neurotoksyny
Neurotoksyny – są to substancje, które nawet w bardzo małych dawkach wpływają szkodliwie na komórki nerwowe lub tkankę nerwową. Neurotoksyny stanowią niejednorodną grupę substancji o różnorodnych mechanizmach szkodliwego działania na organizm.
Do neurotoksyn zalicza się substancje egzogenne jak np. niektóre pierwiastki chemiczne (szczególności metale ciężkie, takie jak kadm, ołów, rtęć czy tal), a także związki endogenne, które wytwarzane są w czasie wzmożonego pobudzenia organizmu, co skutkuje nadmiernym wytwarzaniem neuroprzekaźników.
Mechanizm działania neurotoksyn
Głównym sposobem działania neurotoksyn jest hamowanie procesów komórkowych w neuronach co wpływa niekorzystnie na cały układ nerwowy. Wśród tych procesów mogą być mechanizmy depolaryzacji błony lub komunikacja między neuronami. Hamując tym samym zdolność neuronów wykonania spełnianych przez nie funkcji wewnątrzkomórkowych. Poprzez przekazywanie sygnału neuronów do kolejnych komórek neurotoksyny mogą wywołać ogólnoustrojową negatywną odpowiedź układu nerwowego, prowadząc często do obumierania tkanki nerwowej. Przy czym czas potrzebny do wystąpienia objawów po ekspozycji na neurotoksyny może być różny dla różnych toksyn i może być liczony od godzin w przypadku toksyny botulinowej do nawet lat w przypadku zatrucia ołowiem.
Naturalne źródła neurotoksyn
Naturalne neurotoksyny wytwarzane są przez różnorodne organizmy. Wśród nich są to zarówno mikroorganizmy, rośliny jak i zwierzęta.
Najlepiej znanymi mikroorganizmami produkującymi neurotoksyny są sinice. Jednakże nie wszystkie gatunki sinic wytwarzają te związki. Ponadto toksyny oddziałujące na układ nerwowy należą do rzadszych cyjanotoksyn, a dużo bardziej rozpowszechnioną grupą są toksyny sinic oddziałujące na wątrobę. Neurotoksyny (w szczególności takie alkaloidy jak anatoksyna-a i z homoanatoksyna-a) wytwarzane są przez niektóre szczepy i gatunki z rodzaju Anabaena, Aphanizomenon, Arthrospira, Cylindrospermum, Oscillatoria i Planktothrix. Niektóre z powyższych przedstawicieli sinic wraz z sinicami z rodzaju Cylindrospermopsis i Lyngbya wytwarzają saksitoksynę i neosaksitoksyny. Natomiast sinice z rodzaju Nostoc wytwarzają inną neurotoksynę, tj. aminokwas β-metylamino L-alaninę.
Niektóre gatunki bruzdnic wytwarzają saksitoksynę i jej pochodne takie jak alexandrium, gymnodinium i pyrodinium (wszystkie są alkaloidami). W odróżnieniu od anatoksyn saksitoksyny podlegają bioakumulacji, co oznacza, że do zatrucia może dochodzić nie tylko z powodu bezpośredniego kontaktu z wytwarzającymi je glonami, ale również po zjedzeniu zawierających je konsumentów wyższego rzędu (np. owoców morza). Jednakże w takim wypadku reakcja na neurotoksynę jest inna, ponieważ objawy zaczynają występować dopiero po kilku lub kilkudziesięciu minutach.
Laseczka jadu kiełbasianego Clostridium botulinum wytwarza jad kiełbasiany czyli botulinę. Ta neurotoksyna jest mieszaniną kilku substancji białkowych. Dla człowieka dawką śmiertelną tej substancji (przy przyjęciu doustnym) wynosi około 1 μg/kg. W tym przypadku neurotoksyczność polega na blokowaniu wydzielania acetylocholiny prowadząc do paraliżu ciała.
Wśród kręgowców neurotoksyny najpowszechniej występują u węży (np. mamba, kobra, czyli węże z rodziny zdradnicowatych). Neurotoksyny nie są domeną wyłącznie mikroorganizmów i zwierząt, ponieważ występują także u roślin, jak np. u kasztanowca kalifornijskiego (eskulina).
Inne źródła neurotoksyn
Neurotoksyny to także klasa broni chemicznej, które działają na zakłócaniu i niszczeniu sygnałów w układzie nerwowym. Mogą się one dostać do organizmu przez skórę, drogi oddechowe i otwory ciała, a następnie prowadzić do poważnych, ogólnoustrojowych objawów, które ostatecznie mogą prowadzić do śmierci. Objawy mogą obejmować silne skurcze mięśni i drgawki, drżenie mięśni, ból głowy i oczu, niepokój, zmęczenie, splątanie, napięcie, utratę apetytu, nudności z wymiotami i biegunką, duszność, niekontrolowane oddawanie moczu i kału, utratę przytomności i porażenie układu oddechowego.
Neurotoksyny te dzielą się na grupy zwane związkami. Rozróżnia się związek G, związek V oraz związek Nowitschok. Związek G został zsyntetyzowany przez niemieckiego chemika Gerharda Schradera podczas drugiej wojny światowej. Natomiast nazewnictwo tego związku wywodzi się od nazwy kraju gdzie powstał – Germany. Związek V, którego nazwa wywodzi się od słowa Victory został opracowany przez chemika Ranajita Ghosha, który badał pestycydy dla jednej z brytyjskich firm. Po wprowadzeniu związku na rynek uznano go za zbyt niebezpieczny do stosowania jako środek ochrony roślin. Szybko jednak został wykorzystany przez siły zbrojne Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych.
Nazwa związku Nowiczok wywodzi się od rosyjskiego słowa nowicjusz lub początkujący. Związek ten został opracowany w latach 1970-1990 i jak dotąd stanowi on jeden z najbardziej śmiercionośnych związków tego typu. Ponadto stworzono więcej śmiercionośnych neurotoksyn jak np. gaz musztardowy. Natomiast niektóre łatwo dostępne związki jak np. etanol czy gazy szlachetne mogą w odpowiednich dawkach wykazywać działanie neurotoksyczne.
Objawy zatrucia neurotoksynami
Zatrucie neurotoksynami wywołuje charakterystyczne objawy, wśród nich głównymi objawami są: brak akomodacji oczu, ciężki oddech, drgawki, drżenie mięśni, oszołomienie, nierzadko także paraliż i śmierć. Inne specyficzne objawy mogą charakteryzować daną grupę neurotoksyn.
Zastosowania neurotoksyn
Pomimo tego, że neurotoksyny są zróżnicowane zarówno pod względem właściwości jak i funkcji chemicznych to wykazują wspólną właściwość, tj. działanie za sprawą wspólnego mechanizmu prowadzącego do zakłócenia lub zniszczenia niezbędnych struktur w układzie nerwowym. Stąd neurotoksyny pod tym względem są przydatne w neurobiologii.
Zastosowanie neurotoksyn opiera się na podstawowych procesach biologicznych, a wśród nich także na relacji drapieżnik – ofiara. Wytłumaczyć to można na podstawie następującego przykładu. Układ nerwowy większości organizmów jest bardzo złożony i niezbędny do przetrwania. W warunkach naturalnych służy on do unikania drapieżnika oraz w celu upolowania ofiary. Zwierzęta wykorzystujące jad często używają swoich neurotoksyn do bardzo szybkiego ujarzmienia (unieruchamiania) ofiary. Przy czym neurotoksyny ewoluowały tak, aby stać się wysoce specyficznymi dla ich kanałów docelowych, w taki sposób, że toksyna nie wiąże się łatwo z innymi celami, a tylko z określonym celem aby działać skutecznie.
Właśnie ta ewolucyjna właściwość neurotoksyn, która stanowi o ich skuteczności, co przekłada się na precyzyjnym namierzeniu określonych elementów układu nerwowego jest przedmiotem zainteresowania badaczy. Wczesny przykład wykorzystania mechanizmu opartego na nakierowaniu neurotoksyn wykorzystywał znakowaną radioaktywnie tetrodotoksynę do oznaczania kanałów sodowych i uzyskiwania precyzyjnych pomiarów ich stężenia wzdłuż błon nerwowych.
Ponadto neurotoksyny zapewniły możliwość ulepszenia oryginalnego modelu neuronu Hodgkina-Huxleya, w którym zaproponowano pojedyncze ogólne kanały sodowe i potasowe, które mogłyby odpowiadać za większość funkcji tkanki nerwowej. Na podstawie tych założeń teoretycznych dochodzono do głębszego zrozumienia sposobów w jakich mogą się zachowywać poszczególne neurony w odpowiedzi na kontakt z niebezpieczną substancją (w tych badaniach testowano m.in. bungarotoksyny, tetraetyloamon czy tetrodotoksyna).
Należy również pamiętać, że neurotoksyny wykorzystywane są w badaniach ekotoksykologicznych.
