La anatoxina-a , también conocida como factor de muerte muy rápida ( VFDF ), es un alcaloide de amina bicíclica secundaria y cianotoxina con neurotoxicidad aguda . Se descubrió por primera vez a principios de la década de 1960 en Canadá y se aisló en 1972. La toxina es producida por múltiples géneros de cianobacterias y se ha informado en América del Norte, América del Sur, América Central, Europa, África, Asia y Oceanía. Los síntomas de toxicidad por anatoxina-a incluyen pérdida de coordinación , fasciculaciones musculares , convulsiones y muerte por parálisis respiratoria . Su modo de acción es a través del receptor nicotínico de acetilcolina (nAchR), donde imita la unión del ligando natural del receptor , la acetilcolina . Como tal, la anatoxina-a se ha utilizado con fines medicinales para investigar enfermedades caracterizadas por niveles bajos de acetilcolina. Debido a su alta toxicidad y su posible presencia en el agua potable, la anatoxina-a representa una amenaza para los animales, incluidos los humanos. Si bien existen métodos para la detección y el tratamiento del agua, los científicos han pedido que se realicen más investigaciones para mejorar la fiabilidad y la eficacia. La anatoxina-a no debe confundirse con la guanitoxina (anteriormente anatoxina-a(S)), otra potente cianotoxina que tiene un mecanismo de acción similar al de la anatoxina-a y es producida por muchos de los mismos géneros de cianobacterias, pero no está relacionada estructuralmente. [1]
La anatoxina-a fue descubierta por primera vez por P.R. Gorham a principios de los años 1960, después de que varias manadas de ganado murieran como resultado de beber agua del lago Saskatchewan en Ontario, Canadá, que contenía floraciones de algas tóxicas . Fue aislada en 1972 por JP Devlin de la cianobacteria Anabaena flos-aquae . [2]
La anatoxina-a es una neurotoxina producida por varios géneros de cianobacterias de agua dulce que se encuentran en cuerpos de agua a nivel mundial. [3] Se sabe que algunas cianobacterias de agua dulce son tolerantes a la sal y, por lo tanto, es posible encontrar anatoxina-a en ambientes estuarinos u otros ambientes salinos. [4] Las floraciones de cianobacterias que producen anatoxina-a entre otras cianotoxinas están aumentando en frecuencia debido al aumento de las temperaturas, la estratificación y la eutrofización debido a la escorrentía de nutrientes. [5] Estas floraciones expansivas de algas nocivas cianobacterianas , conocidas como cianoHAB, aumentan la cantidad de cianotoxinas en el agua circundante, amenazando la salud de los organismos acuáticos y terrestres. [6] Algunas especies de cianobacterias que producen anatoxina-a no producen floraciones en aguas superficiales, sino que forman esteras bentónicas . Se han producido muchos casos de muerte de animales relacionados con la anatoxina-a debido a la ingestión de esteras de cianobacterias bentónicas desprendidas que han llegado a la orilla. [7]
También se han encontrado cianobacterias productoras de anatoxina-a en suelos y plantas acuáticas. La anatoxina-a se absorbe bien en sitios con carga negativa en suelos arcillosos ricos en materia orgánica y débilmente en suelos arenosos. Un estudio encontró anatoxina-a tanto ligada como libre en el 38% de las plantas acuáticas muestreadas en 12 embalses de Nebraska, con una incidencia mucho mayor de anatoxina-a ligada que libre. [8]
En 1977, Carmichael, Gorham y Biggs experimentaron con anatoxina-a. Introdujeron cultivos tóxicos de A. flos-aquae en los estómagos de dos terneros machos jóvenes y observaron que las fasciculaciones musculares y la pérdida de coordinación se producían en cuestión de minutos, mientras que la muerte por insuficiencia respiratoria se producía en cualquier momento entre varios minutos y unas horas. También establecieron que los períodos prolongados de respiración artificial no permitían que se produjera la desintoxicación y se reanudara el funcionamiento neuromuscular natural. A partir de estos experimentos, calcularon que la dosis letal mínima oral (DML) (de las algas, no de la molécula de anatoxina) para los terneros es de aproximadamente 420 mg/kg de peso corporal. [9]
Ese mismo año, Devlin y sus colegas descubrieron la estructura de amina secundaria bicíclica de la anatoxina-a. También realizaron experimentos similares a los de Carmichael et al. en ratones. Descubrieron que la anatoxina-a mata a los ratones entre 2 y 5 minutos después de la inyección intraperitoneal , precedida por espasmos, espasmos musculares, parálisis y paro respiratorio, de ahí el nombre de factor de muerte muy rápida. [10] Determinaron que la LD50 para ratones era de 250 μg/kg de peso corporal. [1]
Los experimentos electrofisiológicos realizados por Spivak et al. (1980) en ranas mostraron que la anatoxina-a es un potente agonista del nAChR de tipo muscular (α 1 ) 2 βγδ. La anatoxina-a indujo un bloqueo neuromuscular despolarizante, contractura del músculo recto abdominal de la rana, despolarización del músculo sartorio de la rana, desensibilización y alteración del potencial de acción. Más tarde, Thomas et al., (1993) a través de su trabajo con subunidades α 4 β 2 nAChR de pollo expresadas en células M 10 de ratón y α 7 nAChR de pollo expresado en ovocitos de Xenopus laevis , demostraron que la anatoxina-a también es un potente agonista del nAChR neuronal. [1]
Los estudios de laboratorio realizados con ratones demostraron que los efectos característicos de la intoxicación aguda por anatoxina-a mediante inyección intraperitoneal incluyen fasciculaciones musculares , temblores, tambaleo, jadeo, parálisis respiratoria y muerte en cuestión de minutos. Los peces cebra expuestos al agua contaminada con anatoxina-a presentaron frecuencias cardíacas alteradas. [11]
Se han dado casos de envenenamiento no letal en humanos que han ingerido agua de arroyos y lagos que contienen varios géneros de cianobacterias capaces de producir anatoxina-a. Los efectos del envenenamiento no letal fueron principalmente gastrointestinales: náuseas, vómitos, diarrea y dolor abdominal. [12] Se informó de un caso de envenenamiento letal en Wisconsin después de que un adolescente saltara a un estanque contaminado con cianobacterias. [13]
La ingestión de agua potable o de agua recreativa contaminada con anatoxina-a puede tener consecuencias fatales, ya que se ha descubierto que la anatoxina-a se absorbe rápidamente a través del tracto gastrointestinal en estudios realizados con animales. [14] Se han registrado docenas de casos de muertes de animales debido a la ingestión de agua contaminada con anatoxina-a procedente de lagos o ríos, y se sospecha que también ha sido la causa de la muerte de un ser humano. [15] Un estudio descubrió que la anatoxina-a es capaz de unirse a los receptores de acetilcolina e inducir efectos tóxicos con concentraciones en el rango nanomolar (nM) si se ingiere. [16]
La exposición dérmica es la forma más probable de contacto con las cianotoxinas en el medio ambiente. Se sabe que la exposición recreativa a aguas de ríos, arroyos y lagos contaminadas con floraciones de algas causa irritación y erupciones cutáneas. [17] El primer estudio que analizó los efectos citotóxicos in vitro de la anatoxina-a en la proliferación y migración de células cutáneas humanas descubrió que la anatoxina-a no ejercía ningún efecto a 0,1 μg/ml o 1 μg/ml, y un efecto tóxico débil a 10 μg/ml solo después de un período prolongado de contacto (48 horas). [18]
Actualmente no hay datos disponibles sobre la toxicidad por inhalación de anatoxina-a, aunque un esquiador acuático sufrió una dificultad respiratoria grave después de inhalar un rocío de agua que contenía otra neurotoxina cianobacteriana, la saxitoxina . [19] Es posible que la inhalación de rocío de agua que contiene anatoxina-a pueda tener consecuencias similares.
La anatoxina-a es un agonista de los receptores de acetilcolina nicotínicos neuronales α 4 β 2 y α 4 presentes en el SNC, así como de los nAchR de tipo muscular (α 1 ) 2 βγδ que están presentes en la unión neuromuscular . [1] (La anatoxina-a tiene una afinidad por estos receptores de tipo muscular que es aproximadamente 20 veces mayor que la de la acetilcolina . [2] ) Sin embargo, la cianotoxina tiene poco efecto sobre los receptores muscarínicos de acetilcolina ; tiene una selectividad 100 veces menor para estos tipos de receptores que para los nAchR. [20] La anatoxina-a también muestra mucha menos potencia en el SNC que en las uniones neuromusculares. En las neuronas del hipocampo y del tronco encefálico, se necesitó una concentración de anatoxina-a de 5 a 10 veces mayor para activar los nAchR que la requerida en el SNP. [20]
En circunstancias normales, la acetilcolina se une a los nAchR en la membrana neuronal postsináptica, lo que provoca un cambio conformacional en el dominio extracelular del receptor que, a su vez, abre el poro del canal. Esto permite que los iones Na + y Ca2 + entren en la neurona, lo que provoca la despolarización celular e induce la generación de potenciales de acción , lo que permite la contracción muscular. El neurotransmisor acetilcolina se disocia entonces del nAchR, donde la acetilcolinesterasa lo escinde rápidamente en acetato y colina . [21]
La unión de la anatoxina-a a estos nAchR provoca los mismos efectos en las neuronas. Sin embargo, la unión de la anatoxina-a es irreversible y el complejo anatoxina-a nAchR no puede ser descompuesto por la acetilcolinesterasa . Por lo tanto, el nAchR queda temporalmente bloqueado en posición abierta, lo que conduce a una sobreestimulación debido a la generación constante de potenciales de acción. [20]
Dos enantiómeros de anatoxina-a, el enantiómero positivo , (+)-anatoxina-a, es 150 veces más potente que el enantiómero negativo sintético, (−)-anatoxina-a. [20] Esto se debe a que (+)-anatoxina-a, la conformación s- cis enona, tiene una distancia de 6,0 Å entre su nitrógeno y su grupo carbonilo , que corresponde bien a la distancia de 5,9 Å que separa el nitrógeno y el oxígeno en la acetilcolina. [1]
El paro respiratorio , que resulta en una falta de suministro de oxígeno al cerebro, es el efecto más evidente y letal de la anatoxina-a. [20] Las inyecciones de ratones, ratas, pájaros, perros y terneros con dosis letales de anatoxina-a han demostrado que la muerte es precedida por una secuencia de fasciculaciones musculares , disminución del movimiento, colapso, respiración abdominal exagerada, cianosis y convulsiones . [2] En ratones, la anatoxina-a también afectó gravemente la presión arterial y la frecuencia cardíaca, y causó acidosis grave . [1]
Desde su descubrimiento se han notificado numerosos casos de muerte de animales salvajes y de ganado. Se han observado muertes de perros domésticos a causa de la cianotoxina, determinadas mediante análisis del contenido estomacal, en la parte baja de la Isla Norte de Nueva Zelanda en 2005, [22] en el este de Francia en 2003, [23] en California (Estados Unidos) en 2002 y 2006, [24] en Escocia en 1992, en Irlanda en 1997 y 2005, [2] en Alemania en 2017 [25] y 2020. [26] En cada caso, los perros empezaron a mostrar convulsiones musculares en cuestión de minutos y murieron en cuestión de horas. Entre 1980 y la actualidad se han notificado numerosas muertes de ganado por el consumo de agua contaminada con cianobacterias productoras de anatoxina-a en Estados Unidos, Canadá y Finlandia. [2]
Un caso particularmente interesante de envenenamiento por anatoxina-a es el de los flamencos enanos del lago Bogoria en Kenia . La cianotoxina, que se identificó en los estómagos y en las heces de las aves, mató a unos 30.000 flamencos en la segunda mitad de 1999 y sigue causando muertes masivas cada año, devastando la población de flamencos. La toxina se introduce en las aves a través del agua contaminada con comunidades de esteras de cianobacterias que surgen de las fuentes termales del lecho del lago. [27]
La primera sustancia biológica inicial para la expansión del tropano en anatoxina-a fue la cocaína , que tiene una estereoquímica similar a la de la anatoxina-a. La cocaína se convierte primero en el isómero endo de un ciclopropano, que luego se escinde fotolíticamente para obtener una cetona alfa, beta insaturada. Mediante el uso de azodicarboxilato de dietilo, la cetona se desmetila y se forma anatoxina-a. Una vía de síntesis similar, más reciente, implica la producción de 2-tropinona a partir de cocaína y el tratamiento del producto con cloroformiato de etilo para producir una cetona bicíclica. Este producto se combina con trimetilsilildiacilmetano, un ácido de Lewis de organoaluminio y trimetilsinil enol éter para producir tropinona. Este método pasa por varios pasos más, produciendo intermediarios útiles, así como anatoxina-a como producto final. [2]
El primer método, y el más ampliamente explorado, utilizado para sintetizar anatoxina-a in vitro, es la ciclización del cicloocteno, que utiliza como fuente inicial el 1,5-ciclooctadieno. Esta sustancia de partida se hace reaccionar para formar metilamina y se combina con ácido hipobromoso para formar anatoxina-a. Otro método desarrollado en el mismo laboratorio utiliza aminoalcohol junto con acetato de mercurio (II) y borohidruro de sodio. El producto de esta reacción se transforma en una alfa, beta cetona y se oxida con azodicarboxilato de etilo para formar anatoxina-a. [2]
Este método para la producción de anatoxina-a fue uno de los primeros que se utilizaron y que no utiliza una sustancia de partida quiméricamente análoga para la formación de anatoxina. En su lugar, se utiliza una mezcla racémica de 3-tropinona con una base de amida de litio quiral y reacciones adicionales de expansión de anillo para producir un intermedio de cetona. La adición de un organocuprato a la cetona produce un derivado de triflato de enol, que luego se lisa hidrogenadamente y se trata con un agente desprotector para producir anatoxina-a. Otros laboratorios también han desarrollado y utilizado estrategias similares. [2]
La ciclización del ion iminio utiliza varias vías diferentes para crear anatoxina-a, pero cada una de ellas produce y progresa con un ion pirrolidina iminio. Las principales diferencias en cada vía se relacionan con los precursores utilizados para producir el ion iminio y el rendimiento total de anatoxina-a al final del proceso. Estas vías separadas incluyen la producción de sales de alquil iminio, sales de acil iminio y sales de tosil iminio. [2]
La metátesis de la anatoxina-a mediante eninas implica el uso de un mecanismo de cierre de anillo y es uno de los avances más recientes en la síntesis de anatoxina-a. En todos los métodos que implican esta vía, se utiliza ácido piroglutámico como material de partida junto con un catalizador de Grubb. De manera similar a la ciclización del iminio, el primer intento de síntesis de anatoxina-a mediante esta vía utilizó una 2,5-cis-pirrolidina como intermediario. [2]
La anatoxina-a se sintetiza in vivo en la especie Anabaena flos-aquae [2] , así como en varios otros géneros de cianobacterias. La anatoxina-a y las estructuras químicas relacionadas se producen utilizando acetato y glutamato. Una reducción enzimática adicional de estos precursores da como resultado la formación de anatoxina-a. La homoanatoxina, una sustancia química similar, es producida por Oscillatoria formosa y utiliza el mismo precursor. Sin embargo, la homoanatoxina sufre una adición de metilo por S-adenosil-L-metionina en lugar de una adición de electrones, lo que da como resultado un análogo similar. [1] El grupo de genes biosintéticos (BGC) para la anatoxina-a se describió a partir de Oscillatoria PCC 6506 en 2009. [28]
La anatoxina-a es inestable en el agua y en otras condiciones naturales y, en presencia de luz ultravioleta, sufre fotodegradación y se convierte en productos menos tóxicos, dihidroanatoxina-a y epoxianatoxina-a. La fotodegradación de la anatoxina-a depende del pH y de la intensidad de la luz solar, pero es independiente del oxígeno, lo que indica que la degradación por la luz no se logra a través del proceso de fotooxidación. [20]
Los estudios han demostrado que algunos microorganismos son capaces de degradar la anatoxina-a. Un estudio realizado por Kiviranta y sus colegas en 1991 demostró que el género bacteriano Pseudomonas era capaz de degradar la anatoxina-a a una velocidad de 2 a 10 μg/ml por día. [29] Experimentos posteriores realizados por Rapala y sus colegas (1994) respaldaron estos resultados. Compararon los efectos de los sedimentos esterilizados y no esterilizados en la degradación de la anatoxina-a a lo largo de 22 días y descubrieron que después de ese tiempo los viales con los sedimentos esterilizados mostraban niveles similares de anatoxina-a a los del comienzo del experimento, mientras que los viales con sedimentos no esterilizados mostraban una disminución del 25 al 48%. [20]
Existen dos categorías de métodos de detección de anatoxina-a. Los métodos biológicos han implicado la administración de muestras a ratones y otros organismos más comúnmente utilizados en pruebas ecotoxicológicas, como el camarón de salmuera ( Artemia salina ), las larvas del crustáceo de agua dulce Thamnocephalus platyurus y varias larvas de insectos. Los problemas con esta metodología incluyen la incapacidad de determinar si es la anatoxina-a u otra neurotoxina la que causa las muertes resultantes. También se necesitan grandes cantidades de material de muestra para tales pruebas. Además de los métodos biológicos, los científicos han utilizado la cromatografía para detectar la anatoxina-a. Esto se complica por la rápida degradación de la toxina y la falta de estándares disponibles comercialmente para la anatoxina-a. [20]
A pesar de la frecuencia relativamente baja de la anatoxina-a en relación con otras cianotoxinas, su alta toxicidad (no se conoce la dosis letal para los humanos, pero se estima que es inferior a 5 mg para un hombre adulto [30] ) significa que todavía se considera una amenaza grave para los organismos terrestres y acuáticos, sobre todo para el ganado y los humanos. Se sospecha que la anatoxina-a ha estado implicada en la muerte de al menos una persona. [15] La amenaza que plantean la anatoxina-a y otras cianotoxinas está aumentando, ya que tanto la escorrentía de fertilizantes, que conduce a la eutrofización de lagos y ríos, como las temperaturas globales más altas contribuyen a una mayor frecuencia y prevalencia de floraciones de cianobacterias. [20]
En 1999, la Organización Mundial de la Salud y la EPA en 2006 llegaron a la conclusión de que no había suficientes datos de toxicidad sobre la anatoxina-a para establecer un nivel formal de ingesta diaria tolerable (IDT), aunque algunos lugares han implementado sus propios niveles. [31] [32]
La anatoxina-a no está regulada por la Ley de Agua Potable Segura , pero los estados pueden crear sus propios estándares para contaminantes que no están regulados. Actualmente hay cuatro estados que han establecido niveles de advertencia para el agua potable para la anatoxina-a, como se ve en la tabla a continuación. [33] El 8 de octubre de 2009, la EPA publicó la tercera Lista de Candidatos a Contaminantes del Agua Potable (CCL, por sus siglas en inglés), que incluía la anatoxina-a (entre otras cianotoxinas), lo que indica que la anatoxina-a puede estar presente en los sistemas públicos de agua, pero no está regulada por la EPA. La presencia de la anatoxina-a en la CCL significa que es posible que la EPA deba regularla en el futuro, a la espera de más información sobre sus efectos en la salud de los seres humanos. [34] [31]
En 2008, el estado de Washington implementó un nivel de asesoramiento recreativo para anatoxina-a de 1 μg/L con el fin de gestionar mejor las floraciones de algas en los lagos y proteger a los usuarios de la exposición a las floraciones. [35]
La provincia canadiense de Quebec tiene un valor máximo aceptado de anatoxina-a en el agua potable de 3,7 μg/L. [36]
Nueva Zelanda tiene un valor máximo aceptado para la anatoxina-a en el agua potable de 6 μg/L. [37]
Hasta el momento, no existe un nivel oficial de referencia para la anatoxina-a, [38] aunque los científicos estiman que un nivel de 1 μg l −1 sería suficientemente bajo. [39] Asimismo, no existen directrices oficiales con respecto a las pruebas de anatoxina-a. Entre los métodos para reducir el riesgo de cianotoxinas, incluida la anatoxina-a, los científicos ven con buenos ojos los métodos de tratamiento biológico porque no requieren tecnología complicada, requieren poco mantenimiento y tienen bajos costos de funcionamiento. Se han probado pocas opciones de tratamiento biológico específicamente para la anatoxina-a, aunque se ha identificado una especie de Pseudomonas , capaz de biodegradar la anatoxina-a a una tasa de 2-10 μg ml −1 d −1 . También se ha probado el carbón activado biológico (granular) (BAC) como método de biodegradación, pero no es concluyente si se produjo biodegradación o si la anatoxina-a simplemente estaba adsorbiendo el carbón activado. [38] Otros han pedido que se realicen estudios adicionales para determinar más sobre cómo utilizar eficazmente el carbón activado. [40]
Los métodos de tratamiento químico son más comunes en el tratamiento de agua potable en comparación con el tratamiento biológico, y se han sugerido numerosos procesos para la anatoxina-a. Los oxidantes como el permanganato de potasio , el ozono y los procesos de oxidación avanzada ( POA ) han funcionado para reducir los niveles de anatoxina-a, pero otros, incluida la fotocatálisis, la fotólisis UV , [40] y la cloración , [41] no han demostrado una gran eficacia.
Otra opción es eliminar directamente las cianobacterias en el proceso de tratamiento del agua mediante un tratamiento físico (por ejemplo, filtración por membrana ), ya que la mayor parte de la anatoxina-a se encuentra dentro de las células cuando la floración está creciendo. Sin embargo, la anatoxina-a se libera de las cianobacterias al agua cuando senescen y se lisan, por lo que el tratamiento físico puede no eliminar toda la anatoxina-a presente. [42] Es necesario realizar investigaciones adicionales para encontrar métodos más confiables y eficientes tanto de detección como de tratamiento. [40]
La anatoxina-a es un agonista muy potente del receptor nicotínico de acetilcolina y, como tal, se ha estudiado ampliamente con fines medicinales. Se utiliza principalmente como sonda farmacológica para investigar enfermedades caracterizadas por niveles bajos de acetilcolina, como la distrofia muscular , la miastenia gravis , la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson . Se están realizando más investigaciones sobre la anatoxina-a y otros análogos menos potentes como posibles sustitutos de la acetilcolina. [2]