La tetrodotoxina ( TTX ) es una potente neurotoxina . Su nombre deriva de Tetraodontiformes , un orden que incluye al pez globo , al pez puercoespín , al pez luna y al pez ballesta ; varias de estas especies son portadoras de la toxina. Aunque la tetrodotoxina se descubrió en estos peces, se encuentra en varios otros animales (por ejemplo, en pulpos de anillos azules , tritones de piel áspera y caracoles lunares ). También es producida por ciertas bacterias infecciosas o simbióticas como Pseudoalteromonas , Pseudomonas y Vibrio , así como otras especies que se encuentran en relaciones simbióticas con animales y plantas. [1] [2]
Aunque produce miles de intoxicaciones anualmente y varias muertes, [3] ha demostrado eficacia para el tratamiento del dolor relacionado con el cáncer en ensayos clínicos de fase II y III. [4]
La tetrodotoxina es un bloqueador de los canales de sodio . Inhibe la activación de potenciales de acción en las neuronas al unirse a los canales de sodio dependientes del voltaje en las membranas de las células nerviosas y bloquear el paso de iones de sodio (responsables de la fase ascendente de un potencial de acción) a la neurona. Esto impide que el sistema nervioso transmita mensajes y, por lo tanto, que los músculos se contraigan en respuesta a la estimulación nerviosa. [5]
Su mecanismo de acción –bloqueo selectivo del canal de sodio– fue demostrado definitivamente en 1964 por Toshio Narahashi y John W. Moore en la Universidad de Duke , utilizando la técnica de pinzamiento de voltaje de brecha de sacarosa . [6]
Aparte de sus especies bacterianas de probable origen biosintético final (ver más abajo), la tetrodotoxina se ha aislado de especies animales muy diferentes, entre ellas: [1]
En 1964, Mosher et al. demostraron que la tarichatoxina era idéntica a la TTX, [12] [13] y la identidad de la maculotoxina y la TTX se informó en Science en 1978, [14] y la sinonimia de estas dos toxinas está respaldada por informes modernos (por ejemplo, en Pubchem [15] y en libros de texto de toxicología modernos [16] ), aunque las monografías históricas que cuestionan esto continúan en reimpresión. [17]
Los animales utilizan la toxina de diversas formas como biotoxina defensiva para protegerse de la depredación , o como veneno defensivo y depredador (por ejemplo, en pulpos, quetognatos y gusanos cinta ). [18] Aunque la toxina actúa como un mecanismo de defensa, algunos depredadores como la serpiente de liga común han desarrollado insensibilidad a la TTX, lo que les permite cazar tritones tóxicos . [19]
La asociación de TTX con poblaciones bacterianas consumidas, infectantes o simbióticas dentro de la especie animal de la que se aísla es relativamente clara; [1] la presencia de bacterias productoras de TTX dentro del microbioma de un animal se determina mediante métodos de cultivo, la presencia de la toxina mediante análisis químico y la asociación de las bacterias con la producción de TTX mediante un ensayo de toxicidad de los medios en los que se cultivan las bacterias sospechosas. [2] Como señalan Lago et al., "existe buena evidencia de que la absorción de bacterias productoras de TTX es un elemento importante de la toxicidad de TTX en animales marinos que presentan esta toxina". [2] Las bacterias productoras de TTX incluyen Actinomyces , Aeromonas , Alteromonas , Bacillus , Pseudomonas y especies de Vibrio ; [2] en los siguientes animales, se han implicado especies bacterianas específicas: [a]
La asociación de las especies bacterianas con la producción de la toxina es inequívoca – Lago y colaboradores afirman, "[l]as bacterias simbióticas endocelulares han sido propuestas como una posible fuente de TTX eucariota por medio de una vía exógena", [2] y Chau y colaboradores señalan que la "amplia aparición de TTX en organismos filogenéticamente distintos... sugiere fuertemente que las bacterias simbióticas juegan un papel en la biosíntesis de TTX" [1] – aunque la correlación se ha extendido a la mayoría pero no a todos los animales en los que se ha identificado la toxina. [1] [2] [5] Por el contrario, ha habido un fracaso en un solo caso, el de los tritones ( Taricha granulosa ), para detectar bacterias productoras de TTX en los tejidos con los niveles más altos de toxina ( piel , ovarios , músculo ), utilizando métodos de PCR , [24] aunque se han planteado preocupaciones técnicas sobre el enfoque. [1] Un aspecto crítico para el argumento general es que los peces globo Takifugu rubripes capturados y criados en laboratorio con dietas controladas y sin TTX "pierden toxicidad con el tiempo", mientras que los peces globo Takifugu niphobles cultivados y sin TTX alimentados con dietas que contenían TTX vieron aumentar la TTX en los hígados de los peces hasta niveles tóxicos. [1] Por lo tanto, como las especies bacterianas que producen TTX están ampliamente presentes en los sedimentos acuáticos, se argumenta con fuerza que la ingestión de TTX y/o bacterias productoras de TTX, con acumulación y posible colonización y producción posteriores. [1] Sin embargo, sin vías biosintéticas claras (aún no se han encontrado en animales, pero se ha demostrado para las bacterias), [25] sigue siendo incierto si es simplemente a través de las bacterias que cada animal acumula TTX; la pregunta sigue siendo si las cantidades se pueden explicar suficientemente por ingestión, ingestión más colonización o algún otro mecanismo. [1] [2] [5]
La tetrodotoxina se une al sitio 1 del canal de sodio dependiente de voltaje rápido . [26] El sitio 1 está ubicado en la abertura del poro extracelular del canal iónico. Cualquier molécula unida a este sitio bloqueará la entrada de iones de sodio a la célula nerviosa a través de este canal (que es, en última instancia, necesario para la conducción nerviosa). La saxitoxina , la neosaxitoxina y varias de las conotoxinas también se unen al mismo sitio. [27]
El uso de esta toxina como sonda bioquímica ha dilucidado dos tipos distintos de canales de sodio dependientes de voltaje (VGSC) presentes en mamíferos: canales de sodio dependientes de voltaje sensibles a la tetrodotoxina (canales de Na+ TTX-s ) y canales de sodio dependientes de voltaje resistentes a la tetrodotoxina (canales de Na+ TTX-r ) . La tetrodotoxina inhibe los canales de Na + TTX-s en concentraciones de alrededor de 1-10 nM, [28] mientras que se requieren concentraciones micromolares de tetrodotoxina para inhibir los canales de Na + TTX-r . [29] Las células nerviosas que contienen canales de Na+ TTX-r se encuentran principalmente en el tejido cardíaco , mientras que las células nerviosas que contienen canales de Na + TTX-s dominan el resto del cuerpo.
Históricamente, la TTX y sus análogos han sido agentes importantes para su uso como compuestos de herramientas químicas, para su uso en la caracterización de canales y en estudios fundamentales de la función de los canales. [30] [31] La prevalencia de los canales de Na + de TTX-s en el sistema nervioso central hace que la tetrodotoxina sea un agente valioso para el silenciamiento de la actividad neuronal dentro de un cultivo celular .
La ruta biosintética de la TTX solo se conoce parcialmente. Se sabe desde hace tiempo que la molécula está relacionada con la saxitoxina y, a partir de 2011, se cree que existen rutas separadas para la TTX acuática (bacteriana) y terrestre (tritón). [32] En 2020, nuevos intermediarios encontrados en tritones sugieren que la síntesis comienza con geranil guanidina en el anfibio; estos intermediarios no se encontraron en animales acuáticos que contienen TTX, lo que respalda la teoría de la ruta separada. [33] En 2021, se produjo el primer genoma de una bacteria productora de TTX. Este " Bacillus sp. 1839" fue identificado como Cytobacillus gottheilii utilizando su secuencia de ARNr. El investigador responsable de este estudio aún no ha identificado una ruta coherente, pero espera hacerlo en el futuro. [34]
Los animales que acumulan TTX como mecanismo de defensa, así como sus depredadores, deben evolucionar para ser resistentes a los efectos de la TTX. En muchos de estos animales se han encontrado mutaciones en los genes VGSC, especialmente en los genes para Na v 1.4 (VGSC del músculo esquelético, "TTX-s" [35] ). [36] Estas mutaciones han surgido de forma independiente varias veces, incluso varias veces en diferentes poblaciones de la misma especie, como se ha visto en la serpiente de liga. Consisten en diferentes sustituciones de aminoácidos en posiciones similares, un ejemplo débil de evolución convergente causada por la forma en que la TTX se une a las VGSC no mutadas. [36]
Otra vía de resistencia a la TTX son las proteínas que se unen a la toxina y que la retienen con la suficiente fuerza como para impedir que llegue a las células madre vasculares vulnerables. Se han encontrado varias proteínas que se unen a la TTX en peces globo, cangrejos y gasterópodos. También hay proteínas que se unen a la saxitoxina (STX), una toxina con un modo de acción similar. [36]
En 1964, un equipo de científicos dirigido por Robert B. Woodward dilucidó la estructura de la tetrodotoxina. [37] La estructura fue confirmada por cristalografía de rayos X en 1970. [38] Yoshito Kishi y colaboradores informaron la primera síntesis total de tetrodotoxina racémica en 1972. [39] [40] M. Isobe y colaboradores [41] [42] [43] y J. Du Bois informaron la síntesis total asimétrica de tetrodotoxina en 2003. [44] Las dos síntesis de 2003 utilizaron estrategias muy diferentes, con la ruta de Isobe basada en un enfoque de Diels-Alder y el trabajo de Du Bois utilizando la activación del enlace C–H . Desde entonces, los métodos han avanzado rápidamente, y se han desarrollado varias estrategias nuevas para la síntesis de tetrodotoxina. [45] [46]
La TTX es extremadamente tóxica. La hoja de datos de seguridad del material para la TTX indica que la dosis letal media oral ( LD50 ) para ratones es de 334 μg por kg. [47] A modo de comparación, la LD50 oral del cianuro de potasio para ratones es de 8.500 μg por kg, [48] lo que demuestra que incluso por vía oral, la TTX es más venenosa que el cianuro . La TTX es aún más peligrosa si se administra por vía intravenosa; la cantidad necesaria para alcanzar una dosis letal por inyección es de 8 μg por kg en ratones. [49]
La toxina puede ingresar al cuerpo de una víctima por ingestión , inyección o inhalación , o a través de una piel raspada. [50]
La intoxicación que se produce como consecuencia del consumo de peces del orden Tetraodontiformes es extremadamente grave. Los órganos (por ejemplo, el hígado) del pez globo pueden contener niveles de tetrodotoxina suficientes para producir la parálisis descrita del diafragma y la muerte correspondiente debido a insuficiencia respiratoria . [51] La toxicidad varía entre especies y en diferentes estaciones y localidades geográficas, y la carne de muchos peces globo puede no ser peligrosamente tóxica. [5]
El mecanismo de toxicidad es a través del bloqueo de los canales rápidos de sodio dependientes del voltaje, que son necesarios para la transmisión normal de señales entre el cuerpo y el cerebro. [52] Como resultado, la TTX causa pérdida de sensibilidad y parálisis de los músculos voluntarios, incluido el diafragma y los músculos intercostales, deteniendo la respiración. [53]
Los usos terapéuticos de los huevos de pez globo ( tetraodon ) se mencionaron en la primera farmacopea china Pen-T'so Ching (El libro de las hierbas, supuestamente 2838-2698 a. C. por Shennong ; pero es más probable que sea de una fecha posterior ), donde se clasificaron como de toxicidad "media", pero podrían tener un efecto tónico cuando se usaban en la dosis correcta. El uso principal era "para detener enfermedades convulsivas". [30] En el Pen-T'so Kang Mu (Index Herbacea o The Great Herbal por Li Shih-Chen, 1596) también se reconocieron algunos tipos de pez Ho-Tun (el nombre chino actual para el tetraodon ) como tóxicos pero, en la dosis correcta, útiles como parte de un tónico. Se observó una mayor toxicidad en Ho-Tun en peces capturados en el mar (en lugar de ríos) después del mes de marzo. Se reconoció que las partes más venenosas eran el hígado y los huevos, pero que la toxicidad se podía reducir remojando los huevos. [30] (La tetrodotoxina es ligeramente soluble en agua y soluble a 1 mg/ml en soluciones ligeramente ácidas). [54]
El médico alemán Engelbert Kaempfer , en su "Historia de Japón" (traducida y publicada en inglés en 1727), describió lo conocidos que eran los efectos tóxicos del pescado, hasta el punto de que se lo utilizaba para suicidarse y que el Emperador decretó específicamente que a los soldados no se les permitía comerlo. [55] También hay evidencia de otras fuentes de que el conocimiento de dicha toxicidad estaba muy extendido en todo el sudeste asiático y la India. [30]
Los primeros casos registrados de envenenamiento por TTX que afectaron a occidentales aparecen en los registros del capitán James Cook del 7 de septiembre de 1774. [51] En esa fecha, Cook registró que su tripulación comió algunos peces tropicales locales (pez globo) y luego alimentó con los restos a los cerdos que se encontraban a bordo. La tripulación experimentó entumecimiento y falta de aliento, mientras que los cerdos fueron encontrados muertos a la mañana siguiente. En retrospectiva, está claro que la tripulación sobrevivió a una dosis leve de tetrodotoxina, mientras que los cerdos comieron las partes del cuerpo del pez globo que contienen la mayor parte de la toxina, por lo que resultaron fatalmente envenenados.
La toxina fue aislada y nombrada por primera vez en 1909 por el científico japonés Dr. Yoshizumi Tahara. [2] [56] [51] Fue uno de los agentes estudiados por la Unidad 731 de Japón , que evaluó armas biológicas en sujetos humanos en la década de 1930. [57]
El diagnóstico de intoxicación por pez globo se basa en la sintomatología observada y en el historial dietético reciente. [58]
Los síntomas suelen desarrollarse dentro de los 30 minutos siguientes a la ingestión, pero pueden retrasarse hasta cuatro horas; sin embargo, si la dosis es mortal, los síntomas suelen estar presentes dentro de los 17 minutos siguientes a la ingestión. [51] A la sensación de hormigueo en los labios y la lengua le sigue el desarrollo de hormigueo en las extremidades, hipersalivación , sudoración , dolor de cabeza, debilidad, letargo, falta de coordinación , temblor , parálisis, piel azulada , pérdida de la voz , dificultad para tragar y convulsiones . Los síntomas gastrointestinales suelen ser graves e incluyen náuseas , vómitos , diarrea y dolor abdominal ; la muerte suele ser secundaria a insuficiencia respiratoria . [53] [58] Hay una creciente dificultad respiratoria , el habla se ve afectada y la víctima suele presentar dificultad para respirar , dilatación excesiva de las pupilas y presión arterial anormalmente baja . La parálisis aumenta y pueden producirse convulsiones , deterioro mental y latidos cardíacos irregulares . La víctima, aunque esté completamente paralizada, puede estar consciente y, en algunos casos, completamente consciente hasta poco antes de la muerte, que generalmente ocurre dentro de las 4 a 6 horas (rango de ~20 minutos a ~8 horas). Sin embargo, algunas víctimas entran en coma . [53] [59]
Si el paciente sobrevive 24 horas, la recuperación sin secuelas generalmente ocurrirá en unos pocos días. [58]
La terapia es de apoyo y se basa en los síntomas, con un manejo agresivo de las vías respiratorias tempranas. [51] Si se consume, el tratamiento puede consistir en vaciar el estómago, alimentar a la víctima con carbón activado para que se una a la toxina y tomar medidas estándar de soporte vital para mantener a la víctima con vida hasta que el efecto del veneno haya desaparecido. [51] Se recomiendan agonistas alfa adrenérgicos además de líquidos intravenosos para aumentar la presión arterial; los agentes anticolinesterásicos "se han propuesto como una opción de tratamiento pero no se han probado adecuadamente". [59]
No se ha desarrollado ni aprobado ningún antídoto para uso humano, pero un informe de investigación primaria (resultado preliminar) indica que USAMRIID está desarrollando un anticuerpo monoclonal específico para la tetrodotoxina que fue eficaz, en un estudio, para reducir la letalidad de la toxina en pruebas con ratones. [60]
Las intoxicaciones por tetrodotoxina se han asociado casi exclusivamente con el consumo de pez globo de aguas de las regiones del océano Indo-Pacífico, principalmente porque los peces globo igualmente tóxicos de otras regiones se comen con mucha menos frecuencia. No obstante, varios casos reportados de intoxicaciones, incluidas muertes, involucraron a peces globo del océano Atlántico, el golfo de México y el golfo de California . No ha habido casos confirmados de tetrodotoxicidad del pez globo del Atlántico, Sphoeroides maculatus , pero tres estudios encontraron extractos de peces de esta especie altamente tóxicos en ratones. Varias intoxicaciones recientes de estos peces en Florida se debieron a la saxitoxina , que causa intoxicación paralítica por mariscos con síntomas y signos muy similares. La concha trompeta Charonia sauliae ha sido implicada en intoxicaciones alimentarias, y la evidencia sugiere que contiene un derivado de tetrodotoxina. Se han reportado varios envenenamientos por peces globo mal etiquetados, y al menos un informe de un episodio fatal en Oregon cuando un individuo se tragó un tritón de piel áspera Taricha granulosa en un desafío. [61]
En 2009, se desató una gran alarma en la región de Auckland , en Nueva Zelanda, después de que varios perros murieran al comer Pleurobranchaea maculata (babosa de mar de agallas laterales grises) en las playas. [62] Se pidió a los niños y a los dueños de mascotas que evitaran las playas, y también se interrumpió la pesca recreativa durante un tiempo. Después de un análisis exhaustivo, se descubrió que las babosas marinas debían haber ingerido tetrodotoxina. [63]
Las estadísticas de la Oficina de Bienestar Social y Salud Pública de Tokio indican que entre 1996 y 2006 se produjeron entre 20 y 44 casos de envenenamiento por fugu al año en todo el país, lo que provocó entre 34 y 64 hospitalizaciones y entre 0 y 6 muertes al año, lo que supone una tasa de mortalidad media del 6,8%. [64] De los 23 incidentes registrados en Tokio entre 1993 y 2006, solo uno tuvo lugar en un restaurante, mientras que los demás implicaban a pescadores que comían su pesca. [64] Entre 2006 y 2009, en Japón se produjeron 119 incidentes en los que participaron 183 personas, pero solo siete murieron. [65]
En los Estados Unidos sólo se han registrado unos pocos casos y los brotes en países fuera de la zona del Indopacífico son raros. En Haití se creía que la tetrodotoxina se había utilizado en preparaciones vudú , en los llamados venenos para zombis . Sin embargo, análisis posteriores cuidadosos han puesto repetidamente en tela de juicio los primeros estudios por razones técnicas y no han logrado identificar la toxina en ninguna preparación. [66] [67] [68] Por lo tanto, el debate sobre el tema ha desaparecido prácticamente de la literatura primaria desde principios de los años 1990. Kao y Yasumoto concluyeron en el primero de sus artículos de 1986 que "la afirmación ampliamente difundida en la prensa no especializada de que la tetrodotoxina es el agente causal del proceso inicial de zombificación carece de fundamento fáctico". [66] : 748
Los antecedentes genéticos no son un factor de susceptibilidad a la intoxicación por tetrodotoxina. Esta toxicosis se puede evitar evitando el consumo de especies animales que se sabe que contienen tetrodotoxina, principalmente el pez globo; los seres humanos no suelen consumir otras especies tetrodotóxicas.
La intoxicación por tetrodotoxina es un problema de salud pública especialmente grave en Japón, donde el fugu es un manjar tradicional. Se prepara y se vende en restaurantes especiales donde cocineros capacitados y autorizados retiran con cuidado las vísceras para reducir el peligro de intoxicación. [69] Existe la posibilidad de que se produzcan errores de identificación y etiquetado, en particular en el caso de productos de pescado preparados y congelados.
El bioensayo en ratones desarrollado para la intoxicación paralizante por mariscos (PSP) se puede utilizar para controlar la tetrodotoxina en el pez globo y es el método de elección actual. Se ha desarrollado un método de HPLC con reacción post-columna con álcali y fluorescencia para determinar la tetrodotoxina y sus toxinas asociadas. Los productos de degradación del álcali se pueden confirmar como sus derivados trimetilsilílicos mediante cromatografía de gases/espectrometría de masas. [ cita requerida ]
La tetrodotoxina se puede cuantificar en suero, sangre total u orina para confirmar un diagnóstico de intoxicación en pacientes hospitalizados o para ayudar en la investigación forense de un caso de sobredosis fatal. La mayoría de las técnicas analíticas implican la detección mediante espectrometría de masas tras la separación cromatográfica de gases o líquidos. [70]
Se ha investigado la tetrodotoxina como posible tratamiento para el dolor asociado al cáncer. Los primeros ensayos clínicos demuestran un alivio significativo del dolor en algunos pacientes. [71] [72]
También se ha estudiado en relación con las migrañas . Las mutaciones en un canal de Na + sensible a TTX en particular están asociadas con algunas migrañas , [73] aunque no está claro si esto tiene alguna relevancia terapéutica para la mayoría de las personas con migraña. [74]
La tetrodotoxina se ha utilizado clínicamente para aliviar los efectos negativos asociados con la abstinencia de heroína . [75]
En los EE. UU., la tetrodotoxina aparece en la lista de agentes selectos del Departamento de Salud y Servicios Humanos [ 76] y los científicos deben registrarse en el HHS para usar tetrodotoxina en sus investigaciones. Sin embargo, los investigadores que poseen menos de 500 mg están exentos de la regulación. [77]
La tetrodotoxina sirve como un dispositivo de trama para que los personajes simulen la muerte, como en las películas Hello Again (1987), The Serpent and the Rainbow (1988), The A-Team (2010) y Captain America: The Winter Soldier (2014), War (2019), y en episodios de " Jane the Virgin ", Miami Vice (1985), [78] Nikita , MacGyver Temporada 7, Episodio 6, donde el antídoto es la hoja de Datura stramonium , CSI: NY (Temporada 4, episodio 9 "Boo") y Chuck . En Law Abiding Citizen (2009) y Alex Cross (2012), su parálisis se presenta como un método para ayudar a la tortura. La toxina también fue referenciada en "forma sintética" en el S1E2 de la serie " FBI ". La toxina se usa como arma tanto en la segunda temporada de Archer , en Covert Affairs y en el episodio n.° 9 de Inside , " El enigma de la esfinge ". [79] [80] En Columbo, episodio 2 de la temporada 7, se usa fugu para matar a la víctima del antagonista. Columbo (temporada 7) En la novela ligera The Apothecary Diaries , así como en las respectivas adaptaciones de manga [81] [82] y anime [83] [84] , la toxina fugu se encuentra en múltiples arcos misteriosos.
Basándose en la presunción de que la tetrodotoxina no siempre es mortal, pero en dosis casi letales puede dejar a una persona extremadamente enferma y permanecer consciente, [58] se ha alegado que la tetrodotoxina produce zombismo y se ha sugerido como ingrediente en las preparaciones vudú haitianas . [85] Esta idea apareció por primera vez en el libro de no ficción de 1938 Tell My Horse de Zora Neale Hurston en el que había múltiples relatos de supuestos envenenamientos por tetrodotoxina en Haití por un hechicero vudú llamado bokor . [86] Estas historias fueron popularizadas más tarde por el etnobotánico formado en Harvard Wade Davis [85] en su libro de 1985 y la película de Wes Craven de 1988, ambos titulados The Serpent and the Rainbow . James Ellroy incluye la "toxina del pez globo" como ingrediente en las preparaciones vudú haitianas para producir zombismo y muertes por envenenamiento en su oscura, perturbadora y violenta novela Blood's a Rover . Pero esta teoría ha sido cuestionada por la comunidad científica desde la década de 1990 con base en pruebas basadas en química analítica de múltiples preparaciones y la revisión de informes anteriores (ver arriba). [66] [67] [68]
La maculotoxina, una potente neurotoxina aislada de las glándulas salivales posteriores del pulpo de anillos azules. Hapalochlaena maculosa, ha sido identificada como tetrodotoxina. Este es el primer caso informado en el que se ha descubierto que la tetrodotoxina está presente en un veneno.
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tetrodotoxina bloquea las corrientes de sodio y se cree que tiene potencial como analgésico potente y como agente eficaz en la desintoxicación de la adicción a la heroína sin síntomas de abstinencia y sin producir dependencia física.