Nodularin

Nodularine sind starke Toxine ^{, die unter anderem vom Cyanobakterium Nodularia spumigena produziert werden [1, 2 ]} . Dieses aquatische ^{, photosynthetische} Cyanobakterium ^{bildet sichtbare} Kolonien , die als Algenblüten in Brackwassergebieten weltweit auftreten ^{[ 3 ]} . Die spätsommerlichen Algenblüten von Nodularia spumigena zählen zu den größten Cyanobakterien-Massenereignissen weltweit. Cyanobakterien bestehen aus vielen toxischen Substanzen, insbesondere aus Microcystinen und Nodularinen; die beiden lassen sich nicht leicht unterscheiden. Zwischen ihnen besteht eine signifikante Homologie in Struktur und Funktion, und Microcystine wurden detaillierter untersucht. Daher werden Erkenntnisse über Microcystine häufig auf Nodularine übertragen ^{[ 4 ] .}

Nodularin-R ist die vorherrschende Toxinvariante, obwohl bisher zehn weitere Nodularinvarianten entdeckt wurden. Nodularine sind cyclische, nichtribosomale Pentapeptide und enthalten mehrere ungewöhnliche , nicht-proteinogene Aminosäuren wie N-Methyl-didehydroaminobuttersäure und die β-Aminosäure ADDA . Diese Verbindungen sind relativ stabil: Licht, Temperatur und Mikrowellen tragen nur geringfügig zu ihrem Abbau bei. ^{[ 5 ]}

Nodularine werden häufig mit Gastroenteritis , allergischen Reizreaktionen und Lebererkrankungen in Verbindung gebracht. ^{[ 6 ]} Nodularin-R ist vor allem als starkes Lebergift bekannt, das schwere Leberschäden bei Menschen und Tieren verursachen kann. Der von der WHO festgelegte Grenzwert für die Trinkwasserkonzentration von Nodularinen (abgeleitet von Microcystin-LR) beträgt 1,5 µg/l. ^{[ 7 ]}

_{Nodularin-R besitzt die} Summenformel C₄₁H₆₀N₈O₁₀ _und eine mittlere Molmasse von 824,963 g/mol. Die Verbindung weist acht definierte Stereozentren auf. _[ 8 ^{] Es handelt} sich um einen Feststoff. In Methanol ist Nodularin mit einer Konzentration von 2 mg/ml löslich. _[ 9 ^{] Es zersetzt} sich langsam bei Temperaturen über 40 °C (104 °F) und pH-Werten unter 1 und über 9. ^{[ 10 ]} Nodularine sind in wässrigen Lösungen typischerweise beständig gegenüber Hydrolyse und Oxidation. ^{[ 11 ]} Gefährliche Zersetzungsprodukte von Nodularinen sind Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. ^{[ 12 ]}

Das Grundgerüst der Nodularinstruktur lautet D-Masp ^¹ - Z ^² - Adda^³ - D-γ-Glu ^⁴ - Mdhb^⁵ , wobei Z eine variable Aminosäure ist. Die systematische Bezeichnung „Nodularin- Z “ (kurz NOD - Z ) wird dann anhand des Einbuchstabencodes (sofern verfügbar; andernfalls des längeren Codes) der Aminosäure vergeben. Beim häufig vorkommenden NOD-R ist die Aminosäure Z Arginin . ^{[ 13 ]}

Nodularin wirkt primär auf die Leber, reichert sich aber auch im Blut, Darm und in den Nieren an. ^{[ 14 ]} In der Leber führt diese Schädigung zu Zytoskelettschäden, Nekrose und rascher Blasenbildung der Hepatozyten . Zelltod und Blasenbildung zerstören auch die feineren Blutgefäße der Leber. Die Schädigung führt zu einer Blutansammlung in der Leber, die eine Gewichtszunahme von bis zu 100 % zur Folge haben kann. Der Tod durch Nodularinvergiftung tritt durch diesen hämorrhagischen Schock ein. Dieser wirkt schnell und tritt innerhalb weniger Stunden nach einer hohen Dosis ein. ^{[ 15 ]}

Auf molekularer Ebene wird Nodularin auf komplexe Weise verstoffwechselt, um toxische Wirkungen hervorzurufen. Während der Verdauung diffundiert Nodularin aus dem Dünndarm in die Leber, aufgenommen durch einen unspezifischen organischen Anionentransporter des Gallensäuretransportsystems. Dieser Transporter wird im Magen-Darm-Trakt, in der Niere, im Gehirn und in der Leber exprimiert. ^{[ 16 ]} In der Leber hemmt Nodularin drei Schlüsselenzyme, genauer gesagt die katalytischen Einheiten der Serin/Threonin-Proteinphosphatasen: Proteinphosphatase 1 (PP-1), Proteinphosphatase 2A (PP-2A) und Proteinphosphatase 3 (PP-3). ^{[ 17 ]} Diese Enzyme wirken, indem sie das Phosphat von einem Protein abspalten und so dessen Funktion hemmen.

Eine anfängliche nicht-kovalente Wechselwirkung zwischen der ADDA-Seitenkette (insbesondere dort, wo ADDA eine 6E-Doppelbindung aufweist) des Nodularins und einer freien D-Glutamyl-Carboxylgruppe einer cyclischen Struktur der Phosphatase ist die Ursache der Toxizität. Die ADDA-Gruppe blockiert die Enzymaktivität (Phosphatase), indem sie mit der hydrophoben Tasche interagiert und den Substratzugang zum aktiven Zentrum behindert. Die Toxin-Phosphatase-Bindungen (Nodularin-PP-1, Nodularin-PP-2A) sind extrem stark. Dies führt zur Hemmung der Enzymaktivität. Nodularine unterscheiden sich hier von Microcystinen: Nodularine binden nicht-kovalent an Proteinphosphatasen, während Microcystine kovalent binden. ^{[ 18 ]}

Eine weitere Interaktion beinhaltet eine Michael-Addition einer elektrophilen α,β-ungesättigten Carbonylgruppe eines Methyldehydroalaninrests des Nodularins an ein Thiol des Cysteins 273 von PP-1. ^{[ 19 ]} Obwohl die kovalente Bindung in Schritt 2 für die Hemmung der Enzymaktivität nicht essentiell ist, trägt sie zur Aktivitätsvermittlung bei. Ohne diese kovalente Bindung ist die Affinität von Nodularin zur Phosphatase um mehr als das Zehnfache reduziert. ^{[ 20 ]} Die Hemmung der Proteinphosphatasen führt zu einer erhöhten Phosphorylierung von Zytoskelettproteinen und zytoskelettassoziierten Proteinen. Die Hyperphosphorylierung von Intermediärfilamenten der Zelle, insbesondere von Zytokeratin 8 und Zytokeratin 18 , ist die Hauptursache für das Proteinungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht stimuliert die Umverteilung und Neuanordnung dieser Proteine, was die gesamte Zellmorphologie und die Membranintegrität verändert. Genauer gesagt führt diese Umverteilung zum Zusammenbruch der Aktin-Mikrofilamente im Zytoskelett der Hepatozyten und zur Dislokation von α-Actinin und Talin . Der Kontakt zu benachbarten Zellen wird reduziert, und die Sinusoidkapillaren verlieren an Stabilität, was rasch zu intrahepatischen Blutungen und häufig zu schweren Leberfunktionsstörungen oder zum Tod führt. ^{[ 21 ]}

Darüber hinaus sind Nodularine an der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), insbesondere von Superoxid- und Hydroxylradikalen, beteiligt, die in der Folge über einen unbekannten Mechanismus durch Peroxidation von Lipiden, Proteinen und DNA oxidative DNA-Schäden verursachen. ^{[ 22 ]}

Nodularine haben aufgrund ihrer tumorinitiierenden und tumorfördernden Eigenschaften große Aufmerksamkeit als potenziell krebserregende Bakterien erlangt. Ihre tumorfördernde Wirkung ist deutlich stärker als die von Mikrocystinen; dies wird auf die kleinere Ringstruktur der Nodularine zurückgeführt, die ihre Aufnahme in Hepatozyten erleichtert. Diese tumorfördernde Wirkung wird durch die induzierte Genexpression von TNF-alpha und Protoonkogenen erzielt , wobei der genaue Mechanismus jedoch noch unbekannt ist. Darüber hinaus werden die Tumorsuppressor-Genprodukte Retinoblastom und p53 durch die oben beschriebene Phosphorylierung inaktiviert. Eine Inaktivierung der Tumorsuppressoren begünstigt das Tumorwachstum.

Aus Sicht der öffentlichen Gesundheit und Epidemiologie besteht ein Zusammenhang zwischen primärem Leberkrebs in bestimmten Gebieten Chinas und dem Vorkommen von Nodularinen und Mikrocystinen im Wasser von Teichen, Gräben, Flüssen und flachen Brunnen. ^{[ 23 ]}

Experimente an Ratten, bei denen die Tiere nicht-letalen Dosen von Nodularin ausgesetzt wurden, lieferten Hinweise auf dessen karzinogene Wirkung durch tumorinitiierende und tumorfördernde Aktivität. Dies wird durch die Hemmung von PP-1 und PP-2A erreicht. Nodularine sind an der Expression der Onkogene und Tumorsuppressorgene Tumornekrosefaktor-alpha , c-jun , jun-B, jun-D, c-fos , fos-B und fra-1 beteiligt. Weitere Daten sind erforderlich, um die Karzinogenität von Nodularinen besser zu verstehen. ^{[ 24 ]}

Zu den Symptomen einer Exposition gehören Blasenbildung um den Mund, Halsschmerzen, Kopfschmerzen, Bauchschmerzen, Übelkeit und Erbrechen, Durchfall, trockener Husten und Lungenentzündung. ^{[ 25 ]} Bei längerer Einnahme nicht-tödlicher Dosen kann es zu Leberschäden in Form chronischer Symptome einer Lebererkrankung kommen. Zu diesen Symptomen zählen Gelbsucht, Blutungsneigung, geschwollener Bauch, Verwirrtheit oder Desorientierung, Schläfrigkeit oder Koma.

Nodularine schädigen typischerweise Wasserorganismen wie Fische und Pflanzen. In einigen Fällen wurden sie jedoch auch mit Todesfällen bei Hunden, Schafen und Menschen in Verbindung gebracht (Dawson et al.). Nodularinvergiftungen sind beim Menschen selten: Nur sehr wenige Fälle wurden bisher als solche bestätigt.

Nodularine können durch Verschlucken, Einatmen und Hautkontakt Symptome hervorrufen. Zu den Expositionswegen zählen die Aspiration der Bakterien, der Hautkontakt, die orale Aufnahme und/oder das Einatmen bei Freizeitsport, professioneller Fischerei oder im Haushalt, beispielsweise beim Duschen. ^{[ 26 ]} Herkömmliche Wasseraufbereitungsverfahren entfernen Nodularine und Mikrocystine nicht vollständig aus Rohwasser. ^{[ 27 ]} Nodularine können auch über kontaminiertes Trinkwasser oder kontaminierte Meeresfrüchte aufgenommen werden. Insbesondere wurden Nodularine in relativ hohen Konzentrationen in Ostseemuscheln, Miesmuscheln, Flundern, Kabeljau und Dreistacheligen Stichlingen und in relativ geringeren Konzentrationen in Heringen und Lachsen nachgewiesen. ^{[ 28 ]} Darüber hinaus wurde dokumentiert, dass Nodularine während der Nierendialyse über kontaminiertes Wasser in den menschlichen Körper gelangen. ^{[ 29 ]} Böiger Wind kann Substanzen aus Cyanobakterienblüten bis zu 10 km weit verbreiten und so das potenzielle Expositionsgebiet vergrößern.

Aktuell werden Toxinkonzentrationen üblicherweise als die Masse der Nodularine in den Zellen und die in einem definierten Wasservolumen gelöste Masse angegeben. Der vorläufige Sicherheitsrichtwert für Nodularine liegt bei 1 Mikrogramm/Liter. Die letale Dosis (LD) für orale Toxizität wird anhand von Mikrocystinen geschätzt und mit 5 mg/kg angegeben. Die Toxizität von Nodularinen, basierend auf der LD und der inhalativen Toxizität, ist vergleichbar mit der von chemischen Organophosphat-Nervenkampfstoffen. ^{[ 30 ]}

Da Nodularinvergiftungen selten sind und die Abgrenzung von einer Nodularinvergiftung weiterhin schwierig ist, existiert keine Standardbehandlung. Da Nodularine und Mikrocystine zudem rasche und irreversible Leberschäden verursachen, ist eine Therapie weitgehend wirkungslos. Auch eine chronische Exposition gegenüber niedrigen Konzentrationen schädigt die Leber. ^{[ 31 ]} Es sind unbedingt Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um eine Exposition zu vermeiden. ^{[ 32 ]}

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Behandlung während und nach der Nodularin-Exposition mit Melatonin (Dosis: 15 mg/kg Körpergewicht) eine Schutzwirkung gegen oxidativen Stress und Schäden, die durch Nodularine hervorgerufen werden, haben kann. ^{[ 33 ]}

Zu den Risikogruppen für eine Nodularinvergiftung zählen Menschen, Tiere und Pflanzen, die in einem Umkreis von 10 km um Küsten- und Seeufergebiete leben. Darüber hinaus besteht für Menschen ab 50 Jahren ein erhöhtes Risiko.

Sicherheitsrichtlinien, insbesondere im Hinblick auf die Reinheitsstandards von Trinkwasser, können zur Risikominderung beitragen. Mikroorganismen haben sich beim Abbau und der Entfernung von Nodularinen als wirksam erwiesen und könnten daher zur Bekämpfung von Cyanobakterienblüten in öffentlichen Wasserversorgungsanlagen beitragen. Schutzkleidung und das Meiden von Bereichen mit sichtbaren Cyanobakterienblüten verringern das Risiko einer versehentlichen Exposition.

Die Synthese von Nodularinen ist derzeit noch nicht vollständig verstanden. Die Biosynthese von Nodularinen ist nichtribosomal. Sie wird durch Multienzymkomplexe katalysiert, die Peptidsynthetasen, Polypeptidsynthetasen und Modifizierungsenzyme umfassen. Der Gencluster von N. spumigena wurde sequenziert, und seine Funktionalität wurde aus dem Wissen über verwandte Microcystin-Biosynthesegene abgeleitet. ^{[ 34 ]}

Nodularine können auch von anderen Cyanobakterien produziert werden. Einige Stämme von Nostoc , die in Symbiose mit Pflanzen leben, produzieren Nodularin; andere Stämme produzieren Microcystin. Es wurde diskutiert, welche Verbindungsklasse das ursprüngliche Hepatotoxin darstellte: Neuere Autoren argumentieren, dass Nodularin aus dem Microcystin-Syntheseapparat hervorgegangen sei ^{[ 2 , 35 ] ,} während einige ältere Artikel das Gegenteil vertreten ^{[ 36 ] .}

Ein im Meeresschwamm Theonella swinhoei vorkommendes Nodularin , Nodularin-V in der systematischen Nomenklatur, ist besser bekannt alsMotuporin . Es ist unklar, wie der Schwamm diese Substanz produziert; es wird vermutet, dass sie von einem Cyanobakterien-Symbionten stammt. ^{[ 37 ]}

Der erste dokumentierte Fall einer Nodularinvergiftung betraf ein Tier (ein Schaf) in Australien im Jahr 1878. Die chemische Struktur von Nodularin-R wurde 1988 aufgeklärt. In Caruaru, Brasilien, wurden 1996 Dialyselösungen aus einem lokalen Reservoir mit Blaualgen verunreinigt. Von den 131 Hämodialysepatienten, die diesen Lösungen ausgesetzt waren, entwickelten 100 ein akutes Leberversagen, und 52 von ihnen starben an einer toxischen Hepatitis. ^{[ 38 ]}

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