JAK MŮŽE TOXIKOLOGICKÝ VÝZKUM MRAVENCŮ NEBO ŽAB PROSPĚT PSYCHIATRII?

Left.gif (10785 bytes)

Midlle.gif (12243 bytes)

Right.gif (10788 bytes)

JAK MŮŽE TOXIKOLOGICKÝ VÝZKUM MRAVENCŮ NEBO ŽAB PROSPĚT PSYCHIATRII? How Can a Toxicologist Research of Ants and Frogs Help to Psychiatry? Jiří Patočka Katedra toxikologie, Vojenská lékařská akademie, Hradec Králové

SOUHRN Anabasein, toxická chemikálie, která pomáhá severoamerickým mravencům Aphaenogaster rudis zapamatovat si, kde mají zdroj potravy, a epibatidin, toxická substance z jedovaté šípové jihoamerické žáby Epipedobates tricolor, jsou možná příslibem pro léčbu Alzheimerovy choroby. Obě tyto látky jsou silnými agonisty nikotinových receptorů a mohou stimulovat receptorová místa v mozku pacientů s touto chorobou a zmírnit tak ztrátu paměti. Klíčová slova: živočišný jed, anabasein, epibatidin, agonista nikotinových receptorů, Alzheimerova choroba

SUMMARY Anabaseine, toxic chemical compound, which helps North American ants Aphaenogaster rudis remember where they left their food, and epibatidine, toxic substance from arrow poison South American frog Epipedobates tricolor, show promise for Alzheimer’s disease. Both these substances are strong nicotinic receptor agonists and can stimulate the nicotine receptor sites in the brains of Alzheimer’s patients and help to reduce memory loss. Key words: animal toxin, anabaseine, epibatidine, nicotinic receptor agonist, Alzheimer’s disease

Úvod Na prvý pohled se zdá otázka o užitečnosti takovéhoto výzkumu nesmyslná, ale opravdu jen na prvý pohled. Vždyť medicína již od svých prvopočátků využívá v boji s chorobami různých toxických látek minerálního, rostlinného i živočišného původu jako účinných léčiv a této vymoženosti se nevzdala ani medicína současná. Je pravda, že všechny ty stovky preparátů, které každodenně předepisují lékaři svým pacientům a které pacienti každodenně polykají, jsou vyráběny v moderních farmaceutických továrnách, a tak jejich původně biologický původ nebo biologický vzor, od něhož byly odvozeny, nám často uniká. Připomeňme si jen namátkou digitalis, atropin, námelové alkaloidy, antibiotika, taxol, cyklosporin A a další a další preparáty, bez nichž se současná medicína nemůže obejít. Všechny tyto látky byly vyprodukovány nějakou rostlinou či plísní a poté, co je člověk objevil, prozkoumal a uvědomil si jejich užitečnost, staly se základem moderního farmaceutického průmyslu a moderní farmakoterapie. Příroda ve své obrovské rozmanitosti nabízí nepřeberné množství látek s nejrůznějšími biologickými účinky a dělá to s větší kreativitou a elegancí než výzkumné týmy vědeckých pracovníků předních světových farmaceutických firem. Rozvoj moderních separačních a analytických technik umožňuje identifikovat stále nové a nové látky a zkoumat jejich biologickou aktivitu. Takovými látkami jsou i nedávno nalezený anabasein v jedu mravence Aphaenogaster rudis a epibatidin v jedu žáby Epipedobates tricolor. Obě látky jsou silnými a specifickými agonisty nikotinových cholinergních receptorů a mohly by přispět ke zlepšení chemoterapie Alzheimerovy choroby.

Alzheimerova choroba (AD) Je v posledních deseti letech nejčastěji studovanou degenerativní poruchou mozku. Postihuje stále více lidí a šíří se jako tichá epidemie (Gutmann et al., 1999). Tato typická choroba stáří, projevující se postupnou ztrátou kognitivních a intelektuálních

funkcí, je noční můrou vyspělých společností se stále se prodlužující střední délkou života. Stává se pro ně velkým sociálním i ekonomickým problémem a všechny významné farmaceutické firmy intenzivně pracují na vývoji vhodného léku. Poněvadž etiologie choroby zůstává neznámá, je jediným odrazovým můstkem skutečnost, že nejvíce narušen je u této choroby cholinergní nervový přenos v mozku způsobený sníženou syntézou acetylcholinu a degenerativními změnami v cholinergních neuronech (Francis et al., 1999). Nedostatek mozkového acetylcholinu má za následek poruchy kognitivních funkcí. V poslední době bylo zjištěno, že s poruchami kognice je spojena zejména nikotinová cholinoceptivní dysfunkce a nikotinové cholinergní receptory se proto stávají předmětem zájmu jako možná cílová místa pro účinnou farmakoterapii AD (Wevers et al., 1999). Na principu cholinergní hypotézy jsou zatím vyvíjeny zejména léky, které mohou zvýšit množství mozkového acetylcholinu tím, že inhibují enzym, který acetylcholin odbourává, tj. acetylcholinesterázu. Nejvýznamnějšími kognitivy tohoto typu, zavedenými již do klinické praxe, jsou tacrin (Cognex) (Kelly, 1999), donepezil (Aricept) (Švestka, 1999a) a rivastigmin (Exelon) (Švestka, 1999b). Inhibitory cholinesteráz druhé genereace, donepezil a rivastigmin, budou zřejmě pro terapii AD velkým přínosem, ale ani tato léčiva nedokáží AD vyléčit, dokáží pouze zpomalit její průběh (Anonym, 1999). Jsou proto hledány další cesty ovlivnění cholinergního přenosu v mozku pacientů s AD a jednou z nich je podávání selektivních agonistů nikotinových cholinergních receptorů. Mnohé studie totiž ukazují, že jejich stimulace vede k poklesu syntézy a ukládání depozit neurotoxického beta-amyloidu, což by mohlo mít pro regulaci průběhu choroby velký význam (Kihara et al., 1997, 1998). Jak bylo také zjištěno v řadě epidemiologických studií, u kuřáků je incidence AD významným způsobem snížena a bylo prokázáno, že za tento efekt je zodpovědný nikotin (Ulrich at al., 1997). Jsou proto intenzivně hledány látky s nikotinovým účinkem, ale bez jeho nežádoucích efektů, které by mohly sloužit jako nový typ léčiv AD. Dvě takovéto látky byly nedávno nalezeny v přírodních zdrojích. Jedna v sekretu jedové žlázy severoamerického mravence Aphaenogaster rudis a druhá v jedovatém sekretu jihoamerické žáby Epipedobates tricolor).

Nikotinové cholinergní receptory v mozku Představují rozsáhlou skupinu ligandově ovládaných iontových kanálů, které hrají významnou úlohu při vytváření paměťových stop a jsou intenzivně studovány jako možné cílové struktury pro ovlivnění procesu učení a paměti (Wawers et al., 1999; Paterson a Nordberg, 2000). Neuronální nikotinové cholinergní receptory se skládají z pěti podjednotek, avšak na jejich stavbě se podílejí pouze dva typy těchto podjednotek – a a b. Dosud bylo nalezeno 12 genů, které kódují různé izoformy podjednotek (a2 až 9 a b2 až 5) (Sargent, 1993). Izoformy podjednotek a mohou být exprimovány v kombinaci s izoformami podjednotek b a vytvářet tak velké množství kombinací receptorů s rozdílnými vlastnostmi, funkcemi a tkáňovou distribucí. Neuronální nikotinové cholinergní receptory mohou být také tvořeny jen z podjednotek a (Briggs et al., 1995). Přímou účast na procesech učení a paměti hrají zejména receptory a3b2, a4b2 a a7 (Wada et al., 1989). Zejména stimulace a7 nikotinového receptoru představuje zajímavou možnost ovlivnění degenerativních pochodů v mozku, spojených s ukládáním depozit b-amyloidu a tau proteinu (http://www.mylifepath.com/article/iac/100450716). Tento typ receptorů se nachází pouze v mozku a jeho význam pro procesy učení a paměti je evidentní (Levin et al., 1999). Výhodou anabaseinu, epibatidinu a některých jejich synteticky připravených analogů je skutečnost, že selektivně interagují právě s těmito receptory, spojenými s kognitivními funkcemi, což je pro hledání nových léčiv AD velmi nadějné (Warpman a Nordberg, 1995).

Mravenec Aphaenogaster rudis Je hojně rozšířen v lesích severovýchodní části USA (Attygalle et al., 1998). Žije v mraveništi, které má podobu spořádané a vysoce organizované společnosti, se spoustou společenských pravidel, která se striktně dodržují. Aby takovýto mravenčí stát, čítající často i mnoho tisíc jedinců, mohl fungovat, musí mít všichni jeho příslušníci schopnost vzájemné komunikace. U mravenců i u ostatních společensky žijících druhů hmyzu zastává tuto funkci zejména chemická komunikace. Ta spočívá v tom, že každé individuum je schopno ve svém organizmu syntetizovat látky se specifickou chemickou strukturou a pomocí určitých orgánů je uvolňovat do prostředí, ve kterém žije. Z hlediska účelu, kterému mají sloužit, je možno látky rozdělit na dvě skupiny – na tzv. feromony a na tzv. allomony. Feromony představují chemické zprávy určené jedincům stejného druhu, allomony pak představují zprávy určené jiným druhům a mají za úkol odradit případné nepřátele před útokem a naznačit, že nejde o bezbrannou kořist. Velmi často může nějaká látka fungovat jako feromon i allomon současně a zpravidla bývá i toxická pro jiné živočichy. Obvykle je produkována jedovou žlázou mravence a při kousnutí se dostává do těla oběti.

Mravenci ovšem musí umět nejen chemické signály vysílat, ale musí být také schopni je přijímat a porozumět jim. K tomuto účelu jsou vybaveni citlivými čidly, jakýmysi čichovými orgány. Ty jsou umístěny na článkovaných tykadlech mravence a představují velmi citlivé biosenzory. Sestávají z feromonových receptorů spojených s biologickým signalizačním systémem a jejich citlivost je obdivuhodná. Mravenci jsou schopni detekovat koncentrace látek nižších než 1 ppb. Po obsazení receptoru molekulou feromonu se vytvoří v biosenzoru napěťový impulzs o velikosti 0,1 –2 mV, který je nervovým systémem živočicha vyhodnocen jako jednoznačná informace. Jeho velikost je ovlivňována množstvím obsazených receptorů, tedy koncentrací feromonu v prostředí. Mravenec je proto schopen registrovat koncentrační gradient feromonu, což mu poskytuje mimo jiné i dobrou informaci o vzdálenosti zdroje feromonu a zda se k němu přibližuje, či naopak vzdaluje. Párový systém tykadel umožňuje přesně lokalizovat i zdroj, odkud se molekuly feromonu šíří. Receptory jsou navíc velice selektivní, tzn. že jsou citlivé pouze na některé chemické molekuly, které jsou schopny je excitovat, což dále zdokonaluje systém vzájemné komunikace. Ta je u některých druhů mravenců tak dokonalá, že celé mraveniště se po mnoha stránkách chová jako jediný organizmus. Pomocí chemických zpráv je zabezpečována vzájemná informovanost všech jedinců tvořících mraveniště. Prostřednictvím těchto chemikálií jsou předávány informace o nových zdrojích potravy, o stavu zásob, o různých druzích nebezpečí apod. Chemické signály vydávané jednotlivými kastami ale také slouží Obrázek 1: Severoamerický mravenec Aphaenogaster rudis, k předávání informací o nadřazenosti a podřízenosti jedinců v jehož jedu byl nalezen anabasein a pomáhají regulovat jejich vzájemný poměr tak, aby společenský život mraveniště fungoval optimálně a nebyl ničím narušován. V jedu mravence A. rudis, který funguje současně jako jeho značkovací feromon, byl nalezen N-izopentyl-2-fenyletylamin a tři heterocyklické dusíkaté látky, deriváty pyridinu: [3-(2-piperidinyl) pyridin] (anabasin), 2,3’-bipyridyl a 3,4,5,6-tetrahydro2,3’-bipyridyl (anabasein) (Attygalle et al., 1998). Právě anabasein (I) je tou látkou, která vzbudila pozornost badatelů. Je totiž velmi silným a selektivním agonistou savčích a7 nikotinových receptorů v mozku (Kem et al., 1997). Bylo zjištěno, že stimulace těchto receptorů chrání neuron před cytotoxickým účinkem beta-amyloidu (Kihara et al., 1997, 1999), který je hlavní komponentou senilních plaků v mozku lidí s Alzheimerovou demencí, podílející se na neurodegenerativních změnách spojených s touto chorobou. Jeden ze syntetických derivátů anabaseinu, 3-(2,4-dimetoxybenzyliden)-anabasein hydrochlorid (GTS-21, II) má stejný farmakologický profil (Meyer et al., 1998; Nanri et al., 1998) a je již klinicky testován jako léčivo AD (Azuma et al., 1999).

Žába Epipedobates tricolor Jde o žábu z čeledi Dendrobatidae, která žije v Ekvádoru a je typickým obyvatelem deštného pralesa. Svůj život tráví vysoko v korunách stromů a jejím životním prostředím jsou tůňky dešťové vody v broméliích a jejich nejbližší okolí. Do tůněk kladou samičky několik vajíček a starají se o vylíhlé pulce. Vývoj od vajíčka k dospělé žábě trvá dva až tři měsíce. Dospělá žába je velká asi 3 až 4 cm a živí se drobným hmyzem, zejména mouchami a komáry. Je velmi pestře zbarvena, jako ostatně všechny žáby čeledi Dendrobatidae, a svým výstražným zbarvením tak upozorňuje eventuální predátory na svou jedovatost. Tito malí tvorové mají na horní části hlavy a zad jedové žlázy, kterými vylučují hlenovitý výměšek. Domorodí obyvatelé deštných pralesů Jižní a Střední Ameriky využívali od pradávna jedovatých sekretů žab čeledi Dendrobatidae k napouštění svých šípů, které používali k lovení kořisti pomocí tzv. foukaček. Tento způsob lovu se dosud uchoval mezi kolumbijskými indiány žijícími v oblastech Choco a Noanama. K tomuto účelu je využíváno kolem 20 druhů žab. Za nejjedovatější jsou považovány Phyllobates terribilis, P. aurotoenia a P. bicolor. Žába P. terribilis, žijící v Kolumbii v oblasti Chaco, je extrémě jedovatá a jed z jedné dospělé žáby by byl schopen usmrtit až dvacet tisíc myší (Myers et al., 1978). Je to zřejmě nejjedovatější tvor na Zemi (Patočka et al., 1999). Ekvádorská žába Epipedobates tricolor obsahuje v jedovatém sekretu zajímavý derivát 2-chlorpyridinu, tzv. epibatidin (III). Ten je podobně jako anabasein selektivním agonistou nikotinových receptorů a vykazuje také velmi silný analgetický účinek, 400× silnější než morfin. Také tato látka se stala vzorem pro syntézu podobných sloučenin s výhodnějšími vlastnostmi. Bylo připraveno několik látek odvozených od struktury epibatidinu, např. ABT-594 (IV), málo toxické analgetikum, 70× účinnější než morfin a zejména agonisté centrálních nikotinových receptorů ABT-089 (V) (Sullivan et al., 1997; Prendergast et al., 1998),

ABT-418 (VI) (Prendergast et al. 1998; Wilens et al., 1999) a epiboxidin (VII) (Satendra a Garo, 1997), u nichž se předpokládá významný užitek pro farmakoterapii AD. Jedy žab čeledi Dendrobatidae vůbec představují zajímavý zdroj unikátních chemických struktur, sloužících často jako inspirace pro organické chemiky při syntéze nových, biologicky velmi účinných látek (Patočka et al., 2000).

Obrázek 2: Jihoamerická žába Epipedobates tricolor, jejíž jed obsahuje epibatidin

Obrázek 3: Chemické strukturní vzorce anabaseinu, epibatidinu a některých synteticky připravených analogů

Závěr Agonisté neuronálních nikotinových cholinergních receptorů představují farmakologicky velmi zajímavou skupinu látek s možným využitím jako léčiv upravujících kognitivní poruchy u AD. Není bez zajímavosti, že takováto „potenciální kognitiva“ nabízí sama příroda jako součást některých živočišných jedů a je na člověku, jak této skutečnosti využije ve svůj prospěch.

LITERATURA Anonym. Tacrine: a second look. An outdated drug to be discarded. Prescribe Int 1999;8:16–18. Attygalle AB, Kern F, Huang Q, Meinwald J. Trail pheromone of the myrmicine ant Aphaenogaster rudis (Hymenoptera: Formicidae). Naturwissenschaften 1998;85:38–41. Azuma R, Komuro M, Korsch BH, Andre JC, Onnagawa O, Black SR, Mathews JM. Metabolism and disposition of GTS-21, a novel drug for Alzheimer’s disease. Xenobiotica 1999;29:747–762. Briggs CA, McKenna DG, Piattoni-Kaplan M. Human alpha7 nicotinic acetylcholine receptor responses to novel ligands. Neuropharmacology 1995;34:583–590. Francis PT, Palmer AM, Snape M, Wilcock GK The cholinergic hypothesis of Alzheimer’s disease: a review of progress. J Neurol Neurosurg Psychiat 1999;66:137–147. Guttman R, Altman RD, Nielsen NH. Alzheimer disease. Report of the Council on Scientific Affairs. Arch Fam Med 1999;8:347–353. Kelly JS. Alzheimer’s disease: the tacrine legacy. Trends Pharmacol Sci 1999;20:127–129. Kem WR, Mahnir VM, Papke RL, Lingle CJ. Anabaseine is a potent agonist on muscle and neuronal alpha-bungarotoxinsensitive nicotinic receptors. J Pharmacol Ept Ther 1997;283:979–992. Kihara T, Shimohama S, Akaike A. Effects of nicotinic receptor agonists on beta-amyloid beta-sheet formation. Jpn J Pharmacol 1999,79:393–386.

Kihara T, Shimohama S, Sawada H, Kimura J, Kume T, Kochiyama H, Maeda T, Akaike A. Nicotinic receptor stimulation protects neurons against beta-amyloid toxicity. Jpn J Pharmacol 1997;74:285–289. Kihara T, Shimohama S, Urushitani M, Sawada H, Kimura J, Kume T, Maeda T, Akaike A. Stimulation of alpha4beta2 nicotinic acetylcholine receptors inhibits beta-amyloid toxicity. Brain Res 1998;792:331–334. Levin ED, Bettegowda C, Blosser J, Gordon J. AR-R17779, and alpha7 nicotinic agonist, improves learning and memory in rats. Behav Pharmacol 1999;10:675–680. Meyer EM, Kuryatov A, Gerzanich V, Kindstrom J, Papke RL. Analysis of 3-(4-hydroxy-2-methoxybenzilidene)anabaseine selectivity and activity at human and rat alpha-7 nicotinic receptors. J Pharmacol Exp Ther 1998;287:918–925. Myers CW, Daly JW, Malkin B. A dangerously toxic new frog (Phyllbate) used by Emberá Indians of Western Colombia, with discussion of blowgun fabrication and dart poisoning. Bull Am Mus Nat Hist 1978;161:311–364. Nanri M, Miyake H, Murakami Y, Matsumoto K, Watanabe H. GTS-21, a nicotinic agonist, attenuates multiple infarctions and cognitive deficit caused by permanent occlusion of bilateral common carotid arteries in rats. Jpn J Pharmacol 1998;78:463–469. Paterson D, Nordberg A. Neuronal nicotinic receptors in the human brain. Prog Neurobiol 2000;61:75–111. Patočka J, Ardila MC, Vázquez MV. Jedy žab čeledi Dendrobatidae – Inspirace pro bioorganickou chemii. Chem Listy 2000;94:230–233. Patočka J, Schwanhaeuser KW, Marini Palomeque MV. Dart poison frogs and their toxins. ASA Newslett 1999;99-5:16–18. Prendergast MA, Jackson WJ, Terry AV Jr, Decker MW, Arneric SP, Buccafusco JJ. Central nicotinic receptor agonists ABT-418, ABT-089, and (-)-nicotine reduce distractibility in adult monkeys. Psychopharmacology (Berl.) 1998;136:50–58. Sargent BP. The diversity of neuronal nicotinic acetylcholine receptors. Annu Rev Neurosci 1993;16:403–443. Satendra S, Garo PB. Efficient synthesis of (+/-)-N-BOC-exo-2-(methoxycarbonyl)-7-azabicyklo[2.2.1]heptane, a versatile intermediate for the synthesis of epibatidine and epiboxidine. Tetrahedron Lett 1997;38:6829–6830. Sullivan JP, Donnelly-Roberts D, Briggs CA, Anderson DJ, Gopalakrishnan M, Xue IC, Piattoni-Kaplan M, Molinari E, Cambell JE, McKenna DG, Gunn DE, Lin NH, Ryther KB, He Y, Holladay MW, Wonnacott S, Williams M, Arneric SP. ABT-089 [2-methyl-3-(2-(S)-pyrrolidinylmethoxz)pyridine]: I. A potent and selective cholinergic channel modulator with neuroprotective properties. J Pharmacol Exp Ther 1997;283:235–246. Švestka J. Nová psychofarmaka: Kognitivum donepezil. Psychiatrie 1999a;3:36–44. Švestka J. Nová psychofarmaka: Kognitivum rivastigmin. Psychiatrie 1999b;3:110–118. Ulrich J, Johannson-Locher G, Seiler WO, Stahelin HB. Does smoking protect from Alzheimer’s disease? Alzheimer-type changes in 301 unselected brains from patients with known smoking history. Acta Neuropathol (Berl) 1997;94:450–454. Wada E, Wada K, Boulter J, Deneris E, Heinemann S. Distribution of a2, a3, a4 and b2 neuronal nicotinic subunit mRNAs in the central nervous system: a hybridization histochemical study in rat. J Comp Neurol 1989;284:314–335. Warpman U, Nordberg A. Epibatidine and ABT 418 reveal selective losses of alpha4beta2 nicotinic receptors in Alzheimer brains. Neuroreport 1995;6:2419–2423. Wevers A, Monteggia L, Nowacki S, Bloch W, Schutz U, Lindstrom J, Pereira EF, Eisenberg H, Giacobini E, de Vos RA, Steur EN, Maelicke A, Albuquerque EX, Schroder H. Expression of nicotinic acetylcholine receptor subunits in the cerebral cortex in Alzheimer’s disease: histotopographical correlation with amyloid plaques and hyperphosphorylated-tau protein. Eur J Neurosci 1999;11:2551–2565. Wilens TE, Biederman J, Spencer TJ, Bostic J, Prince J, Monuteaux MC, Soriano J, Fine C, Abrams A, Rater M, Polisner D. A pilot controlled clinical trial of ABT-418, a cholinergic agonist, in the treatment of adults with attention deficit hyperactivity disorder. Am J Psychiat 1999;156:1931–1937.

Prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc. Katedra toxikologie Vojenská lékařská akademie 500 01 Hradec Králové E-mail: [email protected]

Left.gif (10785 bytes)

Midlle.gif (12243 bytes)

Right.gif (10788 bytes)