El ptaquilósido es un glucósido norsesquiterpénico producido por los helechos (principalmente Pteridium aquilinum ) durante el metabolismo . Se ha identificado como el principal carcinógeno de los helechos y responsable de sus efectos biológicos, como la enfermedad hemorrágica y la ceguera nocturna en el ganado y el cáncer esofágico y gástrico en los seres humanos. El ptaquilósido tiene una estructura química inestable y actúa como un agente alquilante del ADN en condiciones fisiológicas. Fue aislado y caracterizado por primera vez por Yamada y colaboradores en 1983. [2] [3]
La forma pura del ptaquilósido es un compuesto amorfo incoloro. Es fácilmente soluble en agua y bastante soluble en acetato de etilo. Excepto en las plantas, se ha detectado ptaquilósido en la leche y la carne del ganado afectado, así como en el agua subterránea y el suelo seco alrededor de la vegetación de helechos. [4] [5] [6] La prevalencia del ptaquilósido en fuentes diarias junto con sus efectos cancerígenos lo convierten en un peligro biológico cada vez mayor en la actualidad.
La presencia de ptaquilósido se ha detectado en una variedad de helechos, incluidas las especies de los géneros Pteridium (helecho), Pteris , Microlepia e Hypolepis . Pteridium aquilinum (comúnmente conocido como helecho bracken) es el helecho que contiene ptaquilósido más común con una amplia distribución geográfica y ecológica. Está presente en todos los continentes desde áreas subtropicales hasta subárticas . El helecho bracken es una planta muy adaptable y es capaz de formar poblaciones densas y de rápida expansión en el curso de las primeras fases de la sucesión ecológica en limpiezas de bosques y otras áreas rurales perturbadas. Su crecimiento agresivo, caracterizado por un extenso sistema de rizomas y frondas de rápido crecimiento , a veces le permite ser una especie dominante en ciertas comunidades de plantas. [7] El contenido de ptaquilósido del helecho varía ampliamente entre especies y cambia con la parte de la planta, el sitio de crecimiento de la planta y la temporada de recolección. Según estudios previos, las concentraciones de ptaquilósido en helechos variaban entre 0 a 1% del peso seco de la planta. [8] [9] Generalmente, se encuentra que el ptaquilósido se encuentra en las concentraciones más altas en las partes jóvenes en desarrollo de los helechos, como los báculos y las partes desplegadas durante la primavera y principios del verano, mientras que las concentraciones de ptaquilósido en los rizomas son bastante bajas. [10] Sin embargo, los estudios sobre las concentraciones de ptaquilósido en helechos daneses por Rasmussen et al. mostraron que las concentraciones de ptaquilósido en los rizomas fueron significativamente más altas que los valores informados anteriormente. [11]
El ptaquilósido puede pasar a la leche producida por vacas y ovejas alimentadas con helechos. En 1996, Alonso-Amelot, Smith y colaboradores descubrieron que el ptaquilósido se excretaba en la leche en una concentración del 8,6 ± 1,2% de la cantidad ingerida por una vaca procedente de helechos, y que dependía linealmente de la dosis. Sobre la base de sus experimentos y suponiendo que una persona bebe 0,5 litros de leche al día, estimaron que esta persona podría ingerir unos 10 mg de ptaquilósido al día, aunque solo absorberá una parte de esa cantidad. [4] El ptaquilósido también puede filtrarse de las hojas de helecho al agua y al suelo. Numerosos estudios han informado de la presencia de ptaquilósido en el agua subterránea/superficial y en el suelo cerca de la vegetación de helechos. [5] [6] La velocidad de degradación del ptaquilósido en el suelo se ve afectada por la acidez , el contenido de arcilla, el contenido de carbono, la temperatura y, presumiblemente, la microbioactividad. Las condiciones ácidas (pH < 4) y las altas temperaturas (al menos 25 °C) facilitan la degradación del ptaquilósido, mientras que se informa que la vida media del ptaquilósido en un suelo arenoso menos ácido es de entre 150 y 180 horas. [12]
Las principales vías que pueden llevar a la exposición humana a los efectos tóxicos del helecho incluyen la ingestión de la planta (en particular las hojas y los brotes jóvenes), la inhalación de esporas transportadas por el aire , el consumo de leche y carne de animales afectados y beber agua contaminada con ptaquilósido. [13]
El ptaquilósido tiene una estructura química inestable y experimenta fácilmente la liberación de glucosa . La ptaquilósido dienona resultante es la forma activa del ptaquilósido y es responsable de los efectos biológicos observados. El grupo ciclopropilo en la dienona es altamente reactivo como electrófilo , no solo porque está conjugado con el grupo ceto , sino porque también constituye un sistema ciclopropil carbinol, a partir del cual es bien conocida la fácil formación del catión no clásico estable.
En condiciones ácidas, el ptaquilósido experimenta gradualmente una aromatización con la eliminación de D-glucosa para producir ptaquilosina y, finalmente, pterosina B. En condiciones débilmente alcalinas, el ptaquilósido y su aglicón ptaquilosina se convierten en un intermedio dienona conjugada inestable . Esta ptaquilodienona es la forma activada del ptaquilósido y se considera el carcinógeno definitivo de los helechos. Debido a la constitución de un sistema ciclopropil carbinol, la ptaquilodienona es un electrófilo fuerte y actúa como un poderoso agente alquilante que reacciona directamente con nucleófilos biológicos, incluidos aminoácidos , nucleósidos y nucleótidos en condiciones débilmente ácidas a temperatura ambiente (como se muestra en el esquema siguiente). [14]
En condiciones fisiológicas, el ptaquilósido libera fácilmente glucosa para producir ptaquilodienona. La alquilación de aminoácidos con la dienona ocurre principalmente en el grupo tiol en cisteína , glutatión y metionina . La alquilación en el grupo carboxilato de cada aminoácido, formando el éster correspondiente , también se observa en pequeña medida según la literatura reportada previamente. La dienona reacciona con residuos de adenina (principalmente en N-3) y guanina (principalmente en N-7) del ADN para formar los aductos de ADN. [15] La alquilación induce la despurinización espontánea y la escisión del ADN en el sitio de la base de adenina. En una reacción modelo con un desoxitetranucleótido (como se muestra a la derecha), se encuentra un aducto covalente en un residuo de guanina y el enlace N-glicosídico se rompe para liberar el aducto. [14] En 1998, Prakash, Smith y colaboradores demostraron que la alquilación de adenina por ptaquilosido en el codón 61 seguida de despurinación y error en la síntesis de ADN resultó en la activación del protooncogén H - ras en el íleon de terneros alimentados con helechos. [16]
Se sabe que el helecho tiene varios efectos biológicos, como carcinogenicidad y síndromes bien definidos en el ganado y los animales de laboratorio. Se ha demostrado que el ptaquilósido es responsable de varios de estos efectos biológicos, algunos de los cuales son específicos de la especie. [10]
El ganado que consume helechos desarrolla una intoxicación aguda por helechos y hematuria enzoótica bovina crónica (HEB). La característica principal de la intoxicación aguda por helechos en el ganado es la depresión de la actividad de la médula ósea, que da lugar a una leucopenia grave (en particular de los granulocitos), trombocitopenia y crisis hemorrágica aguda. [17] Sin embargo, la mayoría de los investigadores creen que el ptaquilósido no es el agente causante directo de la intoxicación aguda por helechos. La característica principal de la hematuria son los tumores de la vejiga urinaria y la hematuria en el ganado después de una exposición prolongada a los helechos. Con base en los amplios estudios, se muestra una correlación positiva entre la concentración de ptaquilósido y la incidencia de HEB. [18] [8] [19]
Las ovejas alimentadas con una dieta que contiene helechos desarrollan una enfermedad hemorrágica aguda y ceguera brillante. [20] Las principales características de la ceguera incluyen atrofia progresiva de la retina y estenosis de los vasos sanguíneos. [21] En 1993, el grupo de Yamada demostró que el ptaquilosido era el compuesto que causaba la degeneración de la retina. [22]
Las ratas que recibieron una dieta que contenía ptaquilósido durante un período prolongado desarrollaron tumores tanto en el íleon como en la vejiga urinaria . Prakash, Smith y colaboradores demostraron que la carcinogénesis inducida por ptaquilósido se iniciaba mediante la activación del oncogén H- ras . [16] Otros animales no rumiantes, como el cerdo, el conejo y el conejillo de indias, también desarrollan síndromes después de la ingestión de ptaquilósido, que incluyen hematuria, tumores y anomalías orgánicas (véase el diagrama). [10]
El helecho bracken aumenta el riesgo oncogénico en humanos. Una encuesta epidemiológica reveló que el consumo de helecho bracken estaba correlacionado positivamente con el cáncer de esófago y con el cáncer gástrico en muchas áreas geográficas del mundo. [23] En 1989, Natori y colaboradores demostraron que el ptaquilosido tenía un efecto clastogénico y causaba aberración cromosómica en células de mamíferos. [24] En 2003, el grupo de Santos informó niveles significativamente mayores de anomalías cromosómicas , como roturas de cromátidas en linfocitos periféricos cultivados . [25]
El uso del helecho común como alimento humano es principalmente una cuestión histórica. Los rizomas de estas plantas sirvieron como alimento humano en Escocia durante la Primera Guerra Mundial. En América (EE. UU., Canadá), Rusia, China y Japón, el helecho se cultiva comercialmente para uso humano. El procedimiento habitual que se realiza antes de comer la planta es tratar previamente el helecho con agua hirviendo en presencia de diferentes productos químicos, como bicarbonato de sodio y ceniza de madera , para degradar o inactivar el ptaquilósido y otros agentes tóxicos. Sin embargo, persiste cierta actividad cancerígena incluso después del tratamiento. [10] [26] Como lo demostraron Kamon y Hirayama, el riesgo de cáncer de esófago aumentó aproximadamente en 2,1 en los hombres y 3,7 en las mujeres que consumen regularmente helecho en Japón. [27] Investigaciones recientes han sugerido que los aminoácidos que contienen azufre pueden usarse potencialmente en condiciones apropiadas como agentes desintoxicantes del ptaquilósido [17] y la suplementación con selenio puede prevenir y revertir los efectos inmunotóxicos inducidos por el ptaquilósido. [28]
El ptaquilósido en el extracto acuoso de helecho se puede detectar utilizando diferentes métodos instrumentales: cromatografía de capa fina -densitometría (TLC-densitometría), cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC), cromatografía de gases-espectrometría de masas (GCMS) y cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS). Las pruebas diagnósticas de ptaquilósido dentro de las células incluyen la detección de mutaciones genéticas , la detección inmunohistoquímica de biomarcadores tumorales, aberraciones cromosómicas, estrés oxidativo para EBH, PCR , PCR en tiempo real y DNasa-SISPA (amplificación de cebador único independiente de la secuencia). [26]
En 1989 y 1993, Yamada y colaboradores informaron sobre la primera síntesis total enantioselectiva de ambos enantiómeros de ptaquilosina, la aglicona de ptaquilósido. [29] [30] En el primer paso, el éster de mentilo del ácido ciclopentano-1,2-dicarboxílico 1 se hidrolizó parcialmente para proporcionar el éster monomentílico, que luego se alquiló con bromuro de metalilo en presencia de HMPA para producir selectivamente 2. Luego, el producto 2 se convirtió en cloruro de ácido y se trató con cloruro estánnico para efectuar la acilación de Friedel-Crafts para dar enona 3. Luego se realizó la reducción del hidruro, la oxidación selectiva del alcohol alílico y la sililación para proporcionar el compuesto 4. Con el tratamiento con una base y una sal de cloroetilsulfonio, se obtuvo una mezcla de espirociclopropanos . El producto menor 5a se puede isomerizar con ácido p-toluenosulfónico para formar 5b con un rendimiento del 81%. La desaturación por selenilación/deshidroselación y la oxidación con peróxido básico produjeron el epóxido 6. La reducción suave, la adición de Grignard de metilo y la oxidación dieron el compuesto 7. La metilación de la ciclopentanona en las condiciones de Noyori utilizando el enolato TASF produjo una mezcla de isómeros . El isómero no deseado 8a se puede equilibrar con terc-butóxido de potasio con un rendimiento del 81% para generar exclusivamente 8b . [ aclaración necesaria ] La reducción , la desprotección y la oxidación produjeron 9. Tras el tratamiento con oxígeno en acetato de etilo caliente , el aldehído en 9 se oxidó al radical acilo para la descarbonilación. El atrapamiento estereoselectivo del radical terciario por oxígeno produjo el hidroperóxido 10 . Mediante una reducción suave, se obtuvo la ptaquilosina 11 , que se produce de forma natural . La síntesis de Yamada se realizó en 20 pasos con un rendimiento total del 2,9 %. De manera similar, el enantiómero (+) no natural de la ptaquilosina se sintetizó a partir del diastereómero de 2 .
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Desde 1989 se han publicado múltiples estudios sintéticos dirigidos a la ptaquilosina 11. En 1994, Padwa y sus colaboradores describieron la síntesis del esqueleto central de la ptaquilosina mediante un enfoque altamente convergente. [ 31] En 1995, Cossy y sus colaboradores informaron de nuevas rutas para el esqueleto racémico y ópticamente activo de la ptaquilosina. Su compuesto tricíclico funcionalizado adecuadamente sería de gran utilidad para la síntesis de 11. [32]