Crotoxin

Crotoxin ( CTX ) ist der Hauptwirkstoff im Schlangengift der Südamerikanischen Klapperschlange ( Crotalus durissus terrificus ). Es handelt sich um ein heterodimeres Beta- Neurotoxin , bestehend aus einer sauren, nicht-toxischen und nicht-enzymatischen Untereinheit (CA) und einem basischen, schwach toxischen Phospholipase-A2 -Protein (CB). Dieses Neurotoxin verursacht Lähmungen durch prä- und postsynaptische Blockierung der Acetylcholin- Signalübertragung.

Crotoxin wurde 1938 von Forschern des Fachbereichs Chemie des Instituto Butantan in São Paulo identifiziert . Die Verbindung wurde erstmals aus dem Gift von Crotalus d. terrificus isoliert . Diese Forscher stellten fest, dass 60 Prozent des Gifts aus einer neurotoxischen Substanz bestanden, die später als Crotoxin bezeichnet wurde. ^{[ 1 ]}

Crotoxin war das erste kristallisierte Proteintoxin ( Proteinkristallisation ). Die erste Veröffentlichung dieser Entdeckung zeigte, dass das Toxin aus zwei Komponenten besteht: einem toxischen und einem gerinnungsfördernden Prinzip. ^{[ 1 ]} Später wurde entdeckt, dass das Crotoxin-Protein nicht homogen ist, sondern aus zwei Untereinheiten besteht. Die toxische Wirkung von Crotoxin wird hauptsächlich durch die Phospholipase-A2-Aktivität der Untereinheit CB bestimmt. Die Untereinheit CA ist nicht-enzymatisch und nicht-toxisch, besitzt aber blutgerinnungsfördernde Funktionen ( Koagulation ) und ist heute als Crotapotin bekannt. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Seit 1966 werden Untersuchungen zu pharmakologischen Anwendungen von Crotoxin durchgeführt. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Die Struktur des Crotoxins besteht aus den Komponenten CA und CB im Molekülverhältnis 1:1. CA ist ein nicht-toxisches, nicht-enzymatisches, saures Protein, während CB die toxische Komponente, ein Phospholipase-A2-Protein, darstellt. Beide Komponenten bilden einen nicht-kovalenten heterodimeren Komplex ( Proteindimer ). Es wurde festgestellt, dass Isoformen ( Proteinisoformen ) von CA und CB mindestens 16 verschiedene CTX-Komplexe bilden können. ^{[ 3 ]}

Das CA-Protein besteht aus drei über Disulfidbrücken verbundenen Polypeptidketten: α, β und γ. Die α- und β-Ketten bilden Alpha-Helices mit Schleifen an den Enden. Die γ-Kette bildet eine ungeordnete Schleife. Die Komponente CA ist im heterodimeren Komplex vorhanden, um die Bindung der Phospholipase A2 an unspezifische Bindungsstellen zu verhindern. ^{[ 3 ]}

Die CB-Untereinheit ist ein Phospholipase-A2-Protein. Der C-Terminus der CB-Untereinheit ist für die Interaktion beider Untereinheiten wichtig, da er mit einer α-Helix der CA-Untereinheit interagiert. Die CA-Untereinheit blockiert dadurch einen Teil der Enzymoberfläche der Phospholipase A2, wodurch deren Aktivierung verhindert wird. Dies bedeutet, dass die Phospholipase A2 nicht von der Zellmembran an die Lipid/Wasser-Grenzfläche adsorbieren kann. Die Aminosäurereste F24 und F119 der CB-Untereinheit, die an der Enzymoberfläche beteiligt sind und von der CA-Untereinheit blockiert werden, sind Phenylalanin . Es wurde jedoch festgestellt, dass diese Reste nicht zum aktiven Zentrum gehören . ^{[ 6 ]}

Die Grenzfläche zwischen CA und CB wird durch drei Tryptophan -Aminosäuren gebildet, die eine wichtige Rolle für die Stabilität des Crotoxin-Komplexes spielen. ^{[ 3 ]}

Die verschiedenen Isoformen der Untereinheiten CA und CB können Crotoxin-Komplexe bilden, die in zwei Klassen unterteilt werden können: mäßig toxische Komplexe mit hoher Phospholipase-A2-Aktivität und stärker toxische Komplexe mit geringerer Enzymaktivität. Die Isoformen beeinflussen somit auch die Stabilität des Crotoxin-Komplexes. Weniger toxische Komplexe sind weniger stabil, während toxischere Komplexe stabiler sind. Daher dissoziieren die toxischeren Crotoxin-Komplexe langsamer als die weniger toxischen. Der Zusammenhang zwischen Toxizität und Enzymaktivität beruht auf der synergistischen Wirkung beider Untereinheiten. Die CA-Untereinheit verstärkt die Toxizität der CB-Untereinheit, während sie deren Enzym- und Antikoagulanzienaktivität verringert. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Die primäre Wirkungsweise von Crotoxin ist zweifach: präsynaptisch und postsynaptisch. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Die präsynaptische Hemmung der Acetylcholinsekretion wird durch die Phospholipase-A2-Aktivität der CB-Untereinheit verursacht. Der genaue Mechanismus der präsynaptischen Acetylcholinhemmung durch Phospholipase A2 (PLA2) ist unbekannt. Obwohl der präsynaptische Effekt durch die CB-Untereinheit hervorgerufen wird, wird er durch die Anwesenheit der CA-Untereinheit verstärkt. ^{[ 12 ]}

Es gibt einige Hypothesen und Modelle, die versuchen, die pharmakologischen Effekte der Phospholipase A2 (PLA2)-Aktivität zu erklären.

Eine Hypothese basiert auf der Schädigung von Membranphospholipiden durch PLA2 mittels Hydrolyse an spezifischen Bindungsstellen exozytotisch aktiver Membranbereiche. Dies könnte die Reabsorption von Vesikeln beeinträchtigen und den Acetylcholin-Speicher erschöpfen. ^{[ 13 ]} Eine andere Hypothese geht von der spezifischen Bindung an Rezeptoren und Proteine ​​aus, wodurch intrazelluläre enzymabhängige und -unabhängige Reaktionen ausgelöst werden. Die Membranschädigung durch PLA2 ermöglicht es PLA2, in die Zellen einzudringen und spezifisch an Proteine ​​und Rezeptoren zu binden – entweder agonistisch oder antagonistisch –, wodurch nicht-enzymatisch pharmakologische Effekte hervorgerufen werden. Intrazelluläres PLA2 könnte auch enzymatisch aktiv bleiben und Membranphospholipide hydrolysieren. Dies könnte durch die Schädigung der Membranen und Membranproteine ​​oder durch die bei der Hydrolyse freigesetzten Lysophospholipide und Fettsäuren zu pharmakologischen Effekten führen . ^{[ 14 ]} Die letzte Hypothese basiert auf den induzierten Veränderungen der Ca²⁺-Konzentrationen in den betroffenen Zellen. Die großen Veränderungen der Ca2+-Konzentrationen beeinträchtigen zahlreiche Prozesse, darunter die Vesikelfusion und das mitochondriale Membranpotenzial . Beide Prozesse sind wichtig für die Acetylcholin- Homöostase . ^{[ 15 ]}

Der zweite Teil des Wirkmechanismus von Crotoxin ist postsynaptisch. Postsynaptische nikotinische Acetylcholinrezeptoren werden durch die heterodimere Form von Crotoxin blockiert. Diese Blockade wird durch eine Stabilisierung der inaktiven Form der nikotinischen Acetylcholinrezeptoren durch den Enzymkomplex erreicht. Zusammen mit der präsynaptischen Acetylcholinhemmung kann dieser postsynaptische Effekt zur Lähmung der betroffenen Muskeln führen. ^{[ 11 ]}

Crotoxin hat tödliche neurotoxische Wirkungen, da die Toxizität von CB durch CA synergistisch verstärkt wird. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Viele Menschen sterben an akutem Nierenversagen oder akutem Atemversagen. Letzteres ist die Folge einer Muskellähmung im Atmungssystem. ^{[ 18 ]} Niedrige Crotoxinspiegel führen zu einer unvollständigen Blockade des Acetylcholinrezeptors und damit zu einer vollständig reversiblen Parese. Bei höheren Dosen ist die neuromuskuläre Beeinträchtigung schwerwiegender. Auch andere cholinerge Symptome treten häufig auf, insbesondere bei höheren Dosen. Die intramuskuläre Injektion von Crotoxin zeigt zudem myotoxische Wirkungen. ^{[ 19 ]} Die intravenöse LD50 ( mittlere letale Dosis ) von nativem Crotoxin beträgt 0,096 μg/g bei Mäusen. ^{[ 20 ]} Es wurde berichtet, dass Mäuse eine Toleranz gegenüber dem Toxin entwickeln können, wenn sie täglich steigende Crotoxindosen erhalten. Sie können schließlich Dosen bis zum 35-Fachen der LD50 tolerieren, ohne vergiftet zu werden. ^{[ 21 ]} Präklinische Studien an Patienten zeigen außerdem, dass die Toxizitätssymptome abnahmen oder verschwanden, wenn die Patienten über einen längeren Zeitraum Crotoxin ausgesetzt waren. ^{[ 19 ]}

In Brasilien ereignen sich jährlich fast 2.000 Schlangenbisse durch die Gemeine Krokodilnatter (Crotalus durissus) . Die einzige Behandlungsmöglichkeit bei einem Biss dieser Schlange ist ein speziell entwickeltes Gegengift , das intravenös verabreicht werden muss. Mit der Verfügbarkeit dieses Gegengifts sank die Sterblichkeitsrate von 73 % auf 1,5 %. Die Dosierung des Gegengifts variiert je nach Schweregrad der Vergiftung zwischen 10 und 20 Ampullen. Die Wirksamkeit dieser Dosierungen wurde jedoch noch nicht klinisch untersucht. ^{[ 18 ]}

Das Crotoxin im Gift von C. durissus ist ein starkes Neurotoxin, das auch renale und myotoxische Wirkungen hervorruft. Neben seinen toxischen Effekten zeigt Crotoxin in Human- und Tiermodellen auch entzündungshemmende, immunmodulatorische, anti-HIV- und antitumorale Wirkungen. ^{[ 4 ]} Da der Körper gegenüber den toxischen Wirkungen von Crotoxin eine Toleranz entwickeln kann, sind diese Effekte für die pharmazeutische Anwendung von Interesse. ^{[ 19 ] [ 22 ]}

Da Crotoxin als neuromuskulärer Blocker wirkt , wurden bereits Studien durchgeführt, um zu untersuchen, ob es zur Behandlung von Muskelverspannungen eingesetzt werden kann. ^{[ 23 ]} In einer Studie konnte gezeigt werden, dass Crotoxin nach der Injektion die Augenstellung bei Patienten mit Schielen verbessert. Dieselbe Studie zeigte auch, dass es Patienten mit Blepharospasmus helfen könnte . ^{[ 23 ]} Bei niedrigen Crotoxin-Konzentrationen zeigen Patienten mit Muskeldystonien eine normale Funktion. Daher wird es als gute Alternative zu Botulinumtoxin vorgeschlagen . [ ^{24 ]} Klinische Studien haben gezeigt, dass der Crotoxin-Komplex und isoliertes CB antigene Eigenschaften besitzen, die die Antikörperproduktion anregen können . Einige Studien haben gezeigt, dass Crotoxin Symptome im Zusammenhang mit immunbedingten Erkrankungen und anderen Zuständen, einschließlich Krebs , verbessert . ^{[ 25 ]} Derzeit gibt es jedoch keine vom NCI ( National Cancer Institute ) geförderten klinischen Studien ^, die Crotoxin zur Krebsbehandlung untersuchen. ^{[ 26 ]}