N-Terminal Kinase способна увеличивать фосфорилирование своей цели, c-Jun, в ее активную форму. Активированный c-jun действует как фактор транскрипции в ядре клетки для белков, важных для облегчения нисходящего апоптотического пути. [17]
Трихотеценовые микотоксины токсичны для людей, других млекопитающих, птиц, рыб, различных беспозвоночных, растений и эукариотических клеток. [18] Удельная токсичность варьируется в зависимости от конкретного токсина и вида животных, однако путь введения играет значительно более высокую роль в определении летальности. Эффекты отравления будут зависеть от концентрации воздействия, продолжительности времени и способа, которым человек подвергается воздействию. Воздействие концентрированного раствора или аэрозольного токсина с большей вероятностью вызовет серьезные последствия, включая смерть. При потреблении токсин ингибирует рибосомальный белок, синтез ДНК и РНК, [19] [18] [20] митохондриальные функции [21] [22] [23] деление клеток [24] [25] одновременно активируя клеточную реакцию на стресс, называемую риботоксической реакцией на стресс. [26] Трихотеценовые микотоксины могут всасываться через местный , пероральный и ингаляционный пути. [18]
Трихотецены отличаются от большинства других потенциальных оружейных токсинов, поскольку они могут действовать через кожу, что объясняется их амфипатическими и липофильными характеристиками. Небольшая амфипатическая природа трихотеценов позволяет им легко пересекать клеточные мембраны [7] и взаимодействовать с различными органеллами, такими как митохондрии, [27] [28] эндоплазматический ретикулум (ЭР) [29] и хлоропласты [30] . Липофильная природа трихотеценов позволяет им легко всасываться через кожу [31] , слизистую оболочку легких и кишечник. Прямое нанесение на кожу или пероральный прием трихотецена вызывает быстрое раздражение кожи или слизистой оболочки кишечника. [19] [18] Как раздражитель кожи и волдыри, он, как утверждается, в 400 раз более опьяняющий, чем сернистый иприт .
Реакция организма на микотоксин, алиментарно-токсическую алейкию, происходит через несколько дней после употребления и проходит в четыре стадии:
Инфекцию может спровоцировать даже незначительная травма, например порез, царапина или ссадина. [32]
Проявляются следующие симптомы:
Когда речь идет о пище животных и человека, трихотецены типа А (например, токсин Т-2 , токсин HT-2, диацетоксисцирпенол ) представляют особый интерес, поскольку они более токсичны, чем другие пищевые трихотецены, например, группа типа В (например , дезоксиниваленол , ниваленол , 3- и 15-ацетилдезоксиниваленол). Однако дезоксиниваленол вызывает беспокойство, поскольку это наиболее распространенный трихотецен в Европе. [35] Основными эффектами трихотеценов, связанными с их концентрацией в товаре, являются снижение потребления корма, рвота и иммуносупрессия.
Относительно небольшое количество стран, в первую очередь в Европейском союзе , рекомендовали максимальные пределы для этих микотоксинов в пищевых продуктах и кормах для животных. Однако трихотецены часто проверяются в других местах, чтобы предотвратить их попадание в пищевую цепь и предотвратить потери в животноводстве.
Считается, что трихотецены были обнаружены в 1932 году в Оренбурге, Россия, во время Второй мировой войны Советским Союзом. Около 100 000 человек (уровень смертности 60%) начали страдать и умирать от алиментарной токсической алейкии , смертельной болезни с симптомами, напоминающими радиацию. Считается, что советские гражданские лица заболели, употребляя в пищу зараженный хлеб и вдыхая плесень через зараженное сено, пыль и вентиляционные системы. Считается, что виновниками являются токсины Fusarium sporotrichioides и Fusarium poae , которые являются высокими продуцентами токсина Т-2 . [36] Виды Fusarium , вероятно, являются наиболее часто упоминаемыми и одними из самых распространенных грибов, продуцирующих трихотецены. [37]
Трихотецены являются идеальным биологическим боевым агентом, поскольку они смертоносны и недороги в производстве в больших количествах, стабильны в виде аэрозоля для распыления и не требуют эффективной вакцинации/лечения. [12] Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что микотоксины уже использовались в качестве биологического оружия.
С тех пор трихотецены были зарегистрированы по всему миру. [46] Они оказали значительное экономическое влияние на мир из-за потери человеческих и животных жизней, увеличения расходов на здравоохранение и ветеринарное обслуживание, сокращения производства скота, утилизации загрязненных продуктов питания и кормов, а также инвестиций в исследования и приложения для снижения серьезности проблемы микотоксинов. Эти микотоксины ежегодно приносят миллионы долларов убытков из-за факторов, которые часто находятся вне человеческого контроля (экология, окружающая среда или способ хранения). [47]
Опасные концентрации трихотеценов были обнаружены в кукурузе, пшенице, ячмене, овсе, рисе, ржи, овощах и других культурах. Заболевания, вызванные инфекцией, включают гниение семян, фитофтороз всходов, корневую гниль , гниль стеблей и гниль початков. [48] Трихотецены также являются распространенными загрязнителями кормов для птиц , и их неблагоприятное воздействие на здоровье и продуктивность птицы было тщательно изучено. [49]
Несколько исследований показали, что оптимальные условия для роста грибов не обязательно являются оптимальными для производства токсинов. [50] Производство токсинов больше всего при высокой влажности и температуре 6–24 °C. Распространение и производство грибов усиливаются в тропических условиях с высокими температурами и уровнями влажности; муссоны , внезапные наводнения и нерегулярные дожди во время сбора урожая. [51] Трихотецены были обнаружены в пробах воздуха, что позволяет предположить, что они могут распыляться на спорах или мелких частицах [52] [53]
Естественное возникновение TCT было зарегистрировано в Азии , Африке , Южной Америке , Европе и Северной Америке [54]
Не существует известных прямых антидотов к воздействию трихотецена. Поэтому управление рисками в загрязненных районах в первую очередь определяется лечением симптомов воздействия, а также профилактикой будущего воздействия.
Типичные пути воздействия трихотеценовых токсинов включают местное всасывание, проглатывание и вдыхание. Тяжесть симптомов зависит от дозы и типа воздействия, но лечение в первую очередь направлено на поддержку систем организма, поврежденных микотоксином. Первым шагом в большинстве случаев воздействия является снятие потенциально загрязненной одежды и тщательное промывание мест воздействия водой. [65] Это предотвращает повторное воздействие на жертву. Жертвам с высоким уровнем желудочно-кишечного повреждения можно давать жидкости и электролиты, чтобы смягчить последствия снижения всасывания тракта. Свежий воздух и вспомогательное дыхание также можно назначать при развитии легкого респираторного дистресса. [65] Более серьезные симптомы могут потребовать применения расширенной медицинской помощи. Начало лейкопении или снижение количества лейкоцитов можно лечить с помощью переливания плазмы или тромбоцитов . [65] Гипотонию можно лечить с помощью введения норадреналина или дофамина . [65] Развитие тяжелой сердечно-легочной недостаточности может потребовать интубации и дополнительного медикаментозного лечения для стабилизации деятельности сердца и легких.
Кроме того, существует множество химических веществ, которые могут косвенно снижать повреждающее воздействие трихотеценов на клетки и ткани. Растворы активированного угля часто вводят в случаях проглатывания в качестве адсорбента . [66] Здесь уголь действует как пористое вещество для связывания токсина, предотвращая его всасывание через желудочно-кишечный тракт и увеличивая его выведение из организма через экскрецию кишечника. Подобные детоксифицирующие адсорбенты также можно добавлять в корм для животных при загрязнении, чтобы снизить биодоступность токсина при потреблении. Антиоксиданты также полезны для смягчения повреждающего воздействия трихотеценов в ответ на увеличение реактивных форм кислорода, которые они производят в клетках. Как правило, хорошая диета, богатая пробиотиками, витаминами и питательными веществами, белками и липидами, считается эффективной для снижения симптомов отравления трихотеценами. [16] Например, было обнаружено, что витамин E противодействует образованию липидных перекисей, вызванных токсином T-2 у кур. [67] Аналогичным образом, совместное добавление модифицированных глюкоманнанов и селена в рацион кур, также потребляющих токсин Т-2, снизило пагубные эффекты истощения антиоксидантов в печени, связанного с токсином. Несмотря на то, что эти антиоксиданты не являются прямым антидотом, они могут иметь решающее значение для снижения тяжести воздействия трихотецена.
Трихотецены — это микотоксины, вырабатываемые плесенью, которая часто загрязняет хранилища зерновых продуктов. Это делает загрязнение трихотеценами значительной проблемой общественного здравоохранения, и во многих регионах действуют строгие ограничения на допустимое содержание трихотецена. Например, в Европейском союзе в хлебобулочных изделиях, предназначенных для потребления человеком, допустимо только 0,025 ppm токсина Т-2. [68] Плесень, которая может производить трихотецены, хорошо растет в темных, умеренных местах с высоким содержанием влаги. Поэтому одним из лучших способов предотвращения загрязнения трихотеценами пищевых продуктов является хранение ресурсов в надлежащих условиях, чтобы предотвратить рост плесени. [16] Например, обычно рекомендуется хранить зерно только в местах с содержанием влаги менее 15%. [69] Однако, если территория уже была загрязнена токсинами трихотецена, существует множество возможных стратегий дезактивации для предотвращения дальнейшего воздействия. Было показано, что обработка 1% гипохлоритом натрия (NaOCl) в 0,1 М гидроксиде натрия (NaOH) в течение 4–5 часов подавляет биологическую активность токсина Т-2. [16] Также было показано, что инкубация с водным озоном при концентрации около 25 ppm разрушает различные трихотецены посредством механизма, включающего окисление двойной связи углерода 9, 10. [70] Также было показано, что воздействие УФ- излучения эффективно при правильных условиях. [16]
Помимо стратегий физической и химической дезактивации, прогресс в области молекулярной генетики также привел к появлению потенциала биологического подхода к дезактивации. Многие микробы, включая бактерии, дрожжи и грибы, выработали ферментативные генные продукты, которые способствуют специфической и эффективной деградации трихотеценовых микотоксинов. [69] Многие из этих ферментов специфически разрушают 12,13-углеродное эпоксидное кольцо, которое важно для токсичности трихотеценов. Например, штамм Eubacteria BBSH 797 производит деэпоксидазные ферменты, которые восстанавливают 12,13-углеродное эпоксидное кольцо до группы с двойной связью. [69] Они, наряду с другими микробами, проявляющими свойства детоксикации трихотеценов, могут использоваться в кормовых хранилищах для предотвращения токсического воздействия загрязненного корма при потреблении. [16] Более того, молекулярное клонирование генов, ответственных за выработку этих детоксицирующих ферментов, может быть полезным для получения штаммов сельскохозяйственных продуктов, устойчивых к отравлению трихотеценом. [16]
Эпоксидные трихотецены являются разновидностью вышеперечисленных веществ и когда-то исследовались для военного использования в Восточной Германии и, возможно, во всем советском блоке. [71] Не существует приемлемого лечения после того, как проявляются симптомы отравления эпокситихотеценом, хотя последствия могут ослабевать, не оставляя никаких необратимых повреждений.
Планы по использованию в качестве крупномасштабного биологического оружия были отклонены, поскольку соответствующие эпоксидные трихотецены очень быстро разлагаются под воздействием ультрафиолетового света и тепла, а также хлора, что делает их бесполезными для открытых атак и отравления источников водоснабжения. [ необходима цитата ]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )