Kyselina domoová, neurotoxin způsobující ztrátu krátkodobé paměti

Transkript

1 Kyselina domoová, neurotoxin způsobující ztrátu krátkodobé paměti Domoic Acid, a Neurotoxin Which Causes Short-Term Memory Loss SOUHRN Jiří Patočka Katedra toxikologie, Vojenská lékařská akademie, Hradec Králové Kyselina domoová, aminokyselina produkovaná některými mikroskopickými řasami mořského fytoplanktonu, je příčinou toxicity některých mořských živočichů, zejména měkkýšů. Jejich konzumace vyvolá neobvyklou otravu doprovázenou v mnoha případech trvalou ztrátou krátkodobé paměti. Jsou uvedeny základní informace o tomto zajímavém excitotoxinu. Klíčová slova: kyselina domoová, excitotoxin, amnestická otrava měkkýši SUMMARY Domoic acid, an amino acid produced by some microalgae of the sea phytoplankton, can cause the toxicity of some sea animals, especially shellfish. Their consumption may lead to unusuall poisoning accompanied in many cases by permanent short-term memory loss. The article brings basic information about this interesting excitotoxin. Key words: Domoic acid, excitotoxin, amnesic shellfish poisoning Úvod Intoxikace lidí způsobené konzumací mořských živočichů, zejména ryb a měkkýšů, jsou v přímořských státech poměrně časté a nezřídka končí smrtí. Toxiny, které jsou příčinnou těchto intoxikací, však nejsou produkovány samotnými živočichy, ale dostávají se do nich s potravou, zejména s různými mikroorganizmy tvořícími plankton. Mořských toxinů je dnes známo velké množství, vyvolávají řadu různých typů otrav a mnohé z nich patří mezi nejtoxičtější známé jedy. Jejich přítomnost v mořských živočiších je však nepravidelná a obtížně předvídatelná, což občas vede k hromadným otravám lidí (Culotta, 1992). Toxiny a otravy jimi způsobené jsou především předmětem zájmu toxikologů, ale existuje jeden typ otravy, který je zajímavý i pro psychiatry (Olney, 1994). Je totiž doprovázen ztrátou krátkodobé paměti a v anglosaské literatuře je znám pod označením Amnesic Shelfish Poisoning, ASP. Toxinem zodpovědným za tento amnestický účinek je neobvyklá aminokyselina, kyselina domoová, jíž je věnován tento článek. Historie ASP

2 Do podvědomí veřejnosti se ASP dostala v listopadu roku 1987, když bylo postiženo akutní intoxikací 156 lidí poté, co konzumovali slávku jedlou (Mytilus edulis L.) v jedné restauraci v Zálivu Sv. Vavřince. Tito měkkýši pocházeli z umělého chovu na Ostrově Prince Edwarda (Perl et al., 1990). Téměř 20 lidí muselo být hospitalizováno a tři starší pacienti na následky intoxikace zemřeli (Addison a Steward, 1989; Perl et al., 1990). Tragickým symptomem intoxikace byla destrukce krátkodobé paměti u 107 pacientů, kteří přežili. Nepamatovali si nic, co se stalo po intoxikaci. Někteří nepoznávali své dřívější známé a příbuzné. Ztráta krátkodobé paměti trvala několik let a u dvanácti intoxikovaných byla trvalá (Teitelbaum et al., 1990). Takovéto neurologické poškození po otravě jídlem nebylo do té doby pozorováno, proto do pátrání po toxinu s tak mimořádným biologickým účinkem bylo zapojeno mnoho mořských biologů a chemiků. Identifikace nebyla snadná, ale nakonec se podařila a jako původce této mysteriózní intoxikace byla identifikována kyselina domoová. Zdroj toxinu Bylo zjištěno, že zdrojem toxinu - kyseliny domoové - je mikroskopická řasa Pseudonitzschia pungens, forma multiseries, která je pravidelnou součástí volně plovoucího mořského fytoplanktonu (Stewart et al., 1998). Toxin byl identifikován jako trikarboxylová aminokyselina a byl nazván kyselina domoová (obr. 1). Tato látka byla nalezena již dříve v rudé mořské řase Chondria armata (Takemoto a Daigo, 1958; Daigo, 1959), jejíž extrakt je po staletí využíván v Japonsku jako osvědčený prostředek proti škrkavkám. Až do roku 1990 však nikdo netušil, jaké další biologické účinky tato látka má a jak může být nebezpečná (Perl et al., 1990). Kyselina domoová je produkována i dalšími řasami tvořícími mořský plovoucí plankton (Walz et al., 1994). Někteří mořští živočichové, kteří se planktonem živí, zejména bezobratlí, jsou proti účinku kyseliny domoové odolní, ale jejich maso se stává toxické pro savce, včetně člověka (Teitelbaum et al., 1990). Obrázek 1: Chemická struktura kyseliny domoové Sledování hladin kyseliny domoové v mase mořských živočichů je od roku 1990 pod trvalou kontrolou státních orgánů v USA i Kanadě, podobně jako sledování dalších nebezpečných mořských toxinů, jako jsou saxitoxin, tetrodotoxin apod. V roce 1991 byla kyselina domoová nalezena v některých druzích mořských živočichů (krabi, garnáti, ústřice) ulovených v pobřežních vodách Kalifornie, Oregonu a Washingtonu. Koncentrace kyseliny domoové v planktonu pobřežních vod USA jsou nyní pravidelně monitorovány Washington Department of Fish and Wildlife a aktuální údaje je možno nalézt na internetové adrese Nahlédnutím do

3 prezentovaných grafů lze zjistit, že koncentrace tohoto toxinu značně kolísá od nulových hodnot až po koncentrace kolem 300 ppm a maxima je dosahováno v podzimních a zimních měsících. Zdá se, že zvýšené hladiny kyseliny domoové jsou zodpovědné i za smrt velkého množství pelikánů hnědých a kormoránů Brandtových v roce 1991 u Santa Cruz (Work et al., 1993) a nejméně 62 lvounů hřivnatých v roce 1998 v zálivu Monterey (Anonym, 1998). Podobně jsou koncentrace kyseliny domoové monitorovány i kanadskými úřady v Quebecu a Britské Kolumbii. Za maximálně přípustné množství kyseliny domoové se považuje 20 mg tohoto toxinu v 1 kg masa mořských živočichů (Work et al., 1993). Toto je také maximální množství kyseliny domoové, které může být přítomno v Japonském domácím prostředku proti škrkavkám, který se vyrábí z řasy Chondria armata. Protože množství kyseliny domoové v tomto prostředku je malé, nebyl při jeho používání nikdy pozorován amnestický účinek přítomného toxinu. Zvýšené nebezpečí otrav mořskými živočichy je spojováno s výskytem tzv. červeného přílivu způsobeného přemnožením některých toxických druhů planktonu (Culotta, 1992). Při objevení se červeného přílivu je vyhlašován poplach, v moři je zakázáno se koupat a všechny dodávky mořských živočichů na trh jsou kontrolovány na přítomnost toxinů. Tím je nebezpečí otravy značně omezeno. Z literárních pramenů z 18., 19. i 20. století je však zřejmé, že otravy s následkem smrti po požití ústřic a slávek byly v minulosti dosti časté v mnoha přímořských státech (Smayda a Shimizu, 1993). Kyselina domoová Je to neobvyklá aminokyselina se třemi karboxylovými skupinami, molekulové hmotnosti 312 Da a molekulárního vzorce C15H22NO6. Její strukturní vzorec (obr. 1) napovídá, že je derivátem prolinu se dvěma karboxylovými skupinami v pozicích 1 a 2 a další karboxylovou skupinou v postranním sedmiuhlíkatém řetězci v pozici 3, kde jsou přítomny také dvě konjugované dvojné vazby. Mechanizmus účinku Kyselina domoová je svou chemickou strukturou blízká kyselině glutamové a podobně jako tato aminokyselina patří mezi neurotoxické excitotoxiny (Debonnel et al., 1989; Xi et al., 1997). Její struktura je však díky přítomnosti pětičlenného kruhu mnohem rigidnější a je také asi stokrát účinnější než kyselina glutamová. Váže se na NMDA-glutamátové receptory neuronů a otevírá iontové kanály pro vápník, čímž způsobí, že vápník se dostává ve vysoké koncentraci do nervových buněk, tam stimuluje některé enzymy štěpící proteiny a produkuje velké množství volných radikálů. Výsledkem toho je narušení funkce neuronu, respektive jeho nevratné poškození (Appet et al., 1997; Tasker a Strain, 1998). Vazbou kyseliny domoové na NMDA-glutamátové receptory, které jsou jedním ze substrátů molekulární podstaty paměti (Bailey et al., 1996), je možno vysvětlit dramatický účinek tohoto excitotoxinu na paměť. Nedávno bylo prokázáno, že kyselina domoová zvyšuje uvolňování dopaminu ve striátu laboratorního potkana (Arias et al., 1998), což podporuje představu, že uvolňování dopaminu je regulováno presynaptickými NMDA-glutamátovými receptory (Wang, 1991). V dávce 1 mg/kg vyvolává kyselina domoová amnézii u potkanů a narušuje jejich prostorovou orientaci a krátkodobou (pracovní) paměť (Nakajima a Potvin, 1992). Experimenty na zvířatech jednoznačně potvrzují, že kyselina domoová je velice nebezpečným neurotoxinem (Slikker et al., 1998). Klinický obraz intoxikace Symptomy otravy kyselinou domoovou se objevují nejdříve 30 minut a nejpozději 24 hodin po konzumaci toxických mořských živočichů, v závislosti na množství zkonzumovaného jedu. Lehká až středně těžká intoxikace se vyznačuje zvracením, průjmy, křečemi v žaludku, bolestmi hlavy, závratí a zmateností a symptomy zpravidla odeznívají do 24 hodin po objevení se prvých příznaků. U těžkých intoxikací se navíc objevuje silná dušnost, záchvaty křečí a bezvědomí a u starších či jinak oslabených osob může nastat smrt do 48 hodin po objevení se prvých příznaků. U části intoxikovaných, kteří přežijí, se objevuje trvalá porucha krátkodobé (pracovní) paměti, připomínající Alzheimerovu chorobu. V tomto směru se intoxikace kyselinou domoovou liší od všech ostatních intoxikací jinými mořskými toxiny. Úmyslná otrava kyselinou domoovou je klíčovým motivem amerického detektivního filmu Sladké

4 sny režiséra J. Bendera z roku Jednoho dne se na pláži probudí mladá atraktivní dívka, která neví, jak se na pláž dostala, jak se jmenuje, kdo je. Její duševní stav je právě důsledkem intoxikace kyselinou domoovou, vloženou do nápoje manželem, který tímto neobvyklým způsobem řeší svůj manželský problém. Excitační neurotoxiny ve vztahu k degenerativním chorobám mozku Může být překvapující, jak relativně jednoduchá molekula, jako je kyselina domoová, může vyvolat tak závažnou neurologickou poruchu, jako je trvalá ztráta krátkodobé paměti. V experimentech na zvířatech bylo potvrzeno, že podávání kyseliny domoové způsobuje poškození neuronů v hipokampu a rozsáhlé ireverzibilní morfologické změny doprovázené ztrátou krátkodobé paměti (Strain a Tasker, 1991; Scallet et al., 1993). Tento efekt je realizován interakcí kyseliny domoové s NMDA receptory (Berman a Murray 1997) a zvýšeným prostupem kalcia do neuronů hipokampu (Xi a Ramsdell, 1996). Takovouto poruchu je možno u laboratorních zvířat vyvolat i jinými excitotoxiny (kyselina kainová, kyselina quisqualová, b-n-oxalylamino-l-alanin apod.) (Biscoe et al., 1975; Coyle a Schwarcz, 1976), což vedlo k vyslovení domněnky, že poškození některých neuronů a s tím spojené degenerativní poruchy mozku by mohly být způsobeny některými exogenními excitotoxiny, přítomnými v životním prostředí či endogenně produkovanými excitoxiny, vznikajícími jako důsledek patologicky pozměněného biochemizmu mozkové tkáně (Albin a Greenamyre, 1992; Dawson et al., 1995; Ikonomidou a Turski, 1996; Vecsei et al., 1998). Doc. RNDr. Jiří Patočka, DrSc. Katedra toxikologie Vojenská lékařská akademie Hradec Králové patocka@pmfhk.cz LITERATURA Albin RL, Greenamyre JT. Alternative excitotoxic hypotheses. Neurology 1992;42: Anonym. Poisonous acid from toxic algae killed sea lions. US & World News, Monerey, July 1, Appel NM, Rapoport SI, O Callaghan JP, Bell JM, Freed LM. Sequelae of parenteral domoic acid administration in rats: comparison of effects on different metabolic markers in brain. Brain Res 1997;754: Arias B, Durán R, Alfonso M. In vivo release of dopamine and its metabolites from rat striatum in response to domoic acid. Neurochem Res 1998;23: Bailey CH, Bartsch D, Kandel ER. Toward a molecular definition of long-term memory storage. Proc Nat Acad Sci USA 1996;93: Berman FW, Murray TF. Domoic acid neurotoxicity in cultured cerebellar granule neurons is mediated predominantly by NMDA receptors that are activated as a consequence of excitatory amino acid release. J Neurochem 1997;69: Biscoe TJ, Evans RH, Headley PM, Martin M, Watkins JC. Domoic and quisqualic acids as potent amino acid excitants of frog and rat spinal neurons. Nature 1975;257: Coyle JT, Schwarcz R. Lesion of striatal neurons with kainic acid provides a model for Huntington s chorea. Nature 1976;263: Culotta E. Red menace in the world s oceans. Science 1992;257: Daigo K. Studies on the constituents od Chondria armata. II. Isolation of an anthelmintical constituent. J Jap Pharm Assoc 1959;79:

5 Dawson R Jr, Beal MF, Bondy SC, Di Monte DA, Isom GE. Excitotoxins, aging, and environmental neurotoxins: implications for understanding human neurodegenerative diseases. Toxicol Appl Pharmacol 1995;134:1-17. Debonnel G, Beauchesne L, de Montigny C. Domoic acid, the alleged mussel toxin, might produce its neurotoxic effect through kainate receptor activation: an electrophysiological study in the dorsal hippocampus. Can J Physiol Pharmacol 1989;67: Ikonomidou C, Turski L. Neurodegenerative disorders: clues from glutamate and energy metabolism. Crit Rev Neurobiol 1996;10: Nakajima S, Potvin JL. Neural and behavioural effects of domoic acid, an amnesic shellfish toxin, in the rat. Canad J Physiol 1992;46: Olney JW. Excitoxins in foods. Neurotoxicology 1994;15: Perl TM, Bédard L, Kosatsky T, Hockin JC, Todd E, Remis RS. An outbreak of toxic encephalopathy caused by eating mussels contaminated with domoic acid. New England J Med 1990;322: Scallet AC, Binienda Z, Caputo FA, Hall S, Paule MG, Rountree RL, Schmued L, Sobotka T, Slikker W Jr. Domoic acid-treated cynomolgus monkeys (M. fascicularis): effects of dose on hippocampal neuronal and terminal degeneration. Brain Res 1993;627: Shimizu Y, eds. Toxic Phytoplankton Blooms in the Sea. New York: Elsevier Sci Publ, Slikker W, Scallet AC, Gaylor DW. Biologically-based dose-response model for neurotoxicity risk assessment. Toxicol Lett 1998; : Smayda TJ, Shimizu Y, eds. Toxic Phytoplankton Blooms in the Sea. New York: Elsevier Sci Publ, Stewart JE, Marks LJ, Gilgan MW, Pfeiffer E, Zwikler BM. Microbial utilization of the neurotoxin domoic acid: blue mussels (Mytilus edulis) and soft shell clams (Mya arenaria) as sources of the microorganisms. Can J Microbiol 1998;44: Strain SM, Tasker RA. Hippocampal damage produced by systemic injections of domoic acid in mice. Neuroscience 1991;44: Takemoto T, Daigo K. Constituents of Chondria armata. Chem Pharm Bull 1958;6: Tasker RA, Strain SM. Synergism between NMDA and domoic acid in a murine model of behavioural neurotoxicity. Neurotoxicology 1998;19: Teitelbaum JS, Zatorre RJ, Carpenter S, Gendron D, Evans AC, Gjedde A, Cashman NR. Neurologic sequelae of domoic acid intoxication due to the ingestion of contaminated mussels. New England J Med 1990;322: Vecsei L, Dibo G, Kiss C. Neurotoxins and neurodegenerative disorders. Neurotoxicology 1998;19: Walz PM, Garrison DL, Graham WM, Cattery MA, Tjeerdema RS, Silver MW. Domoic acid-producing diatom blooms in Monterey Bay, California: Natural Toxins 1994;2: Wang JK. Presynaptic glutamate receptors modulate dopamine release from striatal synaptosomes. J Neurochem 1991;57: Work TM, Beale AM, Fritz L, Quilliam MA, Silver M, Buck K, Wright JLC. Domoic acid intoxication of brown pelicans and cormorants in Santa Cruz, California. In: Smayda TJ, Xi D, Peng YG, Ramsdell JS.

6 Domoic acid is a potent neurotoxin to neonatal rats. Nat Toxins 1997;5: Xi D, Ramsdell JS. Glutamate receptors and calcium entry mechanisms for domoic acid in hippocampal neurons. NeuroReport 1996;7: