cyanotoxiny rozdělení

Alkaloidní neurotoxiny sinic

Názvy toxinů:

Anatoxin a, anatoxin a(s), anatoxin b , homoanatoxin, saxitoxin, neosaxitoxin, aphantoxin 1-5

Producenti:

Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Trichodesmidium, Cylindrospermopsis, Lyngbya, Planktothrix, Nostoc

LD₅₀:

Anatoxin a 0.2mg/kg ž.v., anatoxin a(s) 0,02mg/kg ž.v., saxitoxin 0,01mg/kg ž.v., aphantoxiny 1-5 0,001-0,01mg/kg ž.v.,

Princip účinku:

Aphantoxiny, saxitotin, neosaxitoxin - blokují přenos nervových vzruchů blokací Na kanálů. Nemají žádný vliv na propustnost K iontů.

Anatoxin A a homoanatoxin způsobují záměnu funkce v pregangliových nervových zakončeních, acetylcholinových receptorech, zvyšuje tok Ca iontů do cholinergních nervových zakončení.

Anatoxin a(s) působí jako blokátor cholinesterázy, depolarizace postsynaptických zakončení, ovlivňuje nikotinové, muskarinové i acetylcholinové receptory.

Příznaky intoxikace:

Sladkovodní sinice produkují zejména anatoxin a aphanotoxin. Oba dva jsou alkaloidní povahy a blokují sodíkové kanály membrán, aniž by ovlivnily jejich propustnost pro draslík. Velmi intenzivně působí neurotoxiny na volně žijící i domácí zvířata. Nejčastěji popisované diagnózy jsou křeče pohybového svalstva, nekoordinované pohyby, dávení, záchvaty zuřivosti, ztráta stability, dušení a následná smrt udušením. Efekt během 5 minut. Nejznámější jsou příznaky u koní, dobytka, psů, ptáků (hlavně divoké kachny a domácí drůbež, typické jsou křečovité pohyby ryb u břehů ). Známý je vliv na srdeční sval i u korýšů.

Komentář:

Účinné látky jsou nazývány podle svého původce. Anatoxin byl první neurotoxin, který byl izolován ze sladkovodních sinic. Dnes známe Anatoxin a - c. Jsou to alkaloidní toxiny, jejichž LD₅₀ je 20 µg/kg ž.v., smrt myší nastává během 30 minut s diagnózou srovnatelnou s insekticidy na bázi organofosfátů. Mají také stejný molekulární mechanismus, a to inhibice cholinesterázové aktivity. Jsou velmi termolabilní a jejich destrukce nastává při teplotách nad 40°C v alkalickém prostředí. Jako antagonista anatoxinů může být použit atropin.

Aphanotoxiny 1-5 (někdy zvané saxitoxiny a neosaxitoxiny ) jsou také alkaloidní toxiny, které jsou nejčastěji produkované sinicemi rodu Aphanisomenon. LD 50 (myš intraperitoneálně) je 10 µg/kg ž.v. Smrt nastává během pěti minut.

Neurotoxiny mají ve vyváženém ekosystému malou stabilitu. Molekuly neurotoxinů jsou termosensibilní (inaktivace při teplotách nad 40°C). Akutní otravy jsou známy u hospodářských zvířat a vodního ptactva.

Paralytické toxiny řas a sinic (PSP)

Typ toxinu:

Saxitoxin, neosaxitoxin, gonyautoxin, tetrodotoxin

Producent:

Gonyaulax, Alexandrium (cysty jsou 10x toxičtější než veg. buňky), bentické obrněnky, sinice Aphanizomenon, Cylindrospermopsis, Anabaena

LD₁₀₀:

Člověk 1mg, příznaky při 0.001mg/kg ž.v..

Princip účinku:

Saxitoxin je blokátor Na kanálů (první toxin -zásadní vliv na poznání funkce Na a K kanálů a neurobiologie), tetrodotoxin ruší akční potenciál nervových a svalových vláken.

Příznaky intoxikace:

PSP jsou rychle absorbovány v zažívacím traktu, vyvolají rychlé příznaky (1-3min) zvracení, extrémně nízký tlak, nevolnosti, vliv na neuromuskulární a kardiovaskulární systém, smrt udušením.

Hepatotoxiny 

Alkaloidní hepatotoxiny sinic

Název toxinu:

cylindrospermopsin

Producenti: 

Trichodesmium, Umezakia, Cylindrospermopsis, Aphanizomenon

LD₁₀₀:

0.4mg/kg ž.v.

Princip účinku:

inhibitor proteosyntézy a syntézy glutationu

Příznaky:

Poškození tkáně jater a ledvin, nekrózy plic, srdce, sleziny, nadledvinek a brzlíku.

Poznámka:

cylindrospermopsis má cytotoxické účinky

Peptidické hepatotoxiny sinic

Typ toxinu:

Microcystiny (cyanoginosin), cyklické heptapeptidy

Producenti:

Microcystis, Anabaena, Planktothrix, Nostoc, Anabaenopsis, ...

Typ toxinu:

Nodularin - cyklický pentapeptid

Producent: 

Nodularia

Princip účinku: 

Aktivní inhibitor eukaryotních protein serine/threonine fosfatáz 1 a 2A.

Nekontrolovatelná fosforylace cílových proteinů vede k buněčné proliferaci, posttranslační modifikaci proteinů, chybnému přenosu signálů a k buněčné transformaci na nádorový typ buňky.

Příznaky intoxikace: 

Zvýšená hladina jaterních enzymů v krevním séru a další indikátory poškození jater (ALT, AST, GGT, bilirubin, alk. fosfatáza), destrukce parenchymatických buněk jater, histopatogické změny jaterní tkáně, hmotnost jater a ledvin je 2-3x větší, mikroembolie plic a ledvin. Cytoskeleton jaterních buněk se hroutí, na játrech pozorujeme histopatologické projevy - nekrózy, edémy, bytnění.

Poznámka:

Microcystiny a nodulariny jsou TPF, embryotoxiny, genotoxiny a mutageny.

Typ toxinu:

Microviridin - tetradekapeptid

Producent:

Microcystis viridis

Princip účinku:

inhibitor tyrosinázy

Příznaky intoxikace:

Destrukce parenchymatických buněk jater.

Klinické příznaky vlivu hepatotoxinů:

Efekt těchto látek bývá u teplokrevných obratlovců popisován jako zesláblost, nechutenství, zimomřivost. Játra se zvětšují o 50 až 60 %, cytoskeleton jaterních buněk se bortí, na játrech jsou pozorovatelné leze a nekrózy. I když cílovým orgánem hepatotoxinů jsou játra, také ledviny jsou pod vlivem těchto toxinů zvětšeny. Analýza krevního séra postižených jedinců vykazuje zvýšenou hladinu alanin aminotransferázy a glutamin transpeptidázy (40 minut po intoxikaci) . Dále je zjišťováno významné zvýšení aktivity alkalické fosfatázy (6 hodin po intoxikaci). Snímky z elektronového mikroskopu prokazují aktivní rozrušování jaterních buněk, desintegraci endoplasmatického retikula, inkorporaci buněčných komponent do cytolyzosomů, rozrušení sinusoidní architektury a nakonec celkovou lyzi jaterních buněk. Na rozdíl od in vivo expozice jaterních buněk microcystinem LR experimenty in vitro neprokazují vliv microcystinu na cytoskeletární filamenta a mitochondrie. Experimenty in vivo také prokazují, že pozorované efekty jsou pravděpodobně nepřímé, jsou závislé na kaskádové bioaktivaci intaktního orgánu a nemohou být pozorovány v in vitro modelech (Erikson a kol., 1989). Intraperitoneální a per os aplikace toxinů má shodné účinky na degeneraci hepatocytů a nekrózy jater živočichů různých velikostí (myš, prase, králík, kůň, ovce a skot), přičemž bylo pozorováno, že vyšší dávky microcystinu na kg živé hmotnosti přežijí déle větší živočichové. Pravděpodobně nejodolnější obratlovci vůči cyanotoxinům jsou husy a vodní ptáci (Elleman a kol., 1978; Gorham, 1962). Studie s radioaktivně značeným microcystinem LR ukázaly, že 1 minutu po intraperitoneální aplikaci na myších se nachází 75% toxinu v jaterní tkáni. Později je toxin možno identifikovat také v dalších orgánech: po 5 minutách v srdci, po 30 min. v ledvinách a po 30 minutách v plících. Na úrovni buňky se poškození projevuje narušením integrity a funkčnosti všech typů membrán, degradací cytochromu P450 na neaktivní formu P420 v souvislosti s peroxidací lipidů v membránách. Je však sporné, jedná-li se o primární efekt microcystinu nebo reakce organismu na procesy penetrace, kumulace a degradace toxinu v intaktním organismu.

Některé chemikálie byly experimentálně použity k omezení hepatotoxického vlivu microcystinu LR u laboratorních zvířat. S úspěchem byl použit cyklosporin A, rifampin a silymarin.

Komentář:

Hepatotoxiny způsobují poškození struktury a funkce jater jako cílového orgánu. Molekulární strukturou to jsou cyklické peptidy (hexa-hepta). Sladkovodními sinicemi jsou produkovány zejména microcystiny a microviridiny. Microviridin je tetradekapeptid produkovaný Microcystis viridis. Jedná se o velmi termostabilní látky, jejichž aktivita není omezena ani po několika hodinách varu .

V současné době je známo 28 různých microcystinů. Jsou to monocyklické heptapeptidy tvořené D a L aminokyselinami, což jim dává značnou termostabilitu a rezistenci vůči proteolýze molekulární váha 909-1067 obecné struktury cyclo-D-Ala-L-Xaa-erytro-bmethyl-D-isoaspartová kyselina-L-Yaa- ADDA-D-isoglutamová kyselina-N-methyl-dehydroalanin. Pro Xaa jsou variabilní aminokyseliny arginin (R), leucin (L), tyrosin a pro Yaa alanin (A), arginin (R) , tyrosin (Y) a methionin (M).

Nejčastěji studovaný a nejrozšířenější je Microcystin LR, jehož LD₅₀ je od 40 do 45 mg/kg živé hmotnosti. Microcystiny LA, LR, YR, YM a YA jsou také nazývány cyanoginosiny. Jejich LD₅₀ se pohybuje od 60 do 70 mg/kg živé hmotnosti s výjimkou Microcystinu LR, jehož LD₅₀ byla stanovena na 250 mg/kg živé hmotnosti.

Z dalších známých hepatotoxinů sinic je možno jmenovat nodularin produkovaný rodem Nodularia a cylindrospermopsin izolovaný z Cylindrospermopsis raciborskii. Nodularin je velmi podobný microcystinu. Jedná se však o cyklický pentapeptid, který lze odvodit od obecného vzorce microcystinu vynecháním aminokyselin v pozicích 1,2 a 7. Aminokyseliny v pozici 6 a 3 jsou spojeny dehydrobutyrinem, který se v microcystinech nevyskytuje.

Tumor Promoting Factors

Typ toxinu:

Microcystiny, nodularin,  ...

Producenti:

Microcystis, Nodularia,  ... 

Princip účinku:

Podezření, že microcystin může být i silným tumorovým promotorem, bylo potvrzeno v pokusech in vivo. Orální podávání hrubého extraktu microcystinu vyvolávalo kožní nádory u myší a podávání čistého purifikovaného preparátu mikrocystinu LR vedlo k indukci jaterního nádoru. Pracovníci Národního centra pro výzkum rakoviny pod vedením prof. Fujiki v Tokiu, zkoumali vliv microcystinu LR (MIC-LR). Prokázali, že nejen tento typ microcystinu, ale i další známé deriváty působí na molekulární úrovni jako inhibitor proteinfosfatázy (PP) typ 1, 2A a 3. Výzkum fosforylace proteinů v souvislosti s inhibicí proteinfosfatáz microcystinem umožnil objasnění již dříve pozorovaných změn v cytoskeletu jaterních buněk. Bylo prokázáno, že zvýšená aktivita fosforylace proteinů je způsobena inhibicí proteinfosfatáz microcystinem, což vede k nekontrolované aktivitě proteinkináz, hyperfosforylaci a patologickým změnám v cytoskeletu jaterních buněk. Tyto změny jsou nejčastěji vyhodnocovány jako různé typy hepatitid, nebo vedou k rakovině jater. Tyto výsledky podnítily výzkum cyklických hepatotoxinů sinic jako "tumor promoting factors". Prozatím byl prokázán vliv cyanotoxinů na stimulaci procesů vedoucích k rakovině kůže a jater. Při dlouhodobém působení (21 dnů) extraktu toxické Microcystis aeruginosa na myši s oholenou kůží byly prokázány biochemické procesy, které startují procesy rakoviny kůže. Další skupina myší byla krmena granulemi z Microcystis aeruginosa (hepatotoxická) a porovnávána se skupinou krmenou granulemi s Anabaena (neurotoxická, bez hepatotoxinů). Vysoce průkazné zvýšení počtu rakoviny kůže a jater bylo shledáno u skupiny krmené M. aeruginosa, zatímco u skupiny krmené sinicí Anabaena nebyly nádory nalezeny vůbec. Jiné práce ověřující aktivitu microcystinu v rakovinných procesech jater probíhaly v Japonsku na kozách a krysách. Z osmi zkoumaných látek byl mikrocystin LR nejsilnější aktivátor růstu rakovinných buněk, aktivnější než dietylnitrosamin. Také nodularin (cyklický peptid produkovaný rodem Nodularia), mající hepatotoxickou aktivitu, byl shledán velmi aktivním inhibitorem PP 1 a 2A. Epidemiologické studie realizované v Číně americkými a australskými odborníky přinášejí stále nové důkazy o prokazatelném zvyšování rakoviny jater u lidí, kteří jsou odkázáni na zdroj pitné vody, kde dochází k masovému rozvoji vodních květů sinic.

Cytotoxiny 

Sinice produkují také širokou skupinu látek s cytotoxickými a cytostatickými účinky. Proto jsou také často zařazovány mezi organismy biotechnologicky nadějné z pohledu farmaceutických výzkumů. Sinice rodu Tolypothrix produkovala cytotoxin, který byl nazván tubercidin. Tato látka má prokazatelné protinádorové aktivity. Od té doby proběhlo několik projektů na vyhledávání cytotoxických, baktericidních, fungicidních a jiných biologicky aktivních látek. Obecně lze říci, že čerstvé izoláty z přírodních podmínek vykazují vyšší schopnost produkce výše citovaných látek než čisté kmeny, které jsou po mnoho generací pasážovány ve sterilních podmínkách. Některé kmeny si však aktivitu podrží déle a jsou předmětem masových kultivací, např. sinice Spirulina subsalsa nebo řasa Chlorella pyrenoidosa produkují cytostatika zabraňující rozvoji nádorů typu S-180.

Prymnetoxiny 

Typ toxinu:

Proteolipidy

Producent:

Chrysochromulina , Prymnesium, Zlativky

Princip účinku:

Rozklad krevních buněk, cytotoxicita - integrita buněčných membrán, ichtyotocita (jen na žábra - obojživelník po metamorfoze není intoxikován, zatím co pulec umírá do 5 min)

Poznámka:

Tyto proteolipidy vykazují baktericidní a fungicidní účinek.

Embryotoxiny 

Vliv cyanotoxinů na poruchy vývoje a růstu plodu, nekrózy a metabolickou aktivitu či srdeční tep plodu je studován na kuřecích embryích nebo na rybích embryích. Přibližně 23-25% izolátů sinic z australských vod vykazovalo embryotoxickou aktivitu.

Dermatotoxické alkaloidy sinic

Název toxinu:

Aplysiatoxin, lyngbyatoxin a chemicky neidentifikované frakce sinic.

Producent:

Trichodesmium, Umezakia, Cylindrospermopsis, Aphanizomenon, Schizotrix, Oscillatoria, Anabaena, Nostoc a další

Princip účinku:

Aktivátory proteinkinasy c , poruchy vodní a solné bilance buněk, imunotoxikanty.

Příznaky intoxikace:

Po požití záněty trávícího traktu, při kontaktu ekzantémy, dermatitidy.

Poznámka:

Tyto látky stimulují 2. a 3. fazi kancerogeneze.

Genotoxiny a mutageny

Mutagenní a genotoxická aktivita byla prokázána z frakcí sinic obsahující microcystiny a další neidentifikovatelné biotoxiny (Carmichael, 1992, Chorus Bartram 1999). Mutagenní metabolity jsou často potenciálními karcinogeny a mohou být testovány standardními testy iniciace a proliferace I a II. fáze kancerogeneze (c.f. ISO, OECD, WHO atd.). Genotoxický potenciál je testován buď standardními klinickými testy (chromozomové aberace, výměna párových chromozomů apod.), nebo v případě sinic jsou zapojovány systémy využívající rybí tkáně (Gagné a Blaise, 1995) , testy na mikrojadérkách obratlovců (Rao, Neheli, 1996), nebo nové testy mutagenity na bakteriích, které by měly nahradit překonaný a méně citlivý Ames test (Rao, 1995).

Pro potřeby vodárenské praxe připravujeme návrh začlenit do baterie skreeningových testů MutaChromoPlate assay, (Rao, 1995, Maršálek Bláha 2000, Maršálek, Bláha, Lukešová, Leo, v tisku)). Je citlivější než Ames test a cenově je přinejmenším srovnatelný. Z 512 vzorků povrchových vod používaných pro výrobu pitné vody v Austrálii vykazovalo mutagenní vlivy 34% vzorků (Prof. Falconer, zatím nepublikováno).

Lipopolysacharidy 

Princip účinku:

Zvýšená permeabilita kapilár pro bílkoviny, vliv na nespecifickou imunitní odezvu, část komplexu LPS tzv.O-antigen region nabízí několik antigenních determinant obsahujících receptorové místo pro lysogenní bakteriofágy.

Příznaky:

Puchýřky, otoky, pravěpodobně vliv na imunitní systém, průjmy, žaludeční nevolnosti a křeče.

Sinice jsou fotosyntetizující eubakterie a složení stěny buněčné sinic vodního květu a bentických sinic se neliší od složení buněčné stěny jiných bakterií (chemickým složením se neliší od buněčné stěny Salmonel). Variabilita ve složení cukrů a tuků stěny buněčné různých izolátů sinic je značná a proto je velmi obtížné předvídat fyziologickou aktivitu jednotlivých izolátů bez provedených testů. Testy byly prováděny nejčastěji na myších a LD₅₀ pro i.p. aplikaci myším je 1,1mg/kg živé váhy. Smrt nastává během 48 hodin. U lidí vyvolávají lipopolysacharidy sinic alergické podráždění kůže, zvracení a bolesti hlavy.

Imunotoxiny, imunomodulátory a imunosupresory

Alergie jsou nejčastější reakcí sensitivních jedinců na přítomnost vodního květu sinic a proto je této problematice věnována zvláštní kapitola. Nejohroženější skupinou obyvatel ve vztahu k imunotoxinům sinic patří děti a starší či nemocní obyvatelé. U těchto skupin lze očekávat oslabení imunitních reakcí, zesláblost a permanentní únavu až malátnost.

Řasy a sinice jako alergeny

Sinice si zaslouží pozornost i jako možné potencionální alergeny pro své široké rozšíření a vysoký obsah proteinů. Řasy a sinice jsou kosmopolitní organismy obývající vodní a půdní lokality, žijí na sněhu, skalách, kůře stromů, srsti zvířat, v jeskyních, šíří se větrem apod. Řasy i sinice byly identifikovány také jako součást domácího prachu. Obsah proteinů tvoří v přírodních podmínkách 12-80% jejich biomasy.

Problematika řas a sinic jakožto alergenů se dostává do popředí teprve v posledních letech, kdy se obecně hovoří o vysoké citlivosti obyvatel na alergenní podněty, a proto není doposud k dispozici dostatek ověřených údajů. Alergie citlivých skupin lidí na řasy a sinice jsou ovšem známy již z bývalého Československa, dobře protokolované údaje jsou z let šedesátých. Obecně lze konstatovat, že počet alergiků přirůstá. Odborníci diskutují o tom, zda jde o obecný trend zvyšující se citlivosti lidské populace vlivem životního stylu a prostředí, nebo zda se opravdu mění struktura a aktivita alergenů. Ústav sér a očkovacích látek (ÚSOL) dosud vyráběl pouze omezený sortiment i množství diagnostických alergenů z řas a sinic (Aphanizomenon, Anabaena, Cladophora, Chlorella, Scenedesmus a Spirogyra). Šlo sice v minulosti o nejčastější druhy, ale v současnosti neodrážejí posun od vláknitých sinic ke koloniálním a zdaleka nepostihují spektrum řas a sinic, které se často i masivně rozrůstají ve vodárenských a rekreačních nádržích ČR. Z monitoringu prováděného v létě 1999 vyplývá, že problematika cyanobakterií na vodních nádržích v ČR je alarmující a že dominance sinic má stálou vzestupnou tendenci.

V roce 1960 a 1961 provedl kolektiv autorů (Štěpánek a kol. 1962) velmi hodnotnou studii, která byla zaměřena na masový rozvoj cyanobakterií v 44 přehradách a 23 rybnících na území tehdejší ČSSR. Z toho bylo na území ČR celkově 57 nádrží. V roce 1960 a 61 byl masový rozvoj cyanobakterií zaznamenám na 66 % nádrží na území současné ČR. V roce 1994 (Komárek, Komárková, 1995) byly odběry provedeny na 78 nádržích a vodní květy sinic detekovány na 73% nádrží. V roce 1999 bylo provedeno 112 odběrů, z toho 41 vodárenských nádrží. Sinice vodního květu byly masově rozvinuty na 78% vodárenských nádrží. Toto číslo je výrazně vylepšeno tím, že do přehledu byly zahrnuty také data z takových oligotrofních nádrží jako je Nýrsko, Fláje, Souš, Bedřichov apod. Z uvedeného je patrné, že masový rozvoj cyanobakterií není na území ČR problémem pouze posledních let, ale že má trvalou a vzestupnou tendenci.

Zajímavá studie v našich podmínkách vyšla v minulosti ze spolupráce organizací OÚNZ, ÚSOL a Botanického ústavu AVČR. Pracovníci Botanického ústavu nakultivovali 25 druhů čistých kultur sinic a řas, z nichž pak ÚSOL připravil extrakty pro diagnostické testy. Pro testování bylo vybráno 32 pacientů z Jihočeského kraje, kteří udávali, že se u nich alergie dostaví po vykoupání ve vodách s masovým rozvojem řas a sinic. Udávané potíže jsou velmi pestré (vodnatá rýma s kýcháním 69%, slzení očí 44%, různé druhy ekzantemů 28%, Quinckeho edém 3% a záchvaty spastické dušnosti 16%). Ve sledované skupině bylo 75% mužů a 25% žen ve věku 14 až 56 let (věkový průměr 38 roků). U všech sledovaných pacientů byla vyšetřena hladina IgE , přičemž přes hranici 200 IU.ml^-1, která měla signalizovat atopii, se dostalo pouze 7 probantů (z toho 5 klasických polynotiků). U každého pacienta byly provedeny intradermální testy na 25 druhů sinic a řas . U většiny pacientů byly sledovány časné reakce, pouze u 13% pacientů byla shledána reakce pozdní (24 hod.). Ze sledovaných řas vyvolávaly nejsilnější alergické reakce rody Chlorella, Scenedesmus, Hydrodictyon, Nautococcus, Cladophora a Rhizoclonium, ze sinic, (které v této studii vykázaly menší alergenní aktivitu než sledované druhy řas) pak všechny studované rody tj. Aphanizomenon, Anabaena, Phormidium, Nostoc.

V pitných vodách se alergenní substance posuzují z hygienického a epidemiologického hlediska obtížněji než alergeny ve vodách rekreačních. Mezi substance sinic a řas, které působí v pitných vodách hygienické a technologické obtíže patří pachy a pachutě. Problematika pachů a pachutí v pitných vodách je otázka na speciální studii.

Analýzy prokázaly v sinicích z nádrží v ČR vysoké aktivity imunomodulantů a to jak imunosupresorů, tak látek, způsobujících nekontrolovatelné obranné reakce organismu. Význam těchto zjištění může mít závažné následky především při chronické expozici pitnou vodou během vegetační sezóny.