Las brevetoxinas ( PbTx ) son un conjunto de compuestos de poliéter cíclicos producidos naturalmente por una especie de dinoflagelado conocida como Karenia brevis . Las brevetoxinas son neurotoxinas que se unen a los canales de sodio dependientes del voltaje en las células nerviosas, lo que provoca la alteración de los procesos neurológicos normales y causa la enfermedad descrita clínicamente como intoxicación neurotóxica por mariscos (NSP). [1] Aunque las brevetoxinas son las más estudiadas en K. brevis , también se encuentran en otras especies de Karenia y al menos una gran mortandad de peces se ha atribuido a las brevetoxinas en Chattonella . [1]
Las brevetoxinas se agrupan en dos tipos principales: brevetoxina A y brevetoxina B. Se clasifican además según el sustituyente químico ( grupo R ) que está unido en determinadas posiciones dentro de la molécula central.
La brevetoxina-B fue sintetizada en 1995 por KC Nicolaou y colaboradores en 123 pasos con un rendimiento promedio del 91 % (rendimiento final ~9·10 −6 ) [4] y en 2004 en un total de 90 pasos con un rendimiento promedio del 93 % para cada paso (0,14 % en general). [3]
KC Nicolaou y sus colaboradores informaron sobre su síntesis de Brevetoxin-1 en 1998. [5] En 2009, Michael Crimmins y sus colaboradores también informaron sobre su síntesis de Brevetoxin-1. [6]
Las brevetoxinas comparten la estructura de la cadena principal común de los policétidos , pero hay varios grupos metilo y oxígeno que no son típicos en la biosíntesis tradicional de policétidos. Los estudios de marcaje utilizando carbono-13 confirman que la biosíntesis de las brevetoxinas se desvía en gran medida de la vía sintética de los policétidos. La vía biosintética propuesta para los compuestos de la clase de brevetoxina comienza con la síntesis tradicional de policétidos para crear la cadena principal de carbono, utilizando carbono originado a partir de acetato modificado por el ciclo del ácido cítrico. Después de que se sintetiza la cadena principal de carbono, la oxidación produce los epóxidos necesarios y se cierra el sistema de múltiples anillos. No está claro si los grupos metilo observados en BTX-B se agregan después de la ciclización o durante la modificación de los metabolitos de los policétidos, pero está claro que los grupos metilo pueden originarse de fuentes fuera del acetato, como la S-adenosilmetionina .
A partir de experimentos de marcaje de la brevetoxina-B (BTX-B), de los 50 carbonos de la molécula, 16 señales de carbono fueron potenciadas por el acetato de [1-C13], 30 señales fueron potenciadas por el acetato de [2-C13] y 4 señales de carbono fueron potenciadas por la metionina de [metil-C13]. Se identificaron 14 unidades de acetato intactas, con una decimoquinta unidad de dos carbonos con una baja posibilidad de ser una unidad de acetato. Con base en las ubicaciones de oxígeno en la BTX-B, esta molécula no podría producirse utilizando una vía de síntesis de policétidos tradicional.
Para resolver el problema, se centró la atención en el ciclo del ácido cítrico. El acetato se puede utilizar en la vía sintética de los policétidos o modificarse mediante el ciclo del ácido cítrico. Los productos intermedios de este ciclo se pueden reintroducir en la vía sintética de los policétidos, lo que da lugar a la adición de unidades de carbono atípicas. Estudios previos de la vía del ácido cítrico revelaron unidades de tres y cuatro carbonos que pueden explicar potencialmente el patrón de condensación y oxidación atípico observado en la BTX-B. Dicho esto, actualmente no hay ninguna explicación de por qué se favorece este patrón en particular. [7]
Las potentes brevetoxinas de poliéter producidas por K. brevis activan los canales de sodio sensibles al voltaje (VSSC) al unirse al sitio 5 de la subunidad alfa de los VSSC, que sirven como proteínas clave en la estructura de la membrana celular. [8] La unión de la brevetoxina a los VSSC produce tres efectos clave: una disminución del potencial de activación necesario para activar y abrir el canal de sodio, la activación persistente del canal y, por lo tanto, la activación repetitiva de los nervios, y la incapacidad de revertir el estado abierto prolongado. Esto conduce a una serie de problemas de salud tanto en humanos como en animales. Por ejemplo, se ha informado que los receptores pulmonares asociados con los canales de Na+ epiteliales controlados por ligando y la inhibición de la catepsina en los macrófagos se ven afectados por la exposición a la brevetoxina.
La absorción de brevetoxina en humanos y animales ocurre principalmente por inhalación e ingestión. [9] El contacto dérmico, como al nadar en mareas rojas, es un método sospechoso de absorción, aunque el contacto directo con la toxina en el agua no está bien estudiado. En el caso de la inhalación, las toxinas aerosolizadas transportadas a tierra en el rocío marino pueden causar irritación respiratoria que puede escalar, en casos más extremos, a una constricción más severa de las vías respiratorias, un efecto observado en concentraciones pM. Más significativos son los casos de ingestión, ya sea por deglución directa de agua de mar durante las floraciones de K. brevis o por digestión de animales contaminados que se alimentan por filtración. Después de alimentarse de K. brevis , los invertebrados acuáticos y los mariscos en particular pueden acumular brevetoxinas, lo que resulta en intoxicación neurotóxica por mariscos (NSP). [10] En los seres humanos, los síntomas característicos de la NSP incluyen parestesia (hormigueo), inversión de la sensación de temperatura caliente-frío, mialgia (dolor muscular), vértigo, ataxia (pérdida de coordinación), dolor abdominal, náuseas, diarrea, dolor de cabeza, bradicardia (frecuencia cardíaca lenta), pupilas dilatadas y, como se mencionó anteriormente, dificultad respiratoria. Se ha observado el efecto de bioacumulación de esta toxina en la red alimentaria, y se ha notado que esta acumulación no se limita a los momentos en que K. brevis está presente.
Las brevetoxinas en la naturaleza suelen producirse a partir de un fenómeno denominado marea roja , en el que especies de algas nocivas como Karenia brevis proliferan, lo que provoca una coloración roja del agua y niveles potencialmente peligrosos de brevetoxinas. Las brevetoxinas en la naturaleza provocan la muerte masiva de peces y el envenenamiento de mamíferos marinos y otros invertebrados acuáticos, lo que a su vez es una fuente de problemas de salud humana.
En los mamíferos marinos, es difícil identificar un vector claro debido a variables que confunden, como la incapacidad de confirmar la exposición y las complicadas medidas de pruebas patológicas. Una forma de sugerir una vía de entrada en la red alimentaria de los mamíferos marinos es examinar cuál es su fuente de alimento principal. Un estudio de 2009 examina una posible vía de exposición a través de los peces en los cetáceos, principalmente los delfines mulares, y las praderas marinas en los manatíes. En este estudio, los científicos también examinan por qué categoría estuvieron expuestos, por aerosoles o ingestión, lo que se analiza midiendo los niveles de brevetoxina en los pulmones frente a los contenidos del estómago. Encontraron que la mayoría del contenido del estómago de los manatíes eran praderas marinas, y de esas praderas marinas, la acumulación de brevetoxina en las epífitas era tan alta como el 87%. En los delfines, el vector fue más difícil de probar, porque se pensaba que los peces mueren antes de que puedan ser comidos por animales más grandes, pero este estudio también mostró que los peces pueden bioacumular brevetoxina y sobrevivir lo suficiente como para envenenar a los cetáceos. Esto es importante porque, si bien es posible que no se esté produciendo una floración en este momento, la vida silvestre aún podría morir por exposición debido a la brevetoxina que se mueve a través de la cadena alimentaria. [11] Otra forma de evaluar una vía de exposición es la ubicación de las lesiones y hemorragias, por ejemplo, lesiones en los pulmones por inhalación. [12]
Otro estudio investigó las diferentes concentraciones de brevetoxina en distintos órganos entre especies de aves, cetáceos y sirénidos, específicamente un cormorán, un delfín mular y el manatí de Florida. Estos órganos incluyen el hígado, los riñones, el cerebro, los pulmones y el contenido estomacal de todos estos animales, y los comparó para ver en qué parte de la cadena alimentaria estuvieron expuestos y en qué medida. Los manatíes tenían las concentraciones más altas de brevetoxina en sus hígados, los delfines en sus contenidos estomacales y los cormoranes en sus cerebros y pulmones. El análisis de los riñones mostró que los manatíes y los cormoranes tenían niveles igualmente altos. En todos los animales, las concentraciones fueron más altas en el hígado, luego en los riñones, luego en los pulmones y finalmente en el cerebro, lo que quizás indica una vía para metabolizar la brevetoxina. Los delfines en este estudio no mostraron mucho daño tisular en comparación con los otros dos, lo que indica que la brevetoxina tiene un impacto letal más profundo en concentraciones más bajas.
Algunos síntomas de la brevetoxicosis en el sistema nervioso central incluyen cambios de comportamiento, deterioro muscular y desorientación. En los manatíes, esto se expresa en dificultad para respirar, problemas de equilibrio y flexión de la espalda. En los cormoranes, presentan dificultades para volar. Otro estudio mostró que los tiburones limón tienen problemas similares con la desorientación asociada con la exposición a la brevetoxina. [12] Además de la brevetoxicosis, los manatíes también tienen una función del sistema inmunológico deteriorada, lo que los hace incapaces de luchar contra la exposición y más susceptibles a otras enfermedades. Esto sucede debido a la disminución de la respuesta de los linfocitos a la exposición y la inflamación en las áreas afectadas; este estudio se realizó en manatíes expuestos a niveles subletales. [13]
El laboratorio de patobiología de mamíferos marinos de la FWC recolecta y analiza cadáveres de manatíes para detectar exposición a brevetoxina. Solo en 2015, hubo 170 cadáveres positivos y 107 casos sospechosos, lo que resultó en un total de 277 manatíes. [14] En 2004, hubo 107 muertes de delfines en solo dos meses en la zona noroeste de Florida, debido a brevetoxicosis. Tanto los cormoranes como los manatíes han sido rehabilitados por brevetoxicosis, pero ningún delfín ha sobrevivido. [12]
El alcance y el grado de los efectos sobre la salud humana parecen variar anualmente y temporalmente en las regiones costeras, dependiendo de la densidad de la marea roja, así como de la variación en las diferencias de toxicidad entre las cepas de dinoflagelados y sus consumidores posteriores. [8] El Golfo de México, y en particular la costa oeste de Florida, es la región más afectada por los efectos adversos para la salud y el medio ambiente de las floraciones casi anuales de K. brevis . Esta región ha sufrido pérdidas económicas significativas en las comunidades locales que dependen del turismo y la pesca recreativa, además de mala publicidad a lo largo de los años. Se sabe de envenenamientos por mariscos en Florida desde la década de 1880, aunque la causa no se identificó como K. brevis hasta 1960.
La industria pesquera pierde alrededor de 18 millones de dólares al año debido a la exposición a la brevetoxina y la consiguiente mortandad de peces. Además, entre 1987 y 1992 se han gastado alrededor de un millón de dólares al año en salud pública debido a la intoxicación por mariscos. Un obstáculo importante para estas industrias y la salud pública es la incapacidad de contener una floración, y es indetectable en el gusto y el olor, solo químicamente. Una de las principales preocupaciones por la exposición no es solo la enfermedad, sino que la brevetoxina puede alterar el ADN humano en los linfocitos, lo que afecta la función inmunológica. [15]
El metabolismo de las brevetoxinas en los mariscos es particularmente preocupante, ya que se ha demostrado que ciertos derivados permanecen en el animal durante períodos prolongados de tiempo. Se ha demostrado que la principal toxina producida por K. brevis , PbTx-2, se metaboliza rápidamente, lo que da lugar a la producción de metabolitos que perduran en el organismo del animal durante un período de tiempo significativamente más largo. Esto contrasta con la PbTx-3, que normalmente se elimina de los mariscos en más o menos su forma original en unas pocas semanas. [9]
Las concentraciones de brevetoxina en los mariscos y la regulación del monitoreo de sustancias tóxicas en los animales son preocupantes. En Florida, solo se monitorean las ostras y las almejas para detectar NSP. Las vieiras no se monitorean, aunque la NSP relacionada con las vieiras normalmente no ocurre porque en la mayoría de los casos, se consume el músculo que no acumula brevetoxina a niveles peligrosos. Además, las vieiras son menos tolerantes a las brevetoxinas en comparación con otros bivalvos y mueren rápidamente después de la exposición a las mareas rojas de K. brevis . Sin embargo, los bivalvos más pequeños, como las almejas chione y las coquinas, pueden acumular niveles extremadamente altos de brevetoxinas y no se monitorean, lo que podría afectar potencialmente la salud humana y la vida silvestre de manera negativa. Según la evidencia de Poli et al., los caracoles de mar están implicados en un evento de NSP en 1996.
En lo que respecta a la ictiotoxicidad, se han registrado casos de muertes masivas de peces en el Golfo de México desde 1844. [9] Originalmente, se utilizaba el fraccionamiento guiado por bioensayos de peces para aislar las toxinas, pero la acumulación o la transferencia a través de la red alimentaria de los peces no se ha considerado una amenaza. Steidinger planteó la hipótesis de que la presencia de brevetoxina encontrada en las muertes de delfines y presas en 1987-1988 se debía en parte a la transferencia de brevetoxina a través de los peces. Si bien hasta la fecha no se han encontrado niveles peligrosos de brevetoxina en los músculos de peces vivos, los órganos internos de los peces son muy susceptibles a niveles peligrosos de toxicidad y no deben ingerirse. Se conjetura que la exposición crónica a niveles bajos de metabolitos de brevetoxina puede ocurrir a través de mariscos y pescados, aunque los efectos de esto no se han estudiado en detalle y siguen siendo en gran parte desconocidos.
El nitrógeno y el fósforo hacen crecer una marea roja de K. brevis . [16] Aunque K. brevis se inicia en alta mar, crecerá a partir de nutrientes (fósforo y nitrógeno) que se encuentran en la orilla. A lo largo de la costa suroeste de Florida, cuando los vientos del sur de verano en la superficie soplan fósforo, nitrógeno, algas verdes y cianobacterias hacia K. brevis que se ha acercado a la costa, hay un crecimiento masivo en la marea roja de K. brevis . Las olas que chocan rompen las células y liberan en aerosol las brevetoxinas posteriores que causan enfermedades respiratorias en los humanos. En 2018, MOTE Marine en Sarasota, FL actualizó sus preguntas frecuentes para dejar más claro que los nutrientes (el nitrógeno es un nutriente que se encuentra en los fertilizantes) pueden hacer crecer a K. brevis . [17]
A lo largo de la costa oeste de Florida, la fase temprana de las floraciones de K. brevis se inicia con vientos del norte, lo que da lugar a eventos de surgencia que hacen que los nutrientes suban a la superficie del agua y transporten múltiples especies de células de Karenia hacia la costa. Aquí se concentran y continúan creciendo o son absorbidas por los vientos terrestres que esparcen las células sobre las playas y las comunidades cercanas a la costa. Se ha demostrado que las floraciones de K. brevis están limitadas por el nitrógeno (N) o el fósforo (P) disponibles, pero hasta hace poco no estaba claro qué fuentes utilizaba K. brevis para obtener estos nutrientes clave para el desarrollo. La proposición más probable es alguna combinación de la surgencia de nutrientes del subsuelo, la escorrentía terrestre (plantaciones agrícolas y azucareras, ranchos ganaderos, campos de golf, parques temáticos, sistemas sépticos, etc.), la fijación de N2, el drenaje de las minas de fosfato y la deposición atmosférica proporcionan el soporte necesario para las floraciones.
Además de la rotura de las células por las olas, las células de K. brevis pueden morir porque la limitación de N afecta directamente el potencial de crecimiento de las floraciones y la toxicidad de las células de K. brevis que las componen. Cuando hay limitación de N, las concentraciones intracelulares de brevetoxina (fg/μm 3 ) aumentaron hasta 2,5 veces en cultivos de laboratorio, lo que implica que durante los períodos de limitación de N del crecimiento de las algas, existe una mayor probabilidad de entrada de brevetoxina en la red alimentaria marina. [10] El contenido de toxina por célula aumenta cuando el crecimiento de las algas se vuelve limitado por P. Varias mediciones de campo recogidas en el Golfo de México han demostrado que el contenido de brevetoxina de las células de K. brevis está entre 1 y 68 pg/célula; sin embargo, Hardison et al. descubrieron que durante los períodos de limitación transitoria de P y N, hay un aumento de 2 a 5 veces en brevetoxinas por mol de carbono celular o unidad de volumen celular. Hardison concluyó que estos datos sugieren que la exposición de los ecosistemas marinos a niveles significativamente diferentes de toxinas depende del estado nutricional de las células de K. brevis . Si bien las brevetoxinas permanecen intracelulares durante las primeras etapas del desarrollo de la floración, el desencadenamiento de la apoptosis y la lisis celular con la edad liberan las toxinas en las aguas circundantes, lo que implica que una mayor limitación de P que resulta en una mayor muerte celular en última instancia eleva los niveles de brevetoxina. Estos altos niveles pueden persistir en una cadena alimentaria mucho después de que una floración haya disminuido debido a la alta afinidad de la brevetoxina para adsorberse a superficies biológicas como las frondas de las praderas marinas y, por lo tanto, acumularse en los organismos consumidores. [18]
En general, las brevetoxinas parecen aumentar con la limitación de N y P; sin embargo, se ha informado que la concentración de brevetoxinas por célula con la limitación de P es aproximadamente el doble que con la limitación de N. Una preocupación importante de esto es que la gestión de los cierres de bancos de mariscos que funcionan bajo el supuesto de que las concentraciones de brevetoxina por célula no varían puede comprometer la seguridad pública si una floración se vuelve limitada por nutrientes. [10]