生物学

肉毒杆菌毒素:毒药

对引起严重疾病肉毒中毒的肉毒杆菌毒素作用机制的研究使某些神经肌肉疾病的治疗方法得以发展。

塞萨尔·马泰(CésarMattei)和弗雷德里克·梅尼尔(FrédéricMeunier) 对于科学N°413

2011年夏天,一些人食用了在法国南部购买的自制凤尾鱼,成为食物中毒的受害者。这些罐头产品被活菌王国中最强大的毒素污染:肉毒杆菌毒素。这些毒素是由厌氧细菌肉毒梭菌合成的。摄入某些食物中存在的这种细菌会导致复杂的食物感染,肉毒杆菌中毒,其名称源于拉丁肉毒杆菌(血肠),这是该疾病的最初描述之一。 十八e 在德国已经有100多年的历史了,已经确定了香肠是一种污染物。在此之前,关于食物中毒的历史文献很少。 十八e 世纪,但我们知道 xe 百世纪,拜占庭皇帝利奥六世禁止生产血肠,这无疑是肉毒中毒引起的。

神经系统毒素

一方面,这些天然分子导致严重的食物中毒,被认为是潜在的生物武器,在越来越多的治疗适应症中,它们也被用于医学领域。这些毒素在细胞水平上的作用机理的描述已经取得了很大进展,应该可以在限制其副作用的同时进一步发展其治疗用途。我们将在这里检查肉毒杆菌毒素的这种双重性,从使它们知道的疾病到它们提供的治疗方法。我们将看到疾病和治疗基于相同的原理:松弛性肌肉麻痹。但是,首先,什么是毒素?

毒素是希腊毒物(中毒箭头),是一种低浓度的致死生物分子,它使分泌这种毒素的生物体瘫痪。他们随处可见。在动物界,毒素是毒液的主要成分:蝎子,蛇,蜘蛛,球果,昆虫,两栖动物和许多其他动物,将毒素用于捕食或防御对手的策略。动物物种根据其环境进化,有时通过合成毒素,在竞争物种之间进行某种生物军备竞赛。植物还分泌毒素,它们通常用于驱除害虫或食草动物。一些蘑菇

地精和藻类也是毒素的生产者。最后,像肉毒梭菌一样,许多类型的细菌会释放毒素以促进细菌的繁殖,因此是疾病的媒介(破伤风,白喉,炭疽,霍乱等)。

中枢神经系统和周围神经系统是毒素的主要靶标之一,然后称为神经毒素。对于有毒动物,神经毒素的优势在于其能够中和猎物并使之瘫痪。在非常多样化的生态环境中,使用毒液可使例如慢速动物快速固定猎物。麻痹有两种对抗性形式:松弛性麻痹-对手失去其肌肉张力-和痉挛性麻痹-肌肉收缩的过度扩张“冻结”了目标动物。

这些麻痹作用归因于一种或多种毒素的作用,该毒素与参与肌肉收缩的膜受体结合。了解毒素的作用方式可以使药物在发生毒化的情况下考虑适当的治疗。在研究中,神经毒素也已经用作药理学工具,用于研究神经系统中的分子和生理机制。甚至更长的时间,人类已经利用了毒素的力量,无论是狩猎(咖喱)还是传统药物(洋地黄),他都已在自然界中观察到了这种毒素的作用。

肉毒杆菌毒素是作用于周围神经系统的神经毒素之一。通过研究肉毒中毒的症状并寻找神经系统中这些毒素的靶标,我们证明了它们的作用机理。

症状:松弛性麻痹

肉毒杆菌症在人类中有多种形式。最常见的是婴儿肉毒中毒,这是一些新生儿自然死亡的原因。对于婴儿来说,从母乳到外源性食物的变化使它暴露于食物污染物,而这些污染物本身还没有系统地消除其自身的细菌菌群,消化系统和免疫系统。像蜂蜜一样常见的食物表面大量存在肉毒梭菌,可能对婴儿造成致命的危险。这就是为什么不建议在婴儿中使用蜂蜜的原因。细菌的偶然摄入会导致儿童松弛性麻痹。心脏呼吸停止会导致死亡。

在成年人中,摄入受污染和消毒不良的食物后会出现肉毒中毒-某些自制或家庭罐头食品就是这种情况。在更换注射器的吸毒成瘾者中,观察到了肉毒中毒的另一种传染形式,即通过伤口传播。最后,操纵细菌或其毒素的研究人员中罕见的“实验室”肉毒中毒病例。人与人之间的污染不存在。

实际上,列出的肉毒中毒案例很少见:全世界每年有近1,000例。例如,在法国,从2007年到2009年,有45人受到影响,其中包括4个婴儿。然而,这种疾病仍然存在,并且经常以严重形式表现出来,因此有必要继续进行监视。

在中毒的人中,接触毒素后12小时至3天出现症状。症状主要是神经系统的和肌肉性的:这是一种松弛,进行性和对称性麻痹。骨骼肌麻痹是肉毒中毒的特征。在严重的情况下,呼吸系统的平滑肌会受到影响,如果不及时对受试者进行护理,会导致呼吸麻痹,导致死亡。肉毒杆菌发作后的几个月通常会出现瘫痪肌肉的全部功能恢复。尽管如此,后遗症还是可能的,特别是呼吸困难或肌肉疲劳。

少量使用疫苗

在确定毒素之前,可通过将患者置于人工通气中来缓解其呼吸窘迫。当已知毒素的血清型时,可使用针对有害毒素的抗血清。

这种抗毒素是动物来源的,只要能及早诊断出肉毒中毒,即可构成针对A型肉毒杆菌毒素的有效保护剂。但是,急性过敏反应的出现刺激了人们寻找新的人源疫苗。这些疫苗仅对有肉毒中毒风险的实验室人员和士兵施用,因为它们存在主要缺点:对于接种疫苗的人员,它们不使用这些毒素来治疗某些神经肌肉疾病-我们将看到,医学专业不断扩大。

与其他细菌性疾病不同,肉毒杆菌中毒不应使用抗生素治疗,因为通过溶解消化系统中存在的肉毒梭菌细菌,抗生素会增加毒素的释放及其在血液中的浓度。

尽管梭状芽胞杆菌的其他菌株分泌肉毒杆菌毒素,但肉毒梭菌是主要的生产者。由于存在孢子形成机制,细菌存在于土壤中,对各种环境限制特别是热量特别有抵抗力。它通过形成抗性结构-孢子进入休眠状态,当条件恢复到有利条件时,该结构将使细菌恢复活力。有7种肉毒杆菌毒素血清型,用字母A到G表示。人类食物中毒通常与A,B或E血清型有关(在被污染的凤尾鱼的情况下,它是肉毒杆菌毒素A)。

肉毒杆菌毒素是具有蛋白水解活性的大蛋白,即能够裂解(切割)某些类型的靶蛋白。毒素首先由细菌作为单一蛋白质产生。然后,两条链通过二硫键连接在一起:一条重链使其进入神经元细胞,一条轻链则具有毒性活性(见图2)。摄入时,毒素处于蛋白质超复合物中:被其他几种无毒的亚基包围,可以保护其免受消化道破坏性环境的影响。

当一个人从被污染的食物或肉毒梭菌细菌的孢子中摄取肉毒杆菌毒素时,这些毒素会进入消化系统。它们通过转胞吞作用穿过消化道壁:在小囊泡中,它们进入排在消化道内的胃肠道细胞,并在壁的另一侧退出。因此,它们到达血液或淋巴循环,然后被输送到其目标:神经肌肉接头,即连接周围神经系统和骨骼肌纤维的部位。

他们的目标:神经肌肉接头

在正常情况下,肌肉收缩-控制人体的所有运动-根据以下事件顺序发生。首先,源自脊髓的运动神经元沿着神经纤维驱动神经冲动或动作电位。到达神经元的末端,该动作电位触发了神经递质乙酰胆碱在将神经元与肌肉纤维隔开的空间中的释放。乙酰胆碱与肌肉细胞膜携带的受体结合。乙酰胆碱附着在其受体上,触发肌肉动作电位和一连串的反应,导致肌肉纤维收缩,从而使整个肌肉收缩(请参见第46页的方框)。

肉毒杆菌毒素可阻止乙酰胆碱的释放。细胞和分子神经生物学实验室(JordiMolgó)的研究小组在1980年代曾对此进行了研究,cnrs)与史蒂芬·塞斯莱夫(瑞典隆德大学)合作在伊维特河畔吉夫。他们分四个阶段“陶醉”运动神经元:它们首先与神经元末端膜上的分子-受体结合。然后它们通过特洛伊木马策略进入神经元:它们在内吞过程中被内化在所谓的突触小泡中,在此过程中神经元通过其膜的内陷产生新的小泡。在神经元内部,它们从囊泡中释放出来,并在最后一步裂解其靶标中涉及神经递质释放的蛋白质。但是,如果不释放乙酰胆碱,则不会传递神经冲动,并使肌肉麻痹!这种机制与负责破伤风的破伤风毒素的作用机理相当,但有一个明显的例外:破伤风毒素不直接作用于运动神经元,而是在其上游通过阻止神经递质的分泌而直接作用于运动神经元。脊髓水平。

直到1990年代初才开始鉴定不同的毒素靶标,尤其是威斯康星大学的埃德温·查普曼(Edwin Chapman)研究小组特别确定了肉毒杆菌毒素的受体。 , 在美国。毒素实际上与两种受体结合。第一种是低亲和力的,称为神经节苷脂的膜糖脂,对神经末梢具有特异性。第二种是中等亲和力,是一种膜蛋白:肉毒杆菌毒素A和E的SV2蛋白(突触小泡蛋白)和肉毒杆菌毒素B的突触蛋白(在正常情况下,突触标签蛋白参与释放乙酰胆碱;需要明确SV2蛋白的作用)。毒素通过其重链与受体结合,被内化在突触小泡中。

肌肉信号中断

然后,由于在突触小泡成熟期间发生的重链构象变化,有毒的轻链离开了突触小泡。囊泡经历其内含物的酸化(通过质子泵通过质子泵使质子进入的膜蛋白流入质子囊)。这种酸化作用改变了重链的构象,然后在小泡的膜上形成了一个孔,轻链穿过该孔到达细胞内介质,即细胞质。

细胞质中的还原条件(低氧)使轻链与重链脱离。在1990年代初期,意大利帕多瓦大学(University of Padua)的Cesare Montecucco小组及其他小组的研究表明,轻链随后裂解了所谓的蛋白质 圈套,其确保突触小泡的胞吐作用,即通过将小泡与神经元膜融合而从神经元中释放其含量-乙酰胆碱。

通常,蛋白质锚定在突触小泡或神经元膜中 圈套 聚集在一起,将水泡膜和神经元膜聚集在一起,从而触发它们的融合。正是这一步骤阻止了毒素。每个肉毒杆菌毒素血清型均会切割其中一种(有时是两种)蛋白质 圈套。肉毒杆菌毒素A,C和E裂解 -25是一种神经元膜蛋白,而肉毒杆菌毒素B,D,F和G会切割突触小泡蛋白,一种突触小泡蛋白。最后,肉毒杆菌毒素C也切割了syntaxin,即神经元膜的一种蛋白质。在这三种情况下,结果是相同的:突触小泡不能与神经元膜融合。因此不会释放乙酰胆碱,并且肌肉无法收缩。

肉毒杆菌毒素的这种麻痹作用是造成肉毒杆菌中毒的原因。但是这些分子的原始之处在于它们还被用于医学中以纠正几种疾病的功能障碍。

通常,肉毒杆菌毒素A和B-在7种血清型中仅用于医学中的两种-在越来越多的生理病理现象中得到指示。这些毒素的医学配方-剂量,使用的血清型-根据所考虑的病理而变化。肉毒杆菌毒素注射是局部进行的,以放松运动神经元过度刺激的肌肉群:该毒素通过阻止乙酰胆碱的释放而引起肌肉放松。有关的肌肉主要是骨骼肌或平滑肌。

一些医学专业使用肉毒杆菌毒素,包括眼科,神经病学,皮肤病学,肠胃病学和疼痛管理。在眼科领域,使用肉毒杆菌毒素A的第一个适应症是矫正斜视的形式,事实证明该毒素是手术的一种非侵入性替代方法。眼睑痉挛-眼睑自发的,无法控制的眨眼-也可以通过注射毒素来控制。其他肌张力障碍得益于肉毒杆菌毒素A的抑制活性:作家的抽筋(写作时前臂肌肉异常收缩),宫颈肌张力障碍(肌肉肌张力障碍)。脖子),面肌痉挛。肉毒杆菌毒素的使用范围甚至已超出骨骼肌疾病的范围:在消化道运动异常,肛门括约肌疾病的治疗中,可以将食道注射到食道中。肛门或过度活跃的腺体,可减少它们的分泌物(出汗,流泪,流涎)。

肉毒杆菌毒素的每一次治疗都是短暂的-陶醉的神经元在几个月后恢复其活性-一旦疾病再次出现,必须立即重复。出于美容目的的肉毒杆菌毒素注射也是如此,其通过放松面部肌肉来暂时减少皱纹。一个也在扩大的区域(请参见对面的方框)。

多种治疗用途

最后,肉毒杆菌毒素是工具

在研究中有价值。通过对神经元的作用,它们使解剖神经递质释放的机制成为可能。因此,蛋白质的作用 圈套 肉毒杆菌毒素已被证明是突触小泡胞吐作用中的“靶点”。

医学研究也在探索新的治疗途径。由于肉毒杆菌毒素的进入机理现已众所周知,因此可以设想将毒素用作分子的“载体”以达到治疗目的。这个想法很简单:肉毒杆菌毒素的轻链中含有毒性,我们可以用治疗性分子代替后者(脱氧核糖核酸,酶,肽)。通过与神经元膜上的受体结合,毒素的重链将特异性地将治疗分子插入神经末梢,从而可以纠正某些神经元的功能障碍。一种可能的应用可能是控制感觉纤维的疼痛,或治疗溶酶体疾病-破坏细胞,尤其是神经元中分子的循环。

1875年,实验生理学之父克劳德·伯纳德(Claude Bernard)在实验科学中写道:“毒药可被用来破坏生命或治疗病人。”肉毒杆菌毒素就是一个例证。

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