Tetrodotoxina

Tetrodotoxina (TTX) es una potente neurotoxina. Su nombre deriva de Tetraodontiformes, un orden que incluye pez globo, pez puercoespín, pez luna y pez ballesta; varias de estas especies portan la toxina. Aunque la tetrodotoxina se descubrió en estos peces y se encontró en varios otros animales (por ejemplo, en pulpos de anillos azules, tritones de piel áspera y caracoles luna), en realidad es producida por ciertas bacterias infecciosas o simbióticas como Pseudoalteromonas, Pseudomonas y Vibrio así como otras especies encontradas en animales.

Aunque produce miles de intoxicaciones anuales y varias muertes, ha demostrado eficacia para el tratamiento del dolor relacionado con el cáncer en ensayos clínicos de fase II y III

La tetrodotoxina es un bloqueador de los canales de sodio. Inhibe la activación de los potenciales de acción en las neuronas uniéndose a los canales de sodio activados por voltaje en las membranas de las células nerviosas y bloqueando el paso de los iones de sodio (responsables de la fase ascendente de un potencial de acción) hacia la neurona. Esto evita que el sistema nervioso lleve mensajes y, por lo tanto, los músculos se contraigan en respuesta a la estimulación nerviosa.

Su mecanismo de acción, el 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.

Fuentes en la naturaleza

Además de sus especies bacterianas de origen biosintético final más probable (ver más abajo), la tetrodotoxina se ha aislado de especies animales muy diferentes, que incluyen:

Mosher et al. demostraron que la tarichatoxina era idéntica a la TTX en 1964, y la identidad de maculotoxina y TTX se informó en Science en 1978, y la sinonimia de estas dos toxinas se respalda en informes modernos (p. ej., en Pubchem y en libros de texto de toxicología modernos), aunque las monografías históricas que cuestionan esto continúan reimprimiéndose.

Los metazoos utilizan la toxina de diversas formas como biotoxina defensiva para evitar la depredación, o como veneno defensivo y depredador (p. ej., en pulpos, quetognatos y gusanos de cinta). Aunque la toxina actúa como un mecanismo de defensa, algunos depredadores, como la culebra común, han desarrollado insensibilidad a la TTX, lo que les permite aprovecharse de los tritones tóxicos.

La asociación de TTX con poblaciones bacterianas consumidas, infecciosas o simbióticas dentro de las especies de metazoos de las que se aísla es relativamente clara; la presencia de bacterias productoras de TTX dentro del microbioma de un metazoo se determina mediante métodos de cultivo, la presencia de la toxina mediante análisis químico y la asociación de la bacteria con la producción de TTX mediante un ensayo de toxicidad de los medios en los que se cultivan las bacterias sospechosas. Como Lago et al. tenga en cuenta que "existe buena evidencia de que la absorción de bacterias que producen TTX es un elemento importante de la toxicidad de TTX en los metazoos marinos que presentan esta toxina". Las bacterias productoras de TTX incluyen Actinomyces, Aeromonas, Alteromonas, Bacillus, Pseudomonas, y especies Vibrio; en los siguientes animales, se han implicado especies bacterianas específicas:

• Aeromonas especies del pez puffer, Takifugu obscurus,
• Aeromonas, Pseudomonas, y Vibrio especies del gastropo Nassarius conoidalis,
• Alteromonas, Bacillus, Pseudomonas, y Vibrio especies del pulpo de color azul del sur, Hapalochlaena maculosa,
• Vibrio alginolyticus, de la especie de pez estrella Astropecten polyacanthus,
• Vibrio especies incluidas Vibrio alginolyticus, del pez del puffer, Takifugu vermicularis,
• Vibrio especies incluidas Vibrio alginolyticus de nuevo, en flechas, phylum Chaetognatha,
• Vibrio especies, de nuevo, en gusanos de cinta, phylum Nemertea.

Bioquímica

La tetrodotoxina se une a lo que se conoce como sitio 1 del canal de sodio rápido dependiente de voltaje. El sitio 1 está ubicado en la apertura del poro extracelular del canal iónico. La unión de cualquier molécula a este sitio inhabilitará temporalmente la función del canal iónico, bloqueando así el paso de los iones de sodio a la célula nerviosa (que en última instancia es necesario para la conducción nerviosa); la neosaxitoxina y varias de las conotoxinas también se unen al mismo sitio.

El uso de esta toxina como sonda bioquímica ha aclarado dos tipos distintos de canales de sodio dependientes de voltaje presentes en los mamíferos: canales de sodio dependientes de voltaje sensibles a la tetrodotoxina (canales TTX-s Na⁺) y canales de sodio dependientes de voltaje resistentes a la tetrodotoxina (canales TTX-r Na⁺). La tetrodotoxina inhibe los canales de Na⁺ TTX-s en concentraciones de alrededor de 1–10 nM, mientras que se requieren concentraciones micromolares de tetrodotoxina para inhibir los canales de Na⁺ TTX-r. Las células nerviosas que contienen canales TTX-r Na⁺ se encuentran principalmente en el tejido cardíaco, mientras que las células nerviosas que contienen canales TTX-s Na⁺ dominan el resto del cuerpo.

TTX y sus análogos históricamente 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 del canal. El predominio de los canales TTX-s Na⁺ en el sistema nervioso central hace que la tetrodotoxina sea un agente valioso para silenciar la actividad neuronal dentro de un cultivo celular.

Biosíntesis

La ruta biosintética a TTX solo se comprende parcialmente. Se sabe desde hace mucho 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). En 2020, nuevos intermediarios encontrados en tritones sugieren que la síntesis comienza con geranil guanidina en los anfibios; estos intermedios no se encontraron en animales acuáticos que contienen TTX, lo que respalda la teoría de la ruta separada. 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 vía coherente, pero espera hacerlo en el futuro.

Síntesis química

En 1964, un equipo de científicos dirigido por Robert B. Woodward aclaró la estructura de la tetrodotoxina. La estructura fue confirmada por cristalografía de rayos X en 1970. Yoshito Kishi y colaboradores reportaron la primera síntesis total de tetrodotoxina racémica en 1972. M. Isobe y colaboradores y J. Du Bois reportaron la síntesis total asimétrica de tetrodotoxina en 2003. Los dos 2003 Las síntesis 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.

Envenenamiento

Toxicidad

TTX es extremadamente tóxico. La hoja de datos de seguridad del material para TTX enumera la dosis letal media oral (DL50) para ratones de 334 μg por kg. A modo de comparación, la LD₅₀ oral de cianuro de potasio para ratones es de 8500 μg por kg, lo que demuestra que incluso por vía oral, el TTX es más venenoso que el cianuro. TTX es aún más peligroso si se administra por vía intravenosa; la cantidad necesaria para alcanzar una dosis letal por inyección es de 8 μg por kg en ratones.

La toxina puede entrar en el cuerpo de una víctima por ingestión, inyección o inhalación, oa través de la piel lesionada.

La intoxicación que se produce como consecuencia del consumo de pescado del orden Tetraodontiformes es de extrema gravedad. Los órganos (p. ej., el hígado) del pez globo pueden contener niveles de tetrodotoxina suficientes para producir la parálisis del diafragma descrita y la correspondiente muerte por insuficiencia respiratoria. La toxicidad varía entre especies y en diferentes estaciones y localidades geográficas, y la carne de muchos peces globo puede no ser peligrosamente tóxica.

El mecanismo de toxicidad es a través del bloqueo de los canales de sodio rápidos dependientes de voltaje, que son necesarios para la transmisión normal de señales entre el cuerpo y el cerebro. Como resultado, la TTX provoca pérdida de sensibilidad y parálisis de los músculos voluntarios, incluidos el diafragma y los músculos intercostales, lo que detiene la respiración.

Historia

Una farmacia china, 1930.

Los usos terapéuticos de los huevos de pez globo (tetraodón) 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 una fecha posterior), donde se clasificaron como de "media" toxicidad, pero podría tener un efecto tónico cuando se usa en la dosis correcta. El uso principal era "para detener enfermedades convulsivas". En el Pen-T'so Kang Mu (Index Herbacea or The Great Herbal by Li Shih-Chen, 1596) algunos tipos de peces Ho-Tun (el nombre chino actual para tetraodon) también fueron reconocidos como tóxicos pero, al dosis correcta, útil como parte de un tónico. Se observó un aumento de la 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 podía reducirse remojando los huevos. (La tetrodotoxina es ligeramente soluble en agua y soluble a 1 mg/ml en soluciones ligeramente ácidas).

El médico alemán Engelbert Kaempfer, en su "A History of Japan" (traducido y publicado en inglés en 1727), describió cuán conocidos eran los efectos tóxicos del pescado, hasta el punto de que se usaría para suicidarse y que el Emperador decretó específicamente que los soldados no podían comerlo. También hay evidencia de otras fuentes de que el conocimiento de dicha toxicidad estaba muy extendido en todo el sudeste de Asia y la India.

Los primeros casos registrados de envenenamiento por TTX que afectaron a los occidentales provienen de los registros del capitán James Cook del 7 de septiembre de 1774. En esa fecha, Cook registró que su tripulación comía algunos peces tropicales locales (pez globo) y luego alimentaba con los restos a los cerdos criados en junta. La tripulación experimentó entumecimiento y dificultad para respirar, 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 se comieron las partes del cuerpo del pez globo que contenían 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. Fue uno de los agentes estudiados por la Unidad 731 de Japón, que evaluó armas biológicas en sujetos humanos en la década de 1930.

Síntomas y tratamiento

El diagnóstico de intoxicación por pez globo se basa en la sintomatología observada y el historial dietético reciente.

Los síntomas generalmente se desarrollan dentro de los 30 minutos posteriores a la ingestión, pero pueden retrasarse hasta cuatro horas; sin embargo, si la dosis es fatal, los síntomas generalmente se presentan dentro de los 17 minutos posteriores a la ingestión. A la parestesia de los labios y la lengua le sigue el desarrollo de parestesia en las extremidades, hipersalivación, sudoración, dolor de cabeza, debilidad, letargo, falta de coordinación, temblor, parálisis, cianosis, afonía, disfagia y convulsiones. Los síntomas gastrointestinales suelen ser graves e incluyen náuseas, vómitos, diarrea y dolor abdominal; la muerte suele ser secundaria a insuficiencia respiratoria. Hay dificultad respiratoria creciente, el habla se ve afectada y la víctima suele presentar disnea, midriasis e hipotensión. La parálisis aumenta y pueden ocurrir convulsiones, deterioro mental y arritmia cardíaca. La víctima, aunque completamente paralizada, puede estar consciente y, en algunos casos, completamente lúcida 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.

Si el paciente sobrevive 24 horas, la recuperación sin efectos residuales generalmente ocurrirá en unos pocos días.

La terapia es de apoyo y se basa en los síntomas, con un manejo temprano y agresivo de las vías respiratorias. Si se ingiere, el tratamiento puede consistir en vaciar el estómago, alimentar a la víctima con carbón activado para retener la toxina y tomar medidas estándar de soporte vital para mantener viva a la víctima hasta que el efecto del veneno haya desaparecido. Se recomiendan los agonistas alfa adrenérgicos además de los líquidos intravenosos para combatir la hipotensión; los agentes anticolinesterásicos "se han propuesto como una opción de tratamiento pero no se han probado adecuadamente".

No se ha desarrollado ni aprobado ningún antídoto para uso humano, pero un informe de investigación principal (resultado preliminar) indica que USAMRIID está desarrollando un anticuerpo monoclonal específico para la tetrodotoxina que fue eficaz, en el único estudio, para reducir la letalidad de la toxina en pruebas en ratones.

Frecuencia geográfica de toxicidad

Las intoxicaciones por tetrodotoxina se han asociado casi exclusivamente con el consumo de pez globo de las aguas de las regiones del océano Indo-Pacífico. Los peces globo de otras regiones se comen con mucha menos frecuencia. Varios casos informados de envenenamiento, incluidas muertes, involucraron 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 en tres estudios, los extractos de pescado de esta especie fueron altamente tóxicos en ratones. Varias intoxicaciones recientes de estos peces en Florida se debieron a la saxitoxina, que causa intoxicación paralizante por mariscos con síntomas y signos muy similares. La concha de trompeta Charonia sauliae ha sido implicada en intoxicaciones alimentarias, y la evidencia sugiere que contiene un derivado de tetrodotoxina. Se han informado varios envenenamientos por pez globo mal etiquetado, y al menos un informe de un episodio fatal en Oregón cuando una persona se tragó un tritón de piel áspera Taricha granulosa.

En 2009, se desató un gran susto en la región de Auckland de Nueva Zelanda después de que varios perros murieran comiendo Pleurobranchaea maculata (babosa de mar gris con branquias laterales) en las playas. Se pidió a los niños y dueños de mascotas que evitaran las playas, y la pesca recreativa también se interrumpió por un tiempo. Después de un análisis exhaustivo, se encontró que las babosas de mar debían haber ingerido tetrodotoxina.

Factores estadísticos

Las estadísticas de la Oficina de Bienestar Social y Salud Pública de Tokio indican de 20 a 44 incidentes de envenenamiento por fugu por año entre 1996 y 2006 en todo el país, lo que lleva a 34 a 64 hospitalizaciones y de 0 a 6 muertes por año, por un promedio tasa de mortalidad del 6,8%. De los 23 incidentes registrados en Tokio entre 1993 y 2006, solo uno tuvo lugar en un restaurante, mientras que los demás involucraron a pescadores comiendo su captura. Desde 2006 hasta 2009 en Japón hubo 119 incidentes que involucraron a 183 personas, pero solo siete personas murieron.

Solo se han informado unos pocos casos en los Estados Unidos y los brotes en países fuera del área del Indo-Pacífico son raros. En Haití, se cree que la tetrodotoxina se usó en preparaciones de vudú, en los llamados venenos zombis, donde el análisis cuidadoso posterior ha cuestionado repetidamente los primeros estudios por motivos técnicos y no ha logrado identificar la toxina en ninguna preparación, por lo que la discusión del asunto casi ha desaparecido de la literatura primaria desde principios de la década de 1990. Kao y Yasumoto concluyeron en el primero de sus artículos en 1986 que "la afirmación ampliamente difundida en la prensa profana en el sentido de que la tetrodotoxina es el agente causal en el proceso inicial de zombificación carece de fundamento fáctico".

Los antecedentes genéticos no son un factor de susceptibilidad a la intoxicación por tetrodotoxina. Esta toxicosis se puede evitar al no consumir especies animales que se sabe que contienen tetrodotoxina, principalmente pez globo; los seres humanos no suelen consumir otras especies tetrodotóxicas.

Fugu como alimento

El envenenamiento por tetrodotoxina es de especial preocupación para la salud pública en Japón, donde el fugu es un manjar tradicional. Se prepara y vende en restaurantes especiales donde chefs capacitados y con licencia extraen cuidadosamente las vísceras para reducir el peligro de intoxicación. Existe la posibilidad de errores de identificación y etiquetado, en particular de productos pesqueros preparados y congelados.

Análisis de alimentos

El bioensayo en ratones desarrollado para el envenenamiento paralizante por mariscos (PSP) se puede usar para monitorear la tetrodotoxina en el pez globo y es el método de elección actual. Se ha desarrollado un método de HPLC con reacción posterior a la columna con álcali y fluorescencia para determinar la tetrodotoxina y sus toxinas asociadas. Los productos de degradación alcalinos pueden confirmarse como sus derivados de trimetilsililo mediante cromatografía de gases/espectrometría de masas.

Detección en fluidos corporales

La tetrodotoxina se puede cuantificar en suero, sangre entera 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 espectrométrica de masas después de la separación cromatográfica de gases o líquidos.

Investigación terapéutica moderna

La tetrodotoxina se ha investigado como un posible tratamiento para el dolor asociado con el cáncer. Los primeros ensayos clínicos demuestran un alivio significativo del dolor en algunos pacientes.

Además de la aplicación del dolor por cáncer mencionada, las mutaciones en un canal Na⁺ sensible a TTX en particular están asociadas con algunos dolores de cabeza por migraña, aunque no está claro si esto tiene alguna relevancia terapéutica para la mayoría personas con migraña.

La tetrodotoxina se ha utilizado clínicamente para aliviar el dolor de cabeza asociado con la abstinencia de heroína.

Regulación

En los EE. UU., la tetrodotoxina aparece en la lista de agentes selectos del Departamento de Salud y Servicios Humanos, y los científicos deben registrarse en el HHS para usar la tetrodotoxina en sus investigaciones. Sin embargo, los investigadores que posean menos de 500 mg están exentos de la regulación.

Cultura popular

La tetrodotoxina sirve como recurso argumental para que los personajes finjan la muerte, como en las películas Hello Again (1987), The Serpent and the Rainbow (1988), El Equipo A (2010) y Capitán América: El Soldado de Invierno (2014), Guerra (2019), y en episodios de "Jane the Virgin", Miami Vice (1985), 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 de asistencia a la tortura. También se hizo referencia a la toxina 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 como en el episodio &#34 de Inside No. 9.;El enigma de la esfinge". En Colombo, episodio 2 de la temporada 7, se usa fugu para matar a la víctima del antagonista. Colombo (temporada 7)

Basado en la presunción de que la tetrodotoxina no siempre es fatal, pero en dosis casi letales puede dejar a una persona extremadamente enferma mientras la persona permanece consciente, se ha alegado que la tetrodotoxina provoca zombis y se ha sugerido como un ingrediente en la dieta haitiana. Preparaciones de vudú. 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 del supuesto envenenamiento con tetrodotoxina en Haití por parte de un hechicero vudú llamado Bokor. Estas historias fueron posteriormente popularizadas por el etnobotánico formado en Harvard Wade Davis en su libro de 1985 y en la película de 1988 de Wes Craven, ambos titulados La serpiente y el arcoíris. James Ellroy incluye la "toxina del pez globo" como ingrediente en las preparaciones de vudú haitiano para producir zombis y muertes por envenenamiento en su novela oscura, inquietante y violenta Blood's a Rover. Pero esta teoría ha sido cuestionada por la comunidad científica desde la década de 1990 en base a pruebas basadas en química analítica de múltiples preparaciones y revisión de informes anteriores (ver arriba).