Anatoxin-a
|
|
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC namn
1-(9-azabicyklo[4.2.1]non-2-en-2-yl)etan-1-on
|
|
| Andra namn Anatoxin A
|
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChEMBL | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.215.761 |
| KEGG | |
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| C10H15NO _ _ _ _ | |
| Molar massa | 165,232 |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Anatoxin-a , även känd som Very Fast Death Factor ( VFDF ), är en sekundär, bicyklisk aminalkaloid och cyanotoxin med akut neurotoxicitet . Det upptäcktes först i början av 1960-talet i Kanada och isolerades 1972. Toxinet produceras av flera släkten av cyanobakterier och har rapporterats i Nordamerika, Sydamerika, Centralamerika, Europa, Afrika, Asien och Oceanien. Symtom på anatoxin-a-toxicitet inkluderar förlust av koordination , muskulära fascikulationer , kramper och död genom andningsförlamning . Dess verkningssätt är genom den nikotinacetylkolinreceptorn (nAchR) där den efterliknar bindningen av receptorns naturliga ligand , acetylkolin . Som sådan har anatoxin-a använts för medicinska ändamål för att undersöka sjukdomar som kännetecknas av låga acetylkolinnivåer. På grund av dess höga toxicitet och potentiella närvaro i dricksvatten, utgör anatoxin-a ett hot mot djur, inklusive människor. Medan metoder för upptäckt och vattenrening finns, har forskare efterlyst mer forskning för att förbättra tillförlitligheten och effektiviteten. Anatoxin-a ska inte förväxlas med guanitoxin (tidigare anatoxin-a(S)), ett annat potent cyanotoxin som har en liknande verkningsmekanism som anatoxin-a och som produceras av många av samma släkten cyanobakterier, men är strukturellt orelaterad.
Historia
Anatoxin-a upptäcktes först av PR Gorham i början av 1960-talet, efter att flera boskapshjordar dog till följd av att dricksvatten från Saskatchewan Lake i Ontario, Kanada, som innehöll giftiga algblomningar . Den isolerades 1972 av JP Devlin från cyanobakterien Anabaena flos-aquae .
Förekomst
Anatoxin-a är ett neurotoxin som produceras av flera släkten sötvattenscyanobakterier som finns i vattendrag över hela världen. Vissa sötvattenscyanobakterier är kända för att vara salttoleranta och därför är det möjligt för anatoxin-a att hittas i flodmynningar eller andra salthaltiga miljöer. Blomningar av cyanobakterier som producerar anatoxin-a bland andra cyanotoxiner ökar i frekvens på grund av ökande temperaturer, skiktning och övergödning på grund av avrinning av näringsämnen. Dessa expansiva cyanobakteriella skadliga algblomningar , kända som cyanoHABs, ökar mängden cyanotoxiner i det omgivande vattnet, vilket hotar hälsan för både vattenlevande och landlevande organismer. Vissa arter av cyanobakterier som producerar anatoxin-a producerar inte ytvattenblomningar utan bildar istället bentiska mattor. Många fall av anatoxin-relaterad djurdöd har inträffat på grund av intag av lossnade bottenlevande cyanobakteriella mattor som har sköljt iland.
Anatoxin-a-producerande cyanobakterier har också hittats i jordar och vattenväxter. Anatoxin-a sorberar väl till negativt laddade platser i lerliknande, organiskt rika jordar och svagt till sandiga jordar. En studie fann både bundet och fritt anatoxin-a i 38 % av vattenväxter som provades över 12 Nebraskan-reservoarer, med mycket högre förekomst av bundet anatoxin-a än fritt.
Experimentella studier
1977 experimenterade Carmichael, Gorham och Biggs med anatoxin-a. De introducerade giftiga kulturer av A. flos-aquae i magen på två unga hankalvar och observerade att muskelfascikulationer och förlust av koordination inträffade inom några minuter, medan döden på grund av andningssvikt inträffade någonstans mellan flera minuter och några timmar. . De fastställde också att långa perioder av konstgjord andning inte gjorde det möjligt för avgiftning att ske och naturlig neuromuskulär funktion att återupptas. Från dessa experiment beräknade de att den orala minsta dödliga dosen (MLD) (av algerna, inte anatoxinmolekylen) för kalvar är ungefär 420 mg/kg kroppsvikt.
Samma år upptäckte Devlin och kollegor den bicykliska sekundära aminstrukturen hos anatoxin-a. De utförde också experiment liknande de av Carmichael et al. på möss. De fann att anatoxin-a dödar möss 2–5 minuter efter intraperitoneal injektion föregås av ryckningar, muskelspasmer, förlamning och andningsstillestånd, därav namnet Very Fast Death Factor. De bestämde LD50 för möss till 250 µg/kg kroppsvikt.
Elektrofysiologiska experiment utförda av Spivak et al. (1980) på grodor visade att anatoxin-a är en potent agonist av muskeltyp (α 1 ) 2 βγδ nAChR. Anatoxin-inducerad depolariserande neuromuskulär blockad, kontraktur av grodans rectus abdominis-muskel, depolarisering av grodansartorius-muskeln, desensibilisering och förändring av aktionspotentialen. Senare visade Thomas et al., (1993) genom sitt arbete med kyckling α 4 β 2 nAChR subenheter uttryckta på mus M 10 celler och kyckling α 7 nAChR uttryckt i oocyter från Xenopus laevis , att anatoxin-a också är en potent agonist av neuronal nAChR.
Giftighet
Effekter
Laboratoriestudier med möss visade att karakteristiska effekter av akut anatoxin-a-förgiftning via intraperitoneal injektion inkluderar muskelfascikulationer , skakningar, häpnadsväckande, flämtande, andningsförlamning och död inom några minuter. Zebrafisk som exponerats för anatoxin-a förorenat vatten hade förändrat hjärtfrekvensen.
Det har förekommit fall av icke-dödlig förgiftning hos människor som har fått i sig vatten från vattendrag och sjöar som innehåller olika släkten av cyanobakterier som kan producera anatoxin-a. Effekterna av icke-dödlig förgiftning var främst gastrointestinala: illamående, kräkningar, diarré och buksmärtor. Ett fall av dödlig förgiftning rapporterades i Wisconsin efter att en tonåring hoppade in i en damm som var förorenad med cyanobakterier.
Exponeringsvägar
Oral
Förtäring av dricksvatten eller fritidsvatten som är förorenat med anatoxin-a kan medföra dödliga konsekvenser eftersom anatoxin-a visade sig absorberas snabbt genom mag-tarmkanalen i djurstudier. Dussintals fall av djurdöd på grund av intag av anatoxin-a förorenat vatten från sjöar eller floder har registrerats, och det misstänks också ha varit dödsorsaken för en människa. En studie fann att anatoxin-a kan binda till acetylkolinreceptorer och inducera toxiska effekter med koncentrationer i nano-molar (nM) intervallet om det intas.
Dermal
Hudexponering är den mest sannolika formen av kontakt med cyanotoxiner i miljön. Rekreationsexponering för floder, bäckar och sjöar som är förorenade med algblomning har varit känt för att orsaka hudirritation och hudutslag. Den första studien som tittade på in vitro cytotoxiska effekter av anatoxin-a på mänsklig hudcellsproliferation och migration fann att anatoxin-a inte hade någon effekt vid 0,1 µg/ml eller 1 µg/ml, och en svag toxisk effekt vid 10 µg/mL först efter en längre tids kontakt (48 timmar).
Inandning
Inga data om inhalationstoxicitet av anatoxin-a är för närvarande tillgängliga, även om allvarliga andningsbesvär inträffade hos en vattenskidåkare efter att de inhalerat vattenspray innehållande ett annat cyanobakteriellt neurotoxin, saxitoxin . Det är möjligt att inandning av vattenspray som innehåller anatoxin-a kan ge liknande konsekvenser.
Mekanism för toxicitet
Anatoxin-a är en agonist av både neuronala α 4 β 2 och α 4 nikotinacetylkolinreceptorer som finns i CNS såväl som (α 1 ) 2 βγδ muskeltyp nAchR som finns i den neuromuskulära förbindelsen . (Anatoxin-a har en affinitet för dessa receptorer av muskeltyp som är cirka 20 gånger större än den för acetylkolin .) Cyanotoxinet har dock liten effekt på muskarina acetylkolinreceptorer ; den har en 100 gånger mindre selektivitet för dessa typer av receptorer än den har för nAchRs. Anatoxin-a visar också mycket mindre styrka i CNS än i neuromuskulära förbindelser. I hippocampus och hjärnstammens neuroner var en 5 till 10 gånger högre koncentration av anatoxin-a nödvändig för att aktivera nAchR än vad som krävdes i PNS.
Under normala omständigheter binder acetylkolin till nAchRs i det postsynaptiska neuronmembranet, vilket orsakar en konformationsförändring i receptorns extracellulära domän som i sin tur öppnar kanalporen. Detta tillåter Na +- och Ca2 + -joner att flytta in i neuronen, vilket orsakar celldepolarisering och inducerar generering av aktionspotentialer , vilket möjliggör muskelkontraktion. Acetylkolinneurotransmittorn dissocierar sedan från nAchR, där den snabbt spjälkas till acetat och kolin av acetylkolinesteras .
Anatoxin-a-bindning till dessa nAchR orsakar samma effekter i neuroner. Anatoxin-a-bindning är dock irreversibel , och anatoxin-a nAchR-komplexet kan inte brytas ned av acetylkolinesteras . Sålunda låses nAchR tillfälligt öppen och blir efter en tidsperiod desensibiliserad. I detta desensibiliserade tillstånd låter nAchR inte längre katjoner passera igenom, vilket i slutändan leder till en blockering av neuromuskulär transmission .
Två enantiomerer av anatoxin-a, den positiva enantiomeren , (+)-anatoxin-a, är 150 gånger mer potent än den syntetiska negativa enantiomeren, (−)-anatoxin-a. Detta beror på att (+)-anatoxin-a, s- cis enonkonformationen, har ett avstånd på 6,0 Å mellan sin kväve- och karbonylgrupp , vilket väl motsvarar det 5,9 Å-avstånd som separerar kvävet och syret i acetylkolin.
Andningsstopp , som resulterar i brist på syretillförsel till hjärnan, är den mest uppenbara och dödliga effekten av anatoxin-a. Injektioner av möss, råttor, fåglar, hundar och kalvar med dödliga doser av anatoxin-a har visat att döden föregås av en sekvens av muskelfascikulationer, minskade rörelser , kollaps, överdriven bukandning, cyanos och kramper . Hos möss påverkade anatoxin-a också blodtrycket och hjärtfrekvensen allvarligt och orsakade svår acidos .
Fall av toxicitet
Många fall av vilda djur och boskapsdöd på grund av anatoxin-a har rapporterats sedan dess upptäckt. Dödsfall för tamhundar på grund av cyanotoxinet, som fastställts genom analys av maginnehållet, har observerats på nedre nordön i Nya Zeeland 2005, i östra Frankrike 2003, i Kalifornien i USA 2002 och 2006, i Skottland i 1992, i Irland 1997 och 2005, i Tyskland 2017 och 2020. I båda fallen började hundarna uppvisa muskelkramper inom några minuter och var döda inom några timmar. Många dödsfall från nötkreatur till följd av konsumtion av vatten förorenat med cyanobakterier som producerar anatoxin-a har rapporterats i USA, Kanada och Finland mellan 1980 och idag.
Ett särskilt intressant fall av anatoxin-a-förgiftning är det av mindre flamingos vid Lake Bogoria i Kenya . Cyanotoxinet, som identifierades i fåglarnas magar och fekala pellets, dödade ungefär 30 000 flamingor under andra halvan av 1999 och fortsätter att orsaka massdöd årligen, vilket förstör flamingopopulationen. Giftet förs in i fåglarna via vatten som är förorenat med cyanobakteriella mattsamhällen som uppstår från de varma källorna i sjöbädden.
Syntes
Laboratoriesyntes
Cyklisk expansion av tropaner
Den första biologiskt förekommande initiala substansen för tropanexpansion till anatoxin-a var kokain , som har liknande stereokemi som anatoxin-a. Kokain omvandlas först till endo-isomeren av cyklopropan, som sedan klyvs fotolytiskt för att erhålla en alfa, beta-omättad keton. Genom användning av dietylazodikarboxylat demetyleras ketonen och anatoxin-a bildas. En liknande, nyare syntesväg involverar framställning av 2-tropinon från kokain och behandling av produkten med etylklorformiat som producerar en bicyklisk keton. Denna produkt kombineras med trimetylsilyldiazylmetan, en organoaluminium Lewis-syra och trimetylsinylenoleter för att producera tropinon. Denna metod genomgår ytterligare flera steg, och producerar användbara mellanprodukter såväl som anatoxin-a som slutprodukt.
Cyklisering av cyklooktener
Den första och mest omfattande utforskade metoden som används för att syntetisera anatoxin-a in vitro, cyklooktencyklisering involverar 1,5-cyklooktadien som sin ursprungliga källa. Denna utgångssubstans reageras för att bilda metylamin och kombineras med hypobromsyra för att bilda anatoxin-a. En annan metod som utvecklats i samma laboratorium använder aminoalkohol i kombination med kvicksilver(II)acetat och natriumborhydrid. Produkten från denna reaktion omvandlades till en alfa-, beta-keton och oxiderades med etylazodikarboxylat för att bilda anatoxin-a.
Enantioselektiv enoliseringsstrategi
Denna metod för anatoxin-a-produktion var en av de första som användes som inte använder en chimärt analog utgångssubstans för anatoxinbildning. Istället används en racemisk blandning av 3-tropinon med en kiral litiumamidbas och ytterligare ringexpansionsreaktioner för att producera en ketonmellanprodukt. Tillsats av ett organokuprat till ketonen producerar ett enoltriflatderivat, som sedan lyseras väte och behandlas med ett avskyddande medel för att producera anatoxin-a. Liknande strategier har också utvecklats och använts av andra laboratorier.
Intramolekylär cyklisering av iminiumjoner
Iminiumjoncyklisering använder flera olika vägar för att skapa anatoxin-a, men var och en av dessa producerar och fortskrider med en pyrrolidiniminiumjon. De största skillnaderna i varje väg relaterar till prekursorerna som används för att producera imiumjonen och det totala utbytet av anatoxin-a i slutet av processen. Dessa separata vägar inkluderar produktion av alkyliminiumsalter, acyliminiumsalter och tosyliminiumsalter.
Enyne metates
Enyne-metates av anatoxin-a involverar användningen av en ringslutande mekanism och är en av de nyare framstegen inom anatoxin-a-syntesen. I alla metoder som involverar denna väg, används pyroglutaminsyra som ett utgångsmaterial tillsammans med en Grubb's-katalysator. I likhet med iminiumcyklisering använde det första försöket med syntes av anatoxin-a med denna väg en 2,5-cis-pyrrolidin som en mellanprodukt.
Biosyntes
Anatoxin-a syntetiseras in vivo i arten Anabaena flos aquae , såväl som flera andra släkten av cyanobakterier. Anatoxin-a och relaterade kemiska strukturer produceras med acetat och glutamat. Ytterligare enzymatisk reduktion av dessa prekursorer resulterar i bildningen av anatoxin-a. Homoanatoxin, en liknande kemikalie, produceras av Oscillatoria formosa och använder samma prekursor. Homoanatoxin genomgår emellertid en metyladdition av S-adenosyl-L_metionin istället för en addition av elektroner, vilket resulterar i en liknande analog. Det biosyntetiska genklustret (BGC) för anatoxin-a beskrevs från Oscillatoria PCC 6506 2009.
Stabilitet och nedbrytning
Anatoxin-a är instabilt i vatten och andra naturliga förhållanden, och i närvaro av UV-ljus genomgår det fotonedbrytning och omvandlas till de mindre giftiga produkterna dihydroanatoxin-a och epoxyanatoxin-a. Fotonedbrytningen av anatoxin-a är beroende av pH och solljusintensitet men oberoende av syre, vilket indikerar att nedbrytningen av ljus inte uppnås genom fotooxidationsprocessen.
Studier har visat att vissa mikroorganismer är kapabla att bryta ned anatoxin-a. En studie gjord av Kiviranta och kollegor 1991 visade att bakteriesläktet Pseudomonas kunde bryta ned anatoxin-a med en hastighet av 2–10 μg/ml per dag. Senare experiment gjorda av Rapala och kollegor (1994) stödde dessa resultat. De jämförde effekterna av steriliserade och icke-steriliserade sediment på nedbrytning av anatoxin-a under loppet av 22 dagar, och fann att efter den tiden visade flaskor med de steriliserade sedimenten liknande nivåer av anatoxin-a som vid början av experimentet, medan flaskor med icke-steriliserat sediment visade en minskning med 25-48 %.
Upptäckt
Det finns två kategorier av anatoxin-a-detektionsmetoder. Biologiska metoder har involverat administrering av prover till möss och andra organismer som är vanligare i ekotoxikologiska tester , såsom artemia salina , larver av sötvattenskräftdjuret Thamnocephalus platyurus och olika insektslarver. Problem med denna metod inkluderar en oförmåga att avgöra om det är anatoxin-a eller ett annat neurotoxin som orsakar de resulterande dödsfallen. Det behövs också stora mängder provmaterial för sådan testning. Förutom de biologiska metoderna har forskare använt kromatografi för att detektera anatoxin-a. Detta kompliceras av den snabba nedbrytningen av toxinet och avsaknaden av kommersiellt tillgängliga standarder för anatoxin-a.
Folkhälsan
Trots den relativt låga frekvensen av anatoxin-a i förhållande till andra cyanotoxiner, betyder dess höga toxicitet (den dödliga dosen är inte känd för människor, men uppskattas vara mindre än 5 mg för en vuxen man) att det fortfarande anses vara ett allvarligt hot till landlevande och vattenlevande organismer, framför allt för boskap och människor. Anatoxin-a misstänks ha varit inblandad i minst en persons död. Hotet från anatoxin-a och andra cyanotoxiner ökar eftersom både avrinning av gödselmedel leder till övergödning i sjöar och floder, och högre globala temperaturer bidrar till en större frekvens och förekomst av cyanobakterieblomningar.
Vattenbestämmelser
Världshälsoorganisationen 1999 och EPA 2006 kom båda till slutsatsen att det inte fanns tillräckligt med toxicitetsdata för anatoxin-a för att fastställa en formell tolerabelt dagligt intag (TDI), även om vissa ställen har implementerat egna nivåer .
Förenta staterna
Rådgivande nivåer för dricksvatten
Anatoxin-a regleras inte under Safe Drinking Water Act , men stater får skapa sina egna standarder för föroreningar som är oreglerade. För närvarande finns det fyra stater som har satt rådgivande dricksvattennivåer för anatoxin-a enligt tabellen nedan. Den 8 oktober 2009 publicerade EPA den tredje kandidatlistan för dricksvattenföroreningar (CCL) som inkluderade anatoxin-a (bland andra cyanotoxiner), vilket indikerar att anatoxin-a kan finnas i offentliga vattensystem men inte regleras av EPA. Anatoxin-as närvaro på CCL innebär att det kan behöva regleras av EPA i framtiden, i väntan på ytterligare information om dess hälsoeffekter på människor.
| stat | Koncentration (µg/L) |
|---|---|
| Minnesota | 0,1 |
| Ohio | 20 |
| Oregon | 0,7 |
| Vermont | 0,5 |
Rekreationsvatten rådgivande nivåer
2008 införde delstaten Washington en rekreationsrådgivningsnivå för anatoxin-a på 1 µg/L för att bättre hantera algblomning i sjöar och skydda användare från exponering för blomningarna.
Kanada
Den kanadensiska provinsen Québec har ett maximalt accepterat dricksvattenvärde för anatoxin-a på 3,7 µg/L.
Nya Zeeland
Nya Zeeland har ett maximalt accepterat dricksvattenvärde för anatoxin-a på 6 µg/L.
Vattenbehandling
För närvarande finns det ingen officiell riktlinjenivå för anatoxin-a, även om forskare uppskattar att en nivå på 1 μg l −1 skulle vara tillräckligt låg. Likaså finns det inga officiella riktlinjer för testning av anatoxin-a. Bland metoderna för att minska risken för cyanotoxiner, inklusive anatoxin-a, ser forskarna positivt på biologiska behandlingsmetoder eftersom de inte kräver komplicerad teknik, är lågt underhåll och har låga driftskostnader. Få biologiska behandlingsalternativ har testats specifikt för anatoxin-a, även om en art av Pseudomonas , som kan bryta ned anatoxin-a med en hastighet av 2–10 μg ml −1 d −1 , har identifierats. Biologiskt (granulärt) aktivt kol (BAC) har också testats som en metod för biologisk nedbrytning, men det är osäkert om biologisk nedbrytning inträffade eller om anatoxin-a helt enkelt adsorberade det aktiverade kolet. Andra har efterlyst ytterligare studier för att avgöra mer om hur man använder aktivt kol effektivt.
Kemiska behandlingsmetoder är vanligare vid rening av dricksvatten jämfört med biologisk rening, och många processer har föreslagits för anatoxin-a. Oxidanter som kaliumpermanganat , ozon och avancerade oxidationsprocesser ( AOP ) har fungerat för att sänka nivåerna av anatoxin-a, men andra, inklusive fotokatalys, UV- fotolys och klorering , har inte visat stor effekt.
Att direkt ta bort cyanobakterierna i vattenbehandlingsprocessen genom fysisk behandling (t.ex. membranfiltrering ) är ett annat alternativ eftersom det mesta av anatoxin-a finns i cellerna när blomningen växer. Anatoxin-a frigörs dock från cyanobakterier till vatten när de åldras och lyser, så fysisk behandling kanske inte tar bort allt anatoxin-a som finns. Ytterligare forskning behöver göras för att hitta mer tillförlitliga och effektiva metoder för både upptäckt och behandling.
Laboratorieanvändningar
Anatoxin-a är en mycket kraftfull nikotinacetylkolinreceptoragonist och har som sådan studerats omfattande för medicinska ändamål. Det används främst som en farmakologisk sond för att undersöka sjukdomar som kännetecknas av låga acetylkolinnivåer, såsom muskeldystrofi , myasthenia gravis , Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom . Ytterligare forskning om anatoxin-a och andra mindre potenta analoger testas som möjliga ersättningar för acetylkolin.
Släkten av cyanobakterier som producerar anatoxin-a
- Anabaena (Dolichospermum)
- Aphanizomenon
- Cylindrospermopsis
- Cylindrospermum
- Lyngbya
- Microcystis
- Nostoc
- Oscillatorier
- Microcoleus (Phormidium)
- Planktothrix
- Raphidiopsis
- Tychonema
- Woronichinia
Se även
Vidare läsning
- Wood SA, Rasmussen JP, Holland PT, Campbell R, Crowe AL (2007). "Första rapporten om Cyanotoxin Anatoxin-A från Aphanizomenon issatschenkoi (cyanobakterier)". Journal of Physology . 43 (2): 356–365. doi : 10.1111/j.1529-8817.2007.00318.x . S2CID 84284928 .
- Wonnacott S, Gallagher T (april 2006). "Kemin och farmakologin för anatoxin-a och relaterade homotropaner med avseende på nikotinacetylkolinreceptorer" . Marina droger . 4 (3): 228–254. doi : 10.3390/md403228 . PMC 3663412 .
externa länkar
- Mycket snabb dödsfaktor (Anatoxin-a) vid The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- Månadens molekyl: anatoxin vid School of Chemistry, Physics and Environmental Studies, University of Sussex i Brighton