тетродоксин что это такое
Тетродотоксин
Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «История медицины. Психология и социология»
Актуальность
В природе существует множество ядовитых веществ. Одними из самых смертоносных являются нейротоксины – вещества, специфично воздействующие на нервную систему. Наиболее интересный и опасный из них – тетродотоксин (ТТХ), один из сильнейших нейропаралитических ядов. Его обнаружили у многих морских и наземных животных. Тетродотоксин в 100 раз сильнее цианида калия, но уступает по токсичности батрахотоксину, сакситоксину, палитоксину, майтотоксину.
Цель
Задачи
1. Изучить по литературным источникам особенности строения и действия тетродотоксина.
2. На основании литературных источников изучить возможность использования тетродотоксина в медицинских целях.
Описание
В работе проводился анализ литературы, в ходе которого изучили общую характеристику, строение, физические и химические свойства тетродотоксина.
Автор познакомился со способами образования токсина в организме животных и его действием на человека. Были установлены основные симптомы острого отравления тетродотоксином и использование данного вещества в медицинских целях.
Результаты
2. Тетродотоксин быстро проникает через различные биологические барьеры организма, легко всасывается в кровь и накапливается преимущественно в тканях почек и сердца. Симптомы отравления проявляются обычно в течение первых шести часов после приёма пищи. Через 10–45 минут появляются признаки отравления: онемение конечностей, потеря чувствительности кожи, затруднение глотания, афония и др. В тяжёлых случаях уже в течение 40 минут токсин способен вызвать параличи, дыхательную недостаточность и кому с последующим летальным исходом.
3. В терапии тетродотоксин используется для купирования нейропатических болей, которые вызваны возбуждением нейронов, реализующих различные физические повреждения, и в качестве местной анестезии.
4. Низкие дозы ТТХ эффективны в снижении влечения к героину.
Выводы
1. Тетродотоксин – это повсеместный токсин различных таксономических групп, от бактерий до позвоночных.
2. Несмотря на то, что механизм его действия и молекулярная мишень у людей хорошо известны, специфическое лечение пищевого отравления тетродотоксином ещё не достигнуто.
3. Информация о всасывании и выделении TTX и его аналогов у человека ограничена, а информация о его распределении и метаболизме не установлена.
Яды против ионных каналов
Денис Борисович Тихонов,
доктор биологических наук, заведующий лабораторией биофизики синаптических процессов, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН
«Химия и жизнь» №3, 2014
Яды природного происхождения — необыкновенно интересный объект для исследований. Только в последние десятилетия стало известно, какие удивительные молекулярные конструкции создала эволюция, чтобы сделать смертельно опасными маленьких лягушек из колумбийских лесов или рыбу фугу. Растительных, животных и бактериальных токсинов известно огромное количество — пожалуй, в этой области биохимия посрамит неорганическую химию, да и решения проблемы нейтрализации врага, представленные живой природой, гораздо изящнее. Остановимся на нескольких, объединенных общей мишенью — все они воздействуют на потенциал-управляемые натриевые каналы в мембранах нервных клеток.
Немного о мишени
Потенциал-управляемые натриевые каналы — ключевой элемент нервной системы животных. Когда нейрон находится в состоянии покоя, на его мембране (представляющей собой конденсатор) за счет работы специальных систем поддерживается определенный электрический потенциал. В это время натриевые каналы закрыты. Когда же происходит деполяризация мембраны, они реагируют на падение мембранного потенциала и открываются (отсюда название «потенциал-управляемые»; бывают и другие каналы, например лиганд-управляемые, которые открываются или закрываются в ответ на присоединение определенной молекулы). Ионы Na + текут внутрь клетки, перенося положительный заряд с внешней стороны на внутреннюю, — потенциал покоя сменяется потенциалом действия.
Генерация и распространение потенциала действия — основа работы всей нервной системы, и главная роль здесь принадлежит именно потенциал-управляемым натриевым каналам. Понятно, что один из самых быстрых и эффективных способов нейтрализовать врага состоит в том, чтобы нарушить деятельность его нервной системы. Поэтому натриевые каналы — прекрасная мишень для разнообразных токсинов.
Ионный канал — это белковая молекула, пронизывающая липидный бислой клеточной мембраны. Как и многие другие белки, канал «собран» из двух больших доменов — блоков, отвечающих за основные функции. У каналов обычно бывает не меньше двух доменов: один формирует собственно пору в мембране, а другой реагирует на внешние воздействия и управляет открытием и закрытием поры. Сборка сложных белков из таких больших блоков обеспечивает широкие возможности их молекулярной эволюции. Другой типичный прием эволюции — создавать семейства гомологичных (то есть имеющих одно происхождение и общую принципиальную структуру) белков. По-разному изменяя свойства «прототипа», природа получает сходные белки с различной специализацией. Так, потенциал-управляемые натриевые каналы гомологичны ряду других каналов — прежде всего, потенциал-управляемым калиевым и кальциевым каналам. Различаются они главным образом конструкцией «селективного фильтра» — узкого участка поры, где на основе тонких молекулярных взаимодействий происходит отбор ионов, для которых канал проницаем.
Первые детальные сведения об устройстве каналов этого семейства,— результаты рентгеноструктурного анализа для калиевых каналов бактерий — были опубликованы в 1998 году. Руководитель работы, Родерик Маккиннон из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, стал нобелевским лауреатом по химии всего через пять лет, в 2003-м, — настолько очевидно было научному сообществу значение этих результатов. Без преувеличения, они открыли новую эру в понимании устройства и функций ионных каналов.
Практически все структурные элементы канала могут стать мишенями токсинов. Мы расскажем только о трех типах токсинов, которые воздействуют на пору натриевых каналов. Тетродотоксин рыбы фугу, конотоксины моллюсков Conus и батрахотоксин лягушек-листолазов — три независимые «военные разработки», решающие одну и ту же задачу.
Прежде чем перейти к тому, как действуют токсины (а «механику» их работы мы будем описывать достаточно подробно, иногда с разрешением до атомарного), сделаем еще одно отступление. Откуда эти сведения берутся? Кажется, что в XXI веке можно «просто посмотреть», то есть получить рентгеновскую структуру канала в комплексе с токсином. Но не тут-то было. Проблема в том, что каналы не относятся к водорастворимым белкам: они существуют внутри мембраны, при этом наружная и внутренняя части находятся в водной среде. Получение кристаллов для таких белков — неимоверно трудная задача, а нет кристаллов — нет и рентгеноструктурного анализа. Хотя со времен прорыва, осуществленного Маккинноном, появилось довольно много рентгеновских структур каналов, в общем виде задача далека от решения. Каждая новая структура — плод многолетних методологических ухищрений и ценится буквально на вес золота. В частности, для интересующих нас (в том числе и по практическим нуждам) потенциал-управляемых каналов позвоночных таких структур не было и нет. Тем более, увы, в комплексах с токсинами.
Имеющиеся у ученых данные собраны буквально по крупицам. Прежде всего это результаты огромных усилий нейрофизиологов, которые описывают действие токсинов на клетку и организм — конечный эффект заметить нетрудно, но необходимы специальные эксперименты, чтобы понять, что именно пошло не так, когда сработал токсин. Затем это работа нейрохимиков и фармакологов, которые выясняют, как зависит действие токсинов от их структур. Дальше приходит черед молекулярных биологов — они получают мутантных подопытных животных, чтобы показать, каким образом та или иная мутация изменяет чувствительность к яду. (Конечно, устойчивые к ядам особи и даже виды могут встречаться и в природе: в эволюции всегда есть место «гонке вооружений».) Если знать, какой аминокислотный остаток в каком участке белка заменен у животного, устойчивого к токсину, можно заключить, что с этим участком токсин и связывается. Для воссоздания структурной картины действия ядов используют данные по рентгеноструктурному анализу родственных белков, близких по строению. Занимаются этим теоретики, разрабатывающие молекулярные модели и пытающиеся уложить весь набор разнородных данных в единую концепцию. К этим последним принадлежит и автор статьи.
Тетродотоксин как пробка
Рыба фугу — японский деликатес, популярный у любителей острых ощущений. «Хочешь есть фугу — напиши завещание», «Кто ест фугу, тот глуп, и кто не ест, тоже глуп». Фугу делают из нескольких видов рыб семейства иглобрюхих (Tetraodontidae). Не все иглобрюхие ядовиты, и даже внутри опасного вида возможны вариации по этому показателю — так, менее ядовитых рыб можно получить в аквакультуре, контролируя их диету. Тем не менее готовить рыб фугу разрешено только поварам, имеющим специальные сертификаты. Малейшее нарушение технологии, и гурман, получив порцию тетродотоксина, умирает. Это не шутки: каждый год происходит по нескольку таких случаев.
Тетродотоксин — один из самых высокоактивных токсинов в природе. (Справедливости ради, в последние годы среди ученых крепнет убеждение, что тетродотоксин вырабатывают не сами рыбы, а бактерии рода Vibrio, обитающие в их организме.) Естественно, изучению того, как и где эта сложно устроенная молекула связывается с натриевым каналом, посвящено множество работ, выполненных на протяжении нескольких десятилетий. Однако более-менее разобраться в этом вопросе удалось сравнительно недавно. Тетродотоксин связывается во внешнем вестибюле канала, аккурат там, где расположен селективный фильтр. Если использовать не вполне научную терминологию, то данное действие можно уподобить затыканию бутылки пробкой. Да и коническая форма молекулы тетродоксина наталкивает на такую аналогию.
Чтобы понять причины необычайно высокой активности тетродотоксина, надо приглядеться к самой молекуле. Она сравнительно небольшая, но имеет жесткий каркас, который «декорирован» большим числом функционально активных групп. Поразительно, но, по данным экспериментов, КАЖДАЯ из них имеет специфического «ответчика» в поре (см. рисунок). При этом сама геометрия тетродотоксина практически идеально соответствует воронкообразной структуре внешнего вестибюля канала. Малейшие изменения в структуре токсина или канала нарушают химико-стерическую комплементарность и приводят к резкой потере активности.
Конотоксин как крышка
Конотоксины — пептиды, как правило, с несколькими цистеиновыми S-S-мостиками, которые обеспечивают более или менее жесткую укладку аминокислотной цепочки. При этом если тетродотоксин — это одна высокоспецифическая молекула, то конусы производят множество пептидных токсинов, принадлежащих к разным семействам и атакующих различные мишени.
Те из них, которые воздействуют на потенциал-управляемые каналы, — так называемые мю-конотоксины — также высокоспецифичны. Они связываются в том же внешнем вестибюле натриевого канала, что и тетродотоксин. Но размеры у них совершенно другие — пептидный токсин внутрь узкой части канала пройти не может, поэтому он садится на канал сверху. Продолжая нашу аналогию, это уже не пробка, а крышка.
Однако пептидные токсины (в отличие от тетродотоксина) обладают известной гибкостью. Плотно прижать такую крышку, чтобы даже маленький ион натрия не проскочил, невозможно. Поэтому конотоксины реализуют иную стратегию для блокирования канала. Чтобы войти в его узкую часть, положительно заряженный ион натрия должен взаимодействовать там с отрицательно заряженными остатками аспартата и глутамата. Такие взаимодействия позволяют иону избавиться от «шубы» из молекул воды. Именно на аспартаты и глутаматы внешнего вестибюля охотится конотоксин. У него много положительно заряженных остатков лизина и аргинина. Эти остатки, как щупальца осьминога, опускаются на вестибюль канала и связывают необходимые для прохождения натрия остатки аспартатов и глутаматов. В результате канал не перекрыт полностью, но все равно блокирован.
Интересно, что некоторые мю-конотоксины (в том числе искусственно созданные мутанты) не блокируют проводимость полностью, а лишь в той или иной степени ее уменьшают. Долгое время никто не понимал, как реализуется эта остаточная проводимость. Сейчас нам представляется, что если у конотоксина есть некий дефицит положительно заряженных аминокислот, то он не может иммобилизовать и нейтрализовать все необходимые для проводимости ионов натрия остатки, и там, где хотя бы один из них остается свободным, ионы все же могут проходить в канал.
Батрахотоксин как распорка
Третий класс соединений, воздействующих на потенциал-зависимые натриевые каналы, представляет батрахотоксин южноамериканских лягушек листолазов (Phyllobates). Примечательно, что ядовитыми их делает диета: алкалоиды, необходимые для синтеза батрахотоксина, содержатся в членистоногих, которыми они питаются в природе; новорожденные листолазы и те, которые содержатся в неволе, неядовиты. Это один из сильнейших ядов: полулетальная доза, рассчитанная для употребления внутрь, — 2–7 мкг/кг (у стрихнина, например, миллиграммы на килограмм, у тетродотоксина — сотни микрограммов на килограмм).
Известны также аналоги батрахотоксина другого происхождения. Самые знаменитые их них — растительные токсины вератридин и аконитин. Как видно на рисунке, это достаточно сложно организованные органические соединения, и феноменология их действия на натриевые каналы также сложна.
Главное их отличие от рассмотренных выше тетродотоксина и конотоксинов состоит в том, что они канал не блокируют. Наоборот, связывание этих токсинов приводит к тому, что канал удерживается в открытом состоянии и непрерывно пропускает ионы. Но хотя механизм действия абсолютно противоположный, биологический эффект тот же — плачевный для жертвы. И в том и в другом случае генерация и распространение потенциалов действия становятся невозможными, поскольку нарушены механизмы нормальной, управляемой потенциалом мембраны, активации канала.
Долгое время считалось, что батрахотоксин и его аналоги действуют на канал через липидную фазу (так как они способны проникать в мембрану) и загадочным образом меняют его характеристики. Концепция эта держалась до тех пор, пока не стали доступны данные точечных мутаций. Они однозначно показали, что эти токсины должны связываться в поре ионного канала и нигде более. Что же они там делают, за счет чего свойства канала так радикально изменяются? Достаточно долго это оставалось загадкой, и ее решение впервые предложил мой коллега Б.С. Жоров.
Отсюда возникла модель, которую мы разрабатывали в дальнейшем. Суть ее в том, что молекула токсина связывается в поре канала и при этом обращает внутрь поры эти самые три кислорода. И несмотря на то что такая относительно большая молекула находится в канале, она его не перекрывает, проницаемость для ионов натрия сохраняется — можно сказать, что молекула батрахотоксина скользкая для ионов, именно за счет кислородной триады. Это предположение позволило объяснить все основные эффекты. Если снова использовать ненаучную аналогию, батрахотоксин — своего рода распорка, подобие стента, который хирург вставляет в сосуд кровеносной системы, чтобы не дать ему схлопнуться. Батрахотоксин, вератридин и аконитин садятся в канал, распирают его и не позволяют закрываться, тем самым обеспечивая непрерывный ток ионов.
На основании этой концепции было сделано несколько работ, предсказаны новые мутации, причем все наши предположения достаточно хорошо подтвердились. На сегодня это наиболее современное представление о том, как действует данный класс активаторов потенциал-зависимых натриевых каналов.
Итак, на нескольких примерах мы увидели, какими разнообразными и изощренными могут быть молекулярные механизмы действия токсинов на натриевые каналы. А это лишь несколько кусочков огромной мозаики действия токсинов на специфические белки. Многие проблемы пока еще остаются нерешенными.
Зачем все это нужно?
Практическая польза от подобных фундаментальных исследований очевидна. Из всего объема медицинской фармакологии порядка 10% соединений имеют мишенями именно ионные каналы. Это анестетики, анальгетики, антиаритмики и множество других классов фармакологических агентов. С блокаторами потенциал-управляемых каналов на практике сталкивался каждый, кому доводилось бывать у стоматолога. Ведь используемые для обезболивания местные анестетики — тоже блокаторы именно этих каналов. Все их отличие от тетродотоксина в том, что они действуют только в высоких концентрациях — иначе говоря, только вблизи места укола. Местные анестетики препятствуют возникновению потенциалов действия, а значит, и передаче в мозг болевых сигналов.
Современная медицина постоянно нуждается в новых активных и избирательных фармакологических агентах, чтобы по возможности минимизировать побочные эффекты применения лекарств. На разработку новых препаратов тратятся огромные деньги. Но как же искать новые вещества, если мы не знаем, каковы механизмы действия уже известных соединений? Случайный перебор слишком дорого обходится. Рациональный поиск может основываться только на глубоком научном понимании механизмов действия препаратов — во всем диапазоне от молекул до целых организмов.
Тетродотоксин
Тетродотоксин считается сильным небелковым ядом естественного происхождения, нейропаралитического (курареподобного) действия, уступает по токсичности батрахотоксину, сакситоксину, палитоксину, майтотоксину. Большое количество тетродотоксина содержится в рыбе фугу, (особенно в печени и в икре), в калифорнийском тритоне (Taricha torosa), а также токсин встречается у ряда бычковых рыб (Gobiidae), у Синекольчатого осьминога, в коже и яйцах коста-риканских лягушек рода Ателопы ( Atelopus ), в тканях краба Atergatis floridus и других животных.
Содержание
Внешний вид
Растворимость (в г/100 г или характеристика):
вода: плохо растворим; диэтиловый эфир: растворим; этанол: растворим.
Показатель диссоциации: pKBH+ (1) = 8,7 (20 °C, вода)
Токсичность сильно зависит от рН среды: в щелочной среде теряет токсические свойства.
Из жабы Atelopus chiriquiensis был выделен также менее токсичный аналог тетродотоксина — чирикитотоксин.
История
Первый зарегистрированный случай отравления тетродотоксином был описан в бортовом журнале капитана Джеймса Кука от 7 сентября 1774 года. [1] В этот день Кук записал, что его команда съела местную тропическую рыбу (рода иглобрюхи), а остаток скормила свиньям на корабле. После этого команда испытывала чувство онемение и одышку, а все свиньи были найдены мёртвыми на следующее утро. Очевидно, что члены команды получили умеренную дозу токсина, а свиньи, съевшие остатки рыбы, содержащие основную часть токсина, были смертельно отравлены.
Механизм действия
Тетродотоксин представляет собой соединение аминопергидрохиназолина с гуанидиновой группой. Гуанидиновая группа по своим размерам и форме похожа на гидратированные ионы натрия и имеет сильную тропность к натриевым каналам нервных волокон. Благодаря большим физическим размерам всей молекулы тетродотоксин закупоривает натриевые каналы, как пробка, в результате чего нервные волокна теряют способность проводить импульсы.
Тетродотоксин легко всасывается в кровь и быстро проникает через различные биологические барьеры организма, накапливаясь преимущественно в тканях почек и сердца.
Использование в медицинe
В медицине тетродотоксин практически не используется по причине сильной ядовитости (более безопасным для жизни и здоровья блокаторами натриевых каналов являются новокаин и другие местные анестетики). Широко применяется учеными-биологами для исследования мембран.
В литературе
В повести Виктора Пелевина «Зомбификация» в главе «Яды и процедуры» упоминаются работы Уэйда Девиса.
В кино
Тетродотоксин — история элегантного убийцы
Подобно агенту 47, тетродотоксин является превосходным убийцей, который, однако, не лишен благородных черт и может использоваться даже во благо общества.
Автор
Редакторы
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа заняла первое место в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Подобная активность тетродотоксина обусловлена его уникальным свойством прочно блокировать ионные каналы в мембранах нервных и мышечных клеток, тем самым «запрещая» передачу нервного сигнала и вызывая паралич мышц. Несмотря на более чем вековую историю изучения тетродотоксина, некоторые ее страницы до сих пор полны белых пятен, а некоторые — окутаны мистикой и давно стали почвой для мифов: например, о жрецах Вуду, якобы умеющих превращать людей в зомби. Конечно же, ученые не могли мириться с таким положением дел и попытались окончательно разобраться в свойствах этого таинственного убийцы — а вдруг смертоносные молекулы можно заставить работать в мирных целях? В конце концов, даже опаснейший ботулотоксин где теперь только не используют! Так что же мы знаем о тетродотоксине сейчас?
Краткое досье
Как и многие известные нейротоксины, тетродотоксин (ТТХ) был впервые выделен в ХХ веке, однако знакомство человечества со столь сильным ядом произошло намного раньше. Существуют упоминания о том, что потрясающая ядовитость рыб фугу (рис. 1) — самых известных источников токсина — была знакома древнеегипетским любителям морепродуктов еще за 2500 лет до н.э. [1]! Жители Страны восходящего солнца, активно употребляющие в пищу этих рыб, также давно знают о том, что поедание подобных деликатесов представляет собой своеобразную «игру в рулетку». Даже европейцам токсин рыбы фугу был известен за несколько веков до выделения его в чистом виде: в своих бортовых журналах знаменитый мореплаватель Джеймс Кук описывает интересный случай, когда он и его команда едва не умерли, приготовив свежевыловленную рыбу. Кук с моряками отделались отравлением, в то время как животные, которых они держали на борту и которым скормили рыбьи внутренности, не пережили этой трапезы. Задолго до открытия самогό токсина путешественник первым смог сделать вывод о том, какие органы рыбы наиболее ядовиты [2].
Рисунок 1. Рыба фугу и популярное японское национальное блюдо — сашими, приготовленное из ее филе. Для приготовления опасного деликатеса повара должны пройти специальный двухгодичный (!) курс обучения и получить особую лицензию. Затраты на обучение оправдываются стократно: работа повара, имеющего такую лицензию, — одна из самых высокооплачиваемых в ресторанах Японии.
левая фотография — с сайта clotheshorse.com, правая — из поездки Антона Чугунова на конференцию в Японию
Рисунок 2. Химическая структура тетродотоксина. а — Стереохимическая проекция молекулы с нумерацией атомов и с сохранением конформаций гуанидинового (с атомами азота) и диоксоадамантановых (с атомами углерода и кислорода) циклов. б — Модельная проекция ТТХ. Атомы углерода, азота, кислорода и водорода отмечены черным, синим, красным и белым цветами соответственно. в — Пространственное представление молекулы ТТХ. Модель составлена по четырем последовательным изображениям, полученным при вращении молекулы вокруг вертикальной оси по часовой стрелке. Атомы кислорода пронумерованы в соответствии с атомами углерода, с которыми они связаны.
О пространственной структуре простейшей (бактериальной) версии такого канала рассказывает статья «О чем не знал Гальвани: пространственная структура натриевого канала» [8], а о природных токсинах, манипулирующих ПЧНК, компьютерном анализе «молекулярной гонки вооружений» и его прикладных задачах — материал «Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов» [9]. — Ред.
Как действует лицензия на убийство?
В рассказе о механизме, на основании которого животные, продуцирующие или аккумулирующие ТТХ, используют «лицензию на убийство», сложно обойтись без образных сравнений. Главное из них касается особенностей взаимодействия токсина с ПЧНК: благодаря уникальной химической структуре токсин выступает в качестве «молекулярной пробки», физически закупоривающей натриевые каналы. Для этого его гуанидиновая группа на правах небольшого органического катиона проникает внутрь поры канала, однако ее дальнейшее продвижение оказывается невозможным. Виной тому — массивная «задняя» часть молекулы, которая застревает внутри поры, очень прочно связываясь с ее аминокислотными остатками посредством множества собственных функциональных групп. В таком закупоренном состоянии ток ионов натрия через канал становится невозможным, и клетки теряют способность проводить нервные импульсы. Надежность подобной молекулярной пробки настолько высока, что летальная доза токсина крайне мала — всего 10 мкг/кг для человека [10]. Для сравнения: цианистого калия — самого популярного «детективного» яда — требуется в 100 с лишним раз больше для достижения его летальной дозы — 1,7 мг/кг [11].
Справедливости ради стόит заметить, что не все ПЧНК одинаково чувствительны к ТТХ и не все из них становятся его непосредственными молекулярными «жертвами» при отравлении. Только семь из девяти установленных подтипов ПЧНК обладают достаточной чувствительностью к ТТХ, чтобы взаимодействовать с ним при его наномолярных концентрациях. Остальные два типа каналов также способны к связыванию ТТХ, однако для этого им необходимы в 1000 раз большие концентрации токсина [12]. Подобная неоднородность в чувствительности обусловлена различиями в аминокислотной последовательности разных типов ПЧНК, а точнее — различиями в конкретных их сайтах, необходимых для связывания токсина. Соответственно, «идеальными» участками связывания обладают подтипы ПЧНК, для взаимодействия с которыми требуются крайне малые количества ТТХ. Такие подтипы широко представлены как в центральной (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС), а также в скелетных мышцах [12]. Тем не менее чувствительность к ТТХ — не единственный фактор, ограничивающий круг его «клиентов», которых он стремится «убрать» при отравлении организма.
Ограничения на распространение ТТХ накладывает и способность самой молекулы добираться из кровеносной системы до тех или иных молекулярных мишеней. Например, токсин не способен преодолевать гематоэнцефалический барьер — особый физиологический фильтр между ЦНС и кровеносной системой — и взаимодействовать с ТТХ-чувствительными каналами в ЦНС [12]. Принимая во внимание все эти факторы, удалось установить, что главными мишенями ТТХ при отравлениях служат ТТХ-чувствительные каналы в ПНС и скелетных мышцах. Физическое блокирование именно этих каналов является причиной всех тяжелых симптомов, которыми сопровождается интоксикация ТТХ.
Обычно встреча человека со столь эффективным низкомолекулярным киллером происходит при поедании морепродуктов, по тем или иным причинам содержащих токсин. ТТХ встречается не только в неправильно приготовленной фугу (при создании деликатеса из нее избегают использования наиболее токсичных частей тела — печени и яичников), но и в моллюсках, аккумулирующих токсин благодаря деятельности ТТХ-продуцирующих микроорганизмов.
Симптомы отравления ТТХ обычно проявляются в течение первых шести часов после приема пищи и на начальном этапе включают в себя тошноту, недомогание и онемение конечностей. В более тяжелых случаях уже в течение 40 минут токсин способен вызвать параличи, дыхательную недостаточность и кому с последующим летальным исходом [13]. Именно с возникновением дыхательной недостаточности вследствие паралича дыхательных мышц и связаны смертельные случаи отравления токсином. И наконец последний штрих к портрету идеального убийцы — отсутствие к нему антидота, который можно было бы вводить пациентам при отравлениях ТТХ. В таком случае уберечь человека от печального исхода может только скорейшая госпитализация и подключение к аппарату искусственной вентиляции легких. К счастью, в большинстве случаев это удается сделать вовремя, и с 2006 по 2009 год из 183 зафиксированных случаев отравления в Японии только семь закончились плачевно [14]. Тем не менее ТТХ по-прежнему остается опасным нейротоксином, и встреча с ним в каком-нибудь японском ресторане не сулит ничего хорошего.
Как заставить плохого парня работать на благо общества?
Как мы выяснили, еще в 50-х годах прошлого века исследователи смогли превратить опасный тетродотоксин в ценнейший молекулярный инструмент, позволивший сделать несколько важных открытий в нейрофизиологии. Однако на этом полезный потенциал «плохого парня» не заканчивается, и токсин обладает еще целым рядом особенностей, благодаря которым его можно плодотворно использовать, например, в медицине. Чтобы понять, каким образом можно направить тетродотоксин на «праведный путь», стόит вспомнить, что ПЧНК являются непосредственными участниками формирования и передачи болевых сигналов [15]. Потому логичным терапевтическим предназначением ТТХ может стать купирование болевых состояний (рис. 3). А именно — нейропатических болей, которые обусловлены патологическим возбуждением нейронов, ответственных за реакцию на различные физические повреждения. Именно для этого типа боли лучше всего установили роль ТТХ-чувствительных ПЧНК в ЦНС и ПНС и показали максимальную эффективность ТТХ в экспериментах с мышами [16], [17].
Рисунок 3. Возможный механизм действия ТТХ при нейропатических болях. При таком типе болей чувствительные нейроны могут создавать внезапный очаг потенциалов действия — предположительно, путем повторной экспрессии Nav1.3, одного из подтипов ТТХ-чувствительных ПЧНК. Потенциал действия распространяется вдоль аксона и активирует потенциал-чувствительные кальциевые каналы, что приводит к высвобождению нейромедиаторов в синаптическую щель. Нейромедиаторы, в свою очередь, активируют рецепторы постсинаптической мембраны нейронов задних рогов спинного мозга и таким образом осуществляют передачу болевого сигнала. Токсин за счет блокирования Nav1.3 может препятствовать возникновению очага потенциалов действия и предотвращать появление и распространение боли.
Среди людей, страдающих от нейропатических болей, целевой группой для ТТХ-терапии являются онкобольные, проходящие длительный курс химиотерапии. Это связано с тем, что противоопухолевые препараты способны провоцировать сильные устойчивые боли, проявляющиеся аллодинией (ощущением боли после стимуляции, обычно не вызывающей боль, например температурной или тактильной) и гипералгезией (аномально высокой чувствительностью к болевым стимулам).
Доклинические испытания ТТХ в качестве анальгетика показали, что характерные боли (например, механическая аллодиния и тепловая гипералгезия), появляющиеся у мышей при введении им противоопухолевого (цитостатического) препарата паклитаксела, сильно ослабевают при использовании малых количеств ТТХ (1–6 мкг/кг). Кроме того, некоторые болевые состояния могут исчезать полностью, если ТТХ вводится за три часа до инъекции цитостатика [18].
Клинические испытания, в которых участвовали онкопациенты, также показали обнадеживающие результаты: после четырехдневного курса инъекций ТТХ (дозировка в пределах 15–90 мкг тщательно подбиралась врачом) боли значительно уменьшались на срок до двух и более недель. Несмотря на то, что у некоторых пациентов наблюдались побочные эффекты, такие как слабость и тошнота, они проявлялись в легкой форме и недолго [19]. Дополнительно обезболивающий эффект ТТХ сравнили с эффектом морфия, уже давно используемого в качестве анальгетика для онкобольных. У мышей токсин уменьшал нейропатические боли так же эффективно, однако, в отличие от морфия, не вызывал при этом седацию (легкое подавление сознания) и двигательные и дыхательные нарушения [20].
Похожий вариант использования ТТХ в медицине — это местная анестезия. Местные анестетики понижают или полностью подавляют возбудимость чувствительных нервных окончаний в слизистых оболочках, коже и других тканях при непосредственном контакте. Одной из первых моделей, на которой удалось проверить действие ТТХ как анестетика длительного действия, послужила деэпителизация роговицы кролика. Исследователи механически удаляли центральный эпителий роговицы, затем закапывали в нижний конъюнктивальный мешок ТТХ в различной концентрации и в течение 24 часов тщательно отслеживали реакцию глаза на раздражение (мигание, сужение зрачка). Было отмечено, что в концентрации 10 ммоль/л ТТХ давал сильный обезболивающий эффект, длящийся до восьми часов, и при этом не вызывал раздражение глаз, утолщение роговицы и системную токсичность. Для сравнения: эффект пропаракаина — популярного в офтальмологии местного анестетика — держался всего в течение часа. Таким образом, эти исследования демонстрируют возможность применения ТТХ в фоторефракционной кератэктомии (одном из основных видов лазерной коррекции зрения) [21].
Еще одной интересной особенностью ТТХ является его способность продлять действие ряда других местных анестетиков, иными словами — обеспечивать длительную аналгезию после завершения действия анестетика. Например, в сочетании с одним из сильнейших препаратов, бупивакаином, ТТХ способен обеспечивать блокировку тепловой болевой чувствительности у крыс в течение почти 15 часов, в отличие от трех часов при использовании только бупивакаина. Применение ТТХ в комбинации с бупивакаином также позволило снизить довольно ощутимую токсичность последнего [22].
Пара белых пятен в истории очаровательного убийцы
Завершая многогранную историю ТТХ, нельзя не упомянуть, что, несмотря на более чем столетнее изучение свойств смертельного нейротоксина с потенциально благородными намерениями, некоторые страницы его биографии до сих пор остаются недописанными.
Например, доподлинно неизвестно его биологическое происхождение — на статус первичного звена в тетродотоксинном производстве претендует одновременно несколько кандидатов (рис. 4). И главные из них — микроорганизмы, продуцирующие ТТХ и обнаруженные у различных ТТХ-содержащих животных. Прокариотические ТТХ-продуценты чрезвычайно разнообразны — они относятся более чем к 10 различным родам [23]. Считается, что эти микробы попадают в животных-хозяев по пищевым цепям либо состоят с ними в симбиотических отношениях. Тем не менее стройную и красивую теорию о микробиологическом происхождении токсина крайне некрасиво нарушает калифорнийский тритон, в котором, несмотря на его чрезвычайную ядовитость, подобные бактерии так и не были найдены [24]. Тритон умудряется водить за нос исследователей еще и потому, что в экспериментах, призванных показать, что синтез токсина происходит в организме животного de novo (то есть осуществляется самим животным), тоже был получен отрицательный результат [25]. Каким образом самый ядовитый наземный носитель ТТХ получает этот нейротоксин, остается загадкой.
Рисунок 4. Возможные первичные и вторичные источники тетродотоксина. а — Калифорнийский тритон — самое ядовитое наземное животное, содержащее ТТХ. Чтобы доказать, что токсин способен синтезироваться в организме животного de novo, в ряде экспериментов тритонов сажали на специальную диету, содержащую радиоактивно меченные предполагаемые предшественники ТТХ. К глубокому сожалению исследователей, радиометки в итоге находили во многих вторичных метаболитах тритона, но только не в ТТХ [23]. Нельзя исключить, что в организме животного токсин синтезируется каким-то альтернативным образом с участием других прекурсоров, однако такие пути биосинтеза ученым неизвестны. б — Голубой кольчатый осьминог и рыба фугу — известнейшие морские «аккумуляторы» ТТХ, в которых токсин вырабатывают бактерии-симбионты. в — Штаммы микроорганизмов, обнаруженные в коже калифорнийского тритона. Удивительно, но в эксперименте ни один из них не синтезировал ТТХ тритона
Другим белым пятном в истории изучения токсина является почти полное отсутствие данных о генах ферментов, участвующих в его биосинтезе. Да и вообще этот биохимический каскад пока только гипотетический (и не лишенный альтернатив): белки, принимающие в нём участие, вычислены на основе данных о структуре самого токсина (рис. 5). Предполагается, что в сборке молекулы ТТХ могут быть задействованы две группы ферментов, каждая из которых отдельно формирует один из двух фрагментов токсина. Первая группа собирает гуанидиновый цикл ТТХ, используя в качестве предшественника аргинин — аминокислоту, служащую типичным донором гуанидиновой группы в биосинтезе различных метаболитов. Другая группа ферментов трудится над созданием уникального клеткообразного углеродного скелета молекулы, складывая его из разных предполагаемых «кирпичиков» — изопентенилпирофосфата (классического прекурсора, участвующего в биосинтезе огромного количества соединений, включая холестерин) или апиозы (типичного восстанавливающего сахара, обладающего, как и ТТХ, большим количеством асимметрических центров). Но несмотря на все теоретические построения, реальные ферменты, участвующие в биосинтезе токсина, до сих пор неизвестны [2].
Рисунок 5. Один из предполагаемых путей биосинтеза ТТХ. Синим отмечен фрагмент, состоящий из гуанидиновой группы и небольшого углеродного «хвоста», который образует часть адамантановой структуры. Универсальным донором фрагмента является аргинин. Красным выделен другой участок адамантанового фрагмента, который может иметь несколько возможных предшественников. а — Апиоза — типичный восстанавливающий моносахарид. б — Изопентенилпирофосфат (РР) — классический прекурсор в синтезе ряда природных соединений.
И наконец, тетродотоксин замешан в совершенно фантастических историях типа мифов о гаитянских зомби, в которых жрецы Вуду с помощью специальных отваров якобы превращают обычных островитян. В 80-х годах прошлого века этноботаник и путешественник Вэйд Дэвис выдвинул гипотезу о том, что именно ТТХ, который попадает в отвар из печени приготовляемой рыбы фугу, ответственен за превращение людей в «живых мертвецов» — он вызывает у них некоторые характерные для фольклорных зомби проявления: нарушение двигательной и рефлекторной активности, частичный паралич конечностей, трупный запах и т.д. (рис. 6) [26]. В своей гипотезе Дэвис опирался на то, что часть этих проявлений была очень похожа на симптомы отравления ядом рыбы фугу. Однако ряд скептически настроенных исследователей в конце 1980-х — начале 2000-х годов развенчал эту гипотезу, показав присутствие в «магическом зелье» лишь очень незначительных количеств ТТХ, недостаточных для проявления каких-либо серьезных физиологических эффектов [27], [28]. Вышедшие работы так и не пролили свет на популярный миф о зомби, создаваемых магией Вуду, однако показали непричастность токсина ко всей этой странной истории.
Рисунок 6. Городская легенда о причастности тетродотоксина к фольклору о гаитянских зомби. Книга Вэйда Дэвиса «Passage of darkness: the ethnobiology of the Haitian zombie», вышедшая в 1985 году и впервые приписавшая тетродотоксину роль в создании «живых мертвецов», имела большой успех. Даже несмотря на последующие статьи, остро критикующие выводы Дэвиса, легенда о тетродотоксине, превращающем темнокожих гаитянцев в зомби, прочно закрепилась в массовой культуре и до сих пор популярна. а — Карикатура на книгу Дэвиса в американской интернет-газете The Straight Dope. б — «Марш зомби», проходивший в Техасе (США) в октябре 2009 года в рамках акции, организованной Zombie Rights Campaign — пародийным движением активистов, занимающихся защитой прав зомби в США.