La anatoxina-a , también conocida como factor de muerte muy rápida ( VFDF ), es un alcaloide de amina bicíclica secundaria y una 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 la 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 de detección y tratamiento del agua, los científicos han pedido más investigaciones para mejorar la confiabilidad y 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 estructuralmente es no relacionado. [1]
La anatoxina-a fue descubierta por primera vez por PR Gorham a principios de la década de 1960, después de que varios rebaños 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 múltiples géneros de cianobacterias de agua dulce que se encuentran en cuerpos de agua en todo el mundo. [3] Se sabe que algunas cianobacterias de agua dulce son tolerantes a la sal y, por lo tanto, es posible que se encuentre anatoxina-a en estuarios u otros ambientes salinos. [4] La proliferación de cianobacterias que producen anatoxina-a entre otras cianotoxinas está 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 cianobacterianas nocivas , 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 el agua superficial, sino que forman esteras bentónicas . Muchos casos de muertes de animales relacionadas con la anatoxina a se han producido debido a la ingestión de esteras de cianobacterias bentónicas desprendidas que han llegado a la costa. [7]
También se han encontrado cianobacterias productoras de anatoxina a en suelos y plantas acuáticas. La anatoxina-a se absorbe bien en sitios cargados negativamente en suelos arcillosos ricos en materia orgánica y débilmente en suelos arenosos. Un estudio encontró anatoxina-a unida y libre en el 38% de las plantas acuáticas muestreadas en 12 embalses de Nebraska, con una incidencia mucho mayor de anatoxina-a unida que libre. [8]
En 1977, Carmichael, Gorham y Biggs experimentaron con la anatoxina-a. Introdujeron cultivos tóxicos de A. flos-aquae en el estómago 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 entre varios minutos y unas pocas horas. . También establecieron que 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 de espasmos musculares, parálisis y paro respiratorio, de ahí el nombre de factor de muerte muy rápida. [10] Determinaron que la LD50 para ratones era 250 μg/kg de peso corporal. [1]
Experimentos electrofisiológicos realizados por Spivak et al. (1980) en ranas demostraron que la anatoxina-a es un potente agonista del nAChR de tipo muscular (α 1 ) 2 βγδ. Anatoxina: bloqueo neuromuscular despolarizante inducido, contractura del músculo recto abdominal de la rana, despolarización del músculo sartorio de la rana, desensibilización y alteración del potencial de acción. Posteriormente, 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 de nAChR neuronal. [1]
Los estudios de laboratorio con ratones demostraron que los efectos característicos del envenenamiento agudo por anatoxina-a mediante inyección intraperitoneal incluyen fasciculaciones musculares , temblores, tambaleo, jadeos, parálisis respiratoria y muerte en cuestión de minutos. El pez cebra expuesto a anatoxina, un agua contaminada, tenía frecuencia cardíaca alterada. [11]
Ha habido casos de intoxicación 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 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 agua recreativa que esté contaminada con anatoxina-a puede tener consecuencias fatales, ya que en estudios con animales se descubrió que la anatoxina-a se absorbe rápidamente a través del tracto gastrointestinal. [14] Se han registrado decenas de casos de muerte de animales debido a la ingestión de anatoxina, un agua contaminada de lagos o ríos, y se sospecha que también fue la causa de la muerte de un ser humano. [15] Un estudio encontró 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. [dieciséis]
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 de la piel 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 de la piel humana encontró que la anatoxina-a no ejerció ningún efecto a 0,1 μg/mL o 1 μg/mL, y un efecto tóxico débil a 10 μg/mL sólo después de un período prolongado de contacto (48 horas). [18]
Actualmente no hay datos disponibles sobre la toxicidad por inhalación de la anatoxina-a, aunque se produjo una dificultad respiratoria grave en un esquiador acuático después de que inhalara agua pulverizada que contenía otra neurotoxina cianobacteriana, la saxitoxina . [19] Es posible que la inhalación de agua pulverizada que contenga anatoxina-a pueda plantear consecuencias similares.
La anatoxina-a es un agonista de los receptores neuronales de acetilcolina nicotínicos 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 este tipo 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, fue necesaria una concentración de 5 a 10 veces mayor de anatoxina-a 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, provocando 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 Ca 2+ entren en la neurona, provocando la despolarización celular e induciendo la generación de potenciales de acción , lo que permite la contracción muscular. Luego, el neurotransmisor acetilcolina se disocia del nAchR, donde la acetilcolinesterasa lo escinde rápidamente en acetato y colina . [21]
La unión de anatoxina-a a estos nAchR provoca los mismos efectos en las neuronas. Sin embargo, la unión de anatoxina-a es irreversible y la acetilcolinesterasa no puede descomponer el complejo anatoxina-a nAchR . Por lo tanto, el nAchR queda temporalmente bloqueado, lo que conduce a una sobreestimulación debido a la generación constante de potenciales de acción. [20]
Dos enantiómeros de la 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 grupo nitrógeno y carbonilo , lo 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 está 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 informado muchos casos de muerte de vida silvestre y ganado debido a la anatoxina-a. Se han observado muertes de perros domésticos debido a la cianotoxina, determinada mediante análisis del contenido del estómago, en la parte baja de la Isla Norte de Nueva Zelanda en 2005, [22] en el este de Francia en 2003, [23] en California de los 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 comenzaron a mostrar convulsiones musculares en cuestión de minutos y murieron en cuestión de minutos. cuestión de horas. Entre 1980 y la actualidad se han informado en los Estados Unidos, Canadá y Finlandia numerosas muertes de ganado bovino derivadas del consumo de agua contaminada con cianobacterias que producen anatoxina-a. [2]
Un caso particularmente interesante de envenenamiento por anatoxina-a es el de los flamencos menores en el lago Bogoria en Kenia . La cianotoxina, que fue identificada en los estómagos y heces de las aves, mató aproximadamente a 30.000 flamencos en la segunda mitad de 1999 y continúa causando muertes masivas anualmente, devastando a la población de flamencos. La toxina se introduce en las aves a través del agua contaminada con comunidades de cianobacterias que surgen de las aguas termales en el lecho del lago. [27]
La primera sustancia inicial de origen biológico 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 endoisómero del 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 y más reciente implica producir 2-tropinona a partir de cocaína y tratar el producto con cloroformiato de etilo para producir una cetona bicíclica. Este producto se combina con trimetilsilildiacilmetano, un ácido de Lewis organoaluminio y éter de trimetilsinilenol para producir tropinona. Este método pasa por varios pasos más, produciendo intermedios útiles, así como anatoxina-a como producto final. [2]
El primer y más ampliamente explorado enfoque utilizado para sintetizar anatoxina-a in vitro, la ciclación del cicloocteno, implica 1,5-ciclooctadieno como fuente inicial. 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 transformó en una alfa, beta cetona y se oxidó con azodicarboxilato de etilo para formar anatoxina-a. [2]
Este método para la producción de anatoxina a fue uno de los primeros utilizados 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 del anillo para producir una cetona intermedia. La adición de un organocuprato a la cetona produce un derivado de triflato de enol, que luego se lisa con hidrógeno y se trata con un agente desprotector para producir anatoxina-a. Otros laboratorios también han desarrollado y utilizado estrategias similares. [2]
La ciclación 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 imium 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 enina de la anatoxina-a 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, el ácido piroglutámico se utiliza como material de partida junto con un catalizador de Grubb. De manera similar a la ciclación de iminio, el primer intento de síntesis de anatoxina-a utilizando 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 mayor reducción enzimática 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 parte de 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 en Oscillatoria PCC 6506 en 2009. [28]
La anatoxina-a es inestable en agua y otras condiciones naturales, y en presencia de luz ultravioleta sufre fotodegradación , convirtiéndose en productos menos tóxicos dihidroanatoxina-a y epoxianatoxina-a. La fotodegradación de la anatoxina-a depende del pH y la intensidad de la luz solar, pero es independiente del oxígeno, lo que indica que la degradación por la luz no se logra mediante el proceso de fotooxidación. [20]
Los estudios han demostrado que algunos microorganismos son capaces de degradar la anatoxina-a. Un estudio realizado por Kiviranta y colegas en 1991 demostró que el género bacteriano Pseudomonas era capaz de degradar la anatoxina-a a un ritmo de 2 a 10 μg/ml por día. [29] Experimentos posteriores realizados por Rapala y colegas (1994) respaldaron estos resultados. Compararon los efectos de los sedimentos esterilizados y no esterilizados sobre la degradación de la anatoxina-a en el transcurso de 22 días, y descubrieron que después de ese tiempo los viales con los sedimentos esterilizados mostraban niveles similares de anatoxina-a como al comienzo del experimento, mientras que los viales con sedimento no esterilizado mostraron una disminución del 25-48%. [20]
Hay 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 la artemia ( Artemia salina ), 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. Para tales pruebas también se necesitan grandes cantidades de material de muestra. 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 comercialmente disponibles para la anatoxina-a. [20]
A pesar de la frecuencia relativamente baja de la anatoxina-a en comparación con otras cianotoxinas, su alta toxicidad (la dosis letal no se conoce para los humanos, pero se estima que es inferior a 5 mg para un hombre adulto [30] ) significa que todavía se considera una grave amenaza para los organismos terrestres y acuáticos, sobre todo para el ganado y los seres humanos. Se sospecha que la anatoxina-a estuvo implicada en la muerte de al menos una persona. [15] La amenaza que representan la anatoxina-a y otras cianotoxinas está aumentando a medida que tanto la escorrentía de fertilizantes, que conduce a la eutrofización en lagos y ríos, como las temperaturas globales más altas contribuyen a una mayor frecuencia y prevalencia de floraciones de cianobacterias. [20]
La Organización Mundial de la Salud en 1999 y la EPA en 2006 llegaron a la conclusión de que no había suficientes datos de toxicidad para 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 de anatoxina-a en el agua potable, como se ve en la siguiente tabla. [33] El 8 de octubre de 2009, la EPA publicó la tercera Lista de candidatos a contaminantes del agua potable (CCL), que incluía la anatoxina-a (entre otras cianotoxinas), indicando que la anatoxina-a puede estar presente en los sistemas públicos de agua, pero no está regulada por la EPA. La presencia de anatoxina-a en el CCL significa que es posible que deba ser regulada por la EPA en el futuro, en espera de más información sobre sus efectos sobre la salud en humanos. [34] [31]
En 2008, el estado de Washington implementó un nivel de recomendación recreativa para anatoxina-a de 1 μg/L con el fin de gestionar mejor la proliferación de algas en los lagos y proteger a los usuarios de la exposición a dicha proliferación. [35]
La provincia canadiense de Québec 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 de anatoxina-a en el agua potable de 6 μg/l. [37]
Hasta el momento, no existe un nivel de referencia oficial para la anatoxina-a, [38] aunque los científicos estiman que un nivel de 1 μg l −1 sería suficientemente bajo. [39] Asimismo, no existen pautas 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 velocidad de 2 a 10 μg ml -1 d -1 . El carbón activado biológico (granular) (BAC) también se ha probado como método de biodegradación, pero no es concluyente si se produjo biodegradación o si la anatoxina-a simplemente adsorbía el carbón activado. [38] Otros han pedido estudios adicionales para determinar más sobre cómo utilizar el carbón activado de manera efectiva. [40]
Los métodos de tratamiento químico son más comunes en el tratamiento del agua potable en comparación con el tratamiento biológico, y se han sugerido numerosos procesos para la anatoxina-a. Oxidantes como el permanganato de potasio , el ozono y los procesos de oxidación avanzados ( POA ) han funcionado para reducir los niveles de anatoxina-a, pero otros, como la fotocatálisis, la fotólisis UV , [40] y la cloración , [41] no han demostrado una gran eficacia.
La eliminación directa de las cianobacterias en el proceso de tratamiento del agua mediante tratamiento físico (por ejemplo, filtración por membrana ) es otra opción porque la mayor parte de la anatoxina-a está contenida dentro de las células cuando la floración está creciendo. Sin embargo, las cianobacterias liberan anatoxina-a al agua cuando senescan y se lisan, por lo que es posible que el tratamiento físico no elimine 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 del receptor nicotínico de acetilcolina muy potente y, como tal, ha sido ampliamente estudiado 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 probando más investigaciones sobre la anatoxina-a y otros análogos menos potentes como posibles sustitutos de la acetilcolina. [2]