Трихотецен - Trichothecene
Трихотецены представляют собой очень большое семейство химически родственных микотоксинов, продуцируемых различными видами Fusarium , Myrothecium , Trichoderma , Trichothecium , Cephalosporium , Verticimonosporium и Stachybotrys . Трихотецены - это класс сесквитерпенов . Наиболее важными структурными особенностями, обуславливающими биологическую активность трихотеценов, являются 12,13-эпоксидное кольцо, присутствие гидроксильных или ацетильных групп в соответствующих положениях в ядре трихотецена, а также структура и положение боковой цепи. Они производятся на различных зерновых, таких как пшеница, овес или кукуруза, различными видами Fusarium, такими как F. graminearum , F. sporotrichioides , F. poae и F. equiseti .
Некоторые плесневые грибки, вырабатывающие трихотеценовые микотоксины, такие как Stachybotrys chartarum , могут расти во влажных помещениях. Было обнаружено, что макроциклические трихотецены, продуцируемые S. chartarum, могут переноситься по воздуху и, таким образом, вносить свой вклад в проблемы со здоровьем у людей, находящихся в зданиях. Ядовитый гриб в Японии и Китае , Podostroma Корень-Даме , содержит шесть трихотеценов, в том числе satratoxin Н , роридин Е и verrucarin .
Классификация
Основная классификация
Трихотецены представляют собой группу из более чем 150 химически родственных микотоксинов . Каждый трихотецен показывает структуру ядра, состоящую из одного шестичленного кольца, содержащего один атом кислорода, окруженного двумя углеродными кольцами. Эта центральная кольцевая структура содержит эпоксид или трициклический эфир в 12,13 углеродных положениях, а также двойную связь в 9,10 углеродных положениях. Эти две функциональные группы в первую очередь отвечают за способность трихотецена подавлять синтез белка и вызывать общие цитотоксические эффекты. Примечательно, что эта структура ядра является амфипатической , содержащей как полярные, так и неполярные части. Все трихотецены связаны этой общей структурой, но каждый трихотецен также имеет уникальный образец замещения кислородсодержащих функциональных групп в возможных местах на атомах углерода 3, 4, 7, 8 и 15. Эти функциональные группы определяют свойства отдельного трихотецена и также служат основой для наиболее часто используемой системы классификации для этого семейства токсинов. Эта система классификации разбивает семейство трихотеценов на четыре группы: типы A, B, C и D.
Трикотецены типа А имеют замещения гидроксильных , сложноэфирных или функциональных групп вокруг центральной кольцевой структуры. Обычными примерами из них являются неозоланиол с гидроксильным замещением у углерода 8 и токсин Т-2 с замещением сложного эфира у углерода 8.
Трикотецены типа B классифицируются по наличию карбонильных функциональных групп, замещенных вокруг основной кольцевой структуры. Обычные примеры из них включают ниваленол и трихотецин, оба из которых имеют кетоновую функциональную группу при углероде 8.
Трихотецены типа C имеют дополнительную углеродную 7, эпоксидную группу углерода 8. Типичным примером этого является кротоцин. который также имеет сложноэфирную функциональную группу при атоме углерода 4.
Трихотецены типа D имеют дополнительное кольцо между углеродом 4 и углеродом 15. Эти кольца могут иметь различные дополнительные функциональные группы. Распространенными примерами из них являются роридин А и сатратоксин Н.
Хотя отдельные функциональные группы этих типов классификации придают каждому трихотецену уникальные химические свойства, их тип классификации явно не указывает на их относительную токсичность. В то время как трихотецены типа D считаются наиболее токсичными, типы A и B обладают относительно смешанной токсичностью.
Альтернативные классификации
Описанная выше система классификации чаще всего используется для группировки молекул семейства трихотеценов. Однако для этих сложных молекул также существует множество альтернативных систем классификации. Трихотецены также можно в целом охарактеризовать как простые или макроциклические. Простые трихотецены включают типы A, B и C, тогда как макроциклические трихотецены включают тип D и характеризуются наличием мостика углерод 4 - углерод 15. Кроме того, Дж. Ф. Гроув предложил классификацию трикотеценов на три группы, которая также была основана на функциональных паттернах замещения кольцевого скелета. Трикотецены группы 1 имеют только функциональные группы, замещенные в третьем, полностью насыщенном углеродном кольце. Трикотецены группы 2 содержат дополнительные функциональные группы на центральном кольце, содержащем 9,10-углеродную двойную связь. Наконец, трихотецены группы 3 содержат кетоновую функциональную группу при атоме углерода 8; это тот же критерий для трихотеценов типа B.
Достижения в области эволюционной генетики также привели к предложению систем классификации трихотеценов, основанных на пути их биосинтеза. Гены, ответственные за биосинтез микотоксина, обычно расположены в кластерах; у Fusariumi они известны как гены TRI. Каждый из генов TRI отвечает за выработку фермента, который выполняет определенный этап биосинтеза трихотеценов. Мутации в этих генах могут приводить к продукции вариантных трихотеценов, и поэтому эти молекулы могут быть сгруппированы на основе общих этапов биосинтеза. Например, общая стадия биосинтеза трихотеценов контролируется геном TRI4 . Этот ферментный продукт контролирует добавление трех или четырех атомов кислорода к триходиену с образованием изотриходиола или изотрихотриола соответственно. Затем из любого из этих промежуточных продуктов можно синтезировать различные трихотецены, и, следовательно, они могут быть классифицированы как t-тип, если они синтезированы из изотрихотриола, так и d-тип, если синтезированы из изотриходиола.
Механизм действия
Токсичность трикотеценов в первую очередь является результатом их широко цитируемого действия в качестве ингибиторов синтеза белка; это ингибирование происходит в рибосомах на всех трех стадиях синтеза белка: инициации, удлинении и прекращении. Во время инициации трихотецены могут либо ингибировать ассоциацию двух рибосомных субъединиц, либо ингибировать функцию зрелой рибосомы, предотвращая ассоциацию первой тРНК со стартовым кодоном. Ингибирование при удлинении, скорее всего, происходит из-за того, что трихотецены препятствуют функции пептидилтрансферазы , фермента, который катализирует образование новых пептидных связей на 60-й рибосомной субъединице. Ингибирование во время терминации также может быть результатом ингибирования пептидилтрансферазы или способности трихотеценов предотвращать гидролиз, необходимый на этой конечной стадии.
Интересно отметить, что паттерн замещения кольцевого ядра трихотеценов влияет на действие токсина либо как ингибитор инициации, либо как ингибитор удлинения / окончания. Трихотецены также обладают способностью влиять на общую функцию клеточных ферментов из-за тенденции тиоловых групп активного центра атаковать 12,13-углеродное эпоксидное кольцо. Эти ингибирующие эффекты наиболее ярко проявляются в активно пролиферирующих клетках, например, в желудочно-кишечном тракте или костном мозге .
Синтез белка происходит как в цитоплазме клетки, так и в просвете митохондрий , цитоплазматической органелле, ответственной за выработку энергии клетки. Это осуществляется посредством ферментативного пути, который генерирует сильно окисленные молекулы, называемые реактивными формами кислорода , например перекисью водорода . Активные формы кислорода могут реагировать и вызывать повреждение многих критических частей клетки, включая мембраны, белки и ДНК . Торможение синтеза белка в митохондриях трихотеценом позволяет активным формам кислорода накапливаться в клетке, что неизбежно приводит к окислительному стрессу и индукции запрограммированного пути гибели клеток, апоптоза .
Индукция апоптоза в клетках с высоким уровнем активных форм кислорода происходит из-за множества клеточных сигнальных путей. Первый - это путь р53, который, как показано, активируется токсином Т-2. p53 - это белок, отвечающий за контроль клеточного цикла, но увеличение активности этого белка также приводит к повышенной активации белков BAX в клетке. Эти белки BAX в первую очередь ответственны за увеличение проницаемости митохондриальной мембраны и приводят к высвобождению цитохрома с и активных форм кислорода. Высвобождение цитохрома с из митохондрий вызывает апоптоз, инициируя сборку каспаз или белков, ответственных за разрушение клетки изнутри.
Кроме того, было показано, что трихотецены, такие как Т-2, усиливают сигнальный путь N-концевой киназы c-Jun в клетках. Здесь N-концевая киназа c-Jun способна повышать фосфорилирование своей мишени, c-Jun, в свою активную форму. Активированный c-jun действует как фактор транскрипции в ядре клетки для белков, важных для облегчения последующего пути апоптоза.
Симптомология
Микотоксины трихотецена токсичны для людей, других млекопитающих, птиц, рыб, различных беспозвоночных, растений и эукариотических клеток. Специфическая токсичность варьируется в зависимости от конкретного токсина и вида животных, однако способ введения играет значительно более важную роль в определении летальности. Последствия отравления будут зависеть от концентрации воздействия, продолжительности времени и способа воздействия на человека. Высококонцентрированный раствор или большое количество газообразной формы токсина с большей вероятностью вызовут серьезные последствия, включая смерть. При потреблении токсин подавляет синтез рибосомного белка, ДНК и РНК, митохондриальные функции деления клеток, одновременно активируя клеточную стрессовую реакцию, называемую риботоксической стрессовой реакцией .
Микотоксины трихотецена могут всасываться местным , пероральным и ингаляционным путями и очень токсичны на субклеточном, клеточном и органическом уровне.
Трихотецены отличаются от большинства других потенциальных оружейных токсинов, поскольку они могут действовать через кожу, что объясняется их амфипатическими и липофильными характеристиками. Небольшая амфипатическая природа трихотеценов позволяет им легко пересекать клеточные мембраны и взаимодействовать с различными органеллами, такими как митохондрии, эндоплазматический ретикулум (ER). и хлоропласт. Липофильная природа трихотеценов позволяет им легко всасываться через кожу, слизистую оболочку легких и кишечник. Прямое нанесение на кожу или пероральный прием трихотецена вызывает быстрое раздражение кожи или слизистой оболочки кишечника. В качестве раздражителя кожи и образования пузырей он, как утверждается, в 400 раз более опьяняющий, чем серный иприт .
Реакция организма на микотоксин, пищеварительную токсическую алейкию, происходит через несколько дней после употребления в четыре этапа:
- Первая стадия включает воспаление слизистой оболочки желудка и кишечника .
- Вторая стадия характеризуется лейкопенией , гранулопенией и прогрессирующим лимфоцитозом .
- Третья стадия характеризуется появлением красной сыпи на коже тела, а также кровоизлиянием на кожные покровы и слизистые оболочки. В тяжелых случаях может развиться афония и смерть от удушения.
- К четвертой стадии клетки лимфоидных органов и эритропоэза в костном мозге и селезенке истощаются, и иммунный ответ снижается.
Заражение может быть вызвано такой незначительной травмой, как порез, царапина или ссадина.
Выявляются следующие симптомы:
- Сильный зуд и покраснение кожи, язвочки, шелушение кожи
- Искажение любого из органов чувств, потеря способности координировать движения мышц
- Тошнота, рвота и диарея
- Боль в носу и горле, выделения из носа, зуд и чихание
- Кашель, затрудненное дыхание, хрипы, боль в груди и срыгивание крови
- Временные нарушения свертываемости крови
- Повышенная температура тела
Нормативные вопросы
Когда речь идет о животных и человека пищи, типа А трихотецены (например , Т-2 токсин , НТ-2 токсин , diacetoxyscirpenol ) представляют особый интерес , поскольку они являются более токсичными , чем другой пищевого происхождения Трихотецены т.е. B группы типа (например , деоксиниваленол , ниваленол , 3- и 15- ацетилдезоксиниваленол ). Однако дезоксиниваленол вызывает беспокойство, поскольку он является наиболее распространенным трихотеценом в Европе. Основные эффекты трихотеценов - связанные с их концентрацией в продукте - это снижение потребления корма, рвота и подавление иммунитета. Относительно небольшое количество стран, в первую очередь в Европейском Союзе , рекомендовали максимальные пределы содержания этих микотоксинов в пищевых продуктах и кормах для животных. Тем не менее, трихотецены часто проверяются на предмет наличия в других местах, чтобы предотвратить их попадание в пищевую цепочку и предотвратить потери в животноводстве.
История
Считается, что трихотецены были обнаружены Советским Союзом в 1932 году в Оренбурге, Россия, во время Второй мировой войны . Около 100 000 человек (60% смертность) начали страдать и умирать от пищевой токсической алевкии , смертельного заболевания с симптомами, напоминающими радиацию. Считается, что советские мирные жители заболели от употребления зараженного хлеба и вдыхания плесени через загрязненное сено, пыль и вентиляционные системы. Считается, что виновниками являются токсины Fusarium sporotrichioides и Fusarium poae, которые являются высокими продуцентами токсина Т-2 . Виды Fusarium , вероятно, являются наиболее часто цитируемыми и одними из самых распространенных грибов, продуцирующих трихотецен.
Трихотецены представляют собой идеальный боевой биологический агент, который является смертельным и недорогим в производстве в больших количествах, стабильным в виде аэрозоля для диспергирования и без эффективной вакцинации / лечения. Данные свидетельствуют о том, что микотоксины уже использовались в качестве биологического оружия.
- 1964 г. Есть неподтвержденные сообщения, что египетские или российские войска использовали Т-2 с горчичным газом.
- 1974–1981 Инциденты « желтого дождя » в Юго-Восточной Азии (Лаос, Камбоджа) и Афганистане.
- В 1975 и 1981 годах во время войны во Вьетнаме Советский Союз якобы поставлял микотоксины армиям Вьетнама и Лаоса для использования против сил сопротивления в Лаосе и Камбодже.
- 1985-1989 годы Ирано-иракская война, сообщения о поставках микотоксинов в Ирак (в виде порошка и дыма)
С тех пор о трихотеценах сообщалось во всем мире. Они оказали значительное экономическое влияние на мир по таким причинам, как: гибель людей и животных, увеличение затрат на здравоохранение и ветеринарное обслуживание, сокращение животноводства, утилизация зараженных пищевых продуктов и кормов, а также инвестиции в исследования и приложения для уменьшить серьезность проблемы микотоксинов. Эти микотоксины ежегодно приводят к потерям в миллионы долларов из-за факторов, которые часто не поддаются контролю человека (экологические, экологические или способ хранения).
Загрязнение пищевых продуктов
Опасные концентрации трихотеценов были обнаружены в кукурузе, пшенице, ячмене, овсе, рисе, ржи, овощах и других культурах. Заболевания, возникающие в результате инфекции, включают гниль семян, гниль всходов, корневую гниль , гниль стеблей и гниль початков. Трихотецены также являются обычными загрязнителями кормов для домашней птицы, и их неблагоприятное воздействие на здоровье и продуктивность птицы было тщательно изучено.
Несколько исследований показали, что оптимальные условия для роста грибов не обязательно являются оптимальными для производства токсинов. Выработка токсинов наиболее велика при высокой влажности и температуре 6-24 ° C. Размножение и производство грибов улучшается в тропических условиях с высокими температурами и влажностью; муссоны , ливневые паводки и несезонные дожди во время сбора урожая. Трихотецены были обнаружены в пробах воздуха, что позволяет предположить, что они могут распыляться на споры или мелкие частицы.
О естественном возникновении TCT сообщалось в Азии , Африке , Южной Америке , Европе и Северной Америке.
- Акакабибио, заболевание аналогичной этиологии, также было связано с зерном, загрязненным трихотеценом, в Японии.
- В Китае злаки или продукты из них, загрязненные трихотеценами, включая ДОН, токсин Т-2 и НИВ, также были связаны со вспышками желудочно-кишечных расстройств.
- В Югославии исследования микотоксигенных грибов в сыром молоке показали, что 91% протестированных образцов были заражены.
- В США в 1988–1989 годах в семи штатах Среднего Запада было проведено исследование, в ходе которого были обнаружены микотоксины в 19,5–24,7% образцов кукурузы. С начала 1900-х годов описываются случаи рвоты у животных и людей после употребления в пищу злаков, инфицированных видами Fusarium.
- В исследовании, проведенном в районе Бихара с 1985 по 1987 год, 51% протестированных образцов были загрязнены плесенью.
- В другом исследовании, проведенном в регионе Бихар, высокие уровни были зарегистрированы в арахисовой муке, используемой для молочного скота.
- В Лудхиане и Пенджабе исследователи обнаружили, что 75% образцов с молочных ферм загрязнены.
- В Индии из-за заражения арахиса микотоксинами было потеряно около 10 миллионов долларов.
Безопасность
Прямых противоядий от воздействия трихотецена нет. Следовательно, управление рисками на загрязненных территориях в первую очередь определяется лечением симптомов воздействия, а также предотвращением воздействия в будущем.
Уход
Типичные пути воздействия трихотеценовых токсинов включают местное всасывание, прием внутрь и вдыхание. Тяжесть симптомов зависит от дозы и типа воздействия, но лечение в первую очередь направлено на поддержку систем организма, поврежденных микотоксином. Первым шагом в большинстве случаев заражения является снятие потенциально загрязненной одежды и тщательная промывка участков воздействия водой. Это предотвращает повторное воздействие на пострадавшего. Жидкости и электролиты можно давать жертвам с высоким уровнем поражения желудочно-кишечного тракта, чтобы смягчить последствия снижения всасывания в желудочно-кишечном тракте. Свежий воздух и вспомогательное дыхание также могут применяться при развитии легкого респираторного расстройства. Обострение тяжелых симптомов может потребовать применения передовой медицинской помощи. Начало лейкопении или снижение количества лейкоцитов можно лечить с помощью переливания плазмы или тромбоцитов . Гипотонию можно лечить с помощью норадреналина или дофамина . Развитие тяжелого сердечно-легочного дистресса может потребовать интубации и дополнительного медикаментозного лечения для стабилизации сердечной и легочной деятельности.
Кроме того, существует множество химических веществ, которые могут косвенно уменьшить повреждающее воздействие трихотеценов на клетки и ткани. Растворы активированного угля часто назначают при проглатывании в качестве адсорбента . Здесь древесный уголь действует как пористое вещество для связывания токсина, предотвращая его всасывание через желудочно-кишечный тракт и увеличивая его удаление из организма через кишечную экскрецию. Подобные детоксифицирующие адсорбенты также могут быть добавлены в корм для животных после заражения, чтобы снизить биодоступность токсина при употреблении. Антиоксиданты также полезны для смягчения повреждающего действия трихотеценов в ответ на увеличение количества активных форм кислорода, которые они производят в клетках. Как правило, считается, что хорошая диета, богатая пробиотиками, витаминами и питательными веществами, белками и липидами, эффективна для уменьшения симптомов отравления трихотеценом. Например, было обнаружено , что витамин E противодействует образованию пероксидов липидов, вызванному токсином Т-2, у цыплят. Точно так же совместное добавление модифицированных глюкоманн и селена в рацион цыплят, также потребляющих токсин Т-2, уменьшало вредные эффекты связанного с токсином истощения антиоксидантов в печени. Несмотря на то, что эти антиоксиданты не являются прямым антидотом, они могут иметь решающее значение для снижения тяжести воздействия трихотецена.
Профилактика
Трихотецены - это микотоксины, вырабатываемые плесневыми грибами, которые часто загрязняют запасы зерновых продуктов. Это делает загрязнение трихотеценом серьезной проблемой для общественного здравоохранения, и во многих районах действуют строгие ограничения на допустимое содержание трихотецена. Например, в Европейском Союзе допускается содержание только 0,025 промилле токсина Т-2 в хлебобулочных изделиях, предназначенных для потребления человеком. Плесневые грибки, способные производить трихотецены, хорошо растут в темных местах с умеренным климатом и высоким содержанием влаги. Следовательно, один из лучших способов предотвратить загрязнение пищевых продуктов трихотеценом - это хранить ресурсы в надлежащих условиях, чтобы предотвратить рост плесени. Например, обычно рекомендуется хранить зерно только в помещениях с влажностью менее 15%. Однако, если территория уже была загрязнена трихотеценовыми токсинами, существует множество возможных стратегий дезактивации для предотвращения дальнейшего воздействия. Было показано, что обработка 1% гипохлоритом натрия (NaOCl) в 0,1 М гидроксиде натрия (NaOH) в течение 4–5 часов подавляет биологическую активность токсина Т-2. Также было показано, что инкубация с водным озоном в концентрации приблизительно 25 ppm приводит к разложению различных трихотеценов за счет механизма, включающего окисление двойной связи 9,10 углерода. Также было доказано, что УФ- облучение эффективно при правильных условиях.
Помимо стратегий физического и химического обеззараживания, прогрессивные исследования в области молекулярной генетики также привели к появлению потенциала биологического обеззараживания. Многие микробы, включая бактерии, дрожжи и грибы, развили продукты ферментативных генов, которые способствуют специфической и эффективной деградации трихотеценовых микотоксинов. Многие из этих ферментов специфически разрушают 12,13-углеродное эпоксидное кольцо, что важно для токсичности трихотеценов. Например, штамм Eubacteria BBSH 797 продуцирует ферменты деэпоксидазы, которые восстанавливают 12,13-углеродное эпоксидное кольцо до группы с двойной связью. Они, наряду с другими микробами, проявляющими детоксицирующие свойства трихотецена, могут быть использованы в магазинах кормов для предотвращения токсического действия загрязненного корма при употреблении. Кроме того, молекулярное клонирование генов, ответственных за производство этих детоксифицирующих ферментов, может быть полезным для получения штаммов сельскохозяйственных продуктов, устойчивых к отравлению трихотеценом.
Эпокситрихотецены
Эпокситрихотецены являются разновидностью вышеупомянутого и когда-то были исследованы для военного использования в Восточной Германии и, возможно, во всем советском блоке. После появления симптомов отравления эпокситихотеценом не существует поддающегося лечению лечения, хотя последствия могут исчезнуть, не оставив при этом необратимых повреждений.
От планов использования в качестве крупномасштабного биологического оружия отказались, поскольку соответствующие эпокситрихотецены очень быстро разлагаются под воздействием ультрафиолетового излучения и тепла, а также воздействия хлора, что делает их бесполезными для открытых атак и отравления источников воды.