Botuliini

Botuliinit ovat ryhmä rakenteellisesti ja toiminnollisesti samankaltaisia hermomyrkkyjä, joita tuottavat tietyt Clostridium-bakteerit. Annoskokoon suhteutettuna botuliinit ovat eräitä kaikkein voimakkaimpia tunnetuista myrkyistä. Myrkyllisyys riippuu botuliinityypistä ja annostelutavasta. Esimerkiksi luonnossa olevan ja lääkkeenäkin usein käytetyn A1-botuliinin ihmisen tappavan annoksen on arvioitu olevan nieltynä 1000 nanogrammaa per kehonpainokilogramma (ng/kg) ja 1 ng/kg verenkiertoon tai lihakseen pistettynä injektiona.

Botuliinit toimivat myrkkyinä estämällä lihassupistukseen vaaditun asetyylikoliinin vapautumista hermo-lihasliitoksissa. Botuliinimyrkytys eli botulismi ilmenee 12–72 tunnissa, jos botuliinia on nielty. Se paranee hoidettuna viikoissa tai kuukausissa. Kuolleisuus hoidettuun botulismiin on noin 5–10 %. Hoitamattomana se taas usein tappaa. Botulismin pääoireena on yläraajoista alaraajoihin leviävä luurankolihasten heikkous tai halvaus. Pallean mahdollinen halvaantuminen estää hengittämisen, joka vaatii hengityskonehoitoa. Botuliineja vastaan on vastamyrkkyjä, mutta nämä tehoavat vain jos niitä annetaan ennen myrkytysoireiden ilmenemistä. Botuliineja vastaan on myös rokotteita.

Botuliineja käytetään lääkkeinä muun muassa lihasten liikehäiriöihin. Kasvolihaksiin annettuja botuliinipistoksia käytetään myös halvaannuttamaan kasvolihaksia ja estämään siten ilmehdinnän edistämää ihoryppyjen muodostumista kasvoihin. Botuliineja voidaan myös käyttää kemiallisina aseina.

"Botuliini" ja "botulismi" tulevat latinan sanasta botulus, joka merkitsee "makkaraa". Sanaa "botulismi" alettiin käyttämään pian sen jälkeen, kun saksalaislääkäri Justinus Kerner kirjoitti 1800-luvulla kuvauksia botuliinimyrkytyksistä, jotka johtuivat pilaantuneen makkaran syönnistä. Sanaa "botuliini" puolestaan alettiin käyttämään myöhemmin.

Esiintyminen luonnossa
Botuliineja tuottavat vähähappisissa oloissa tietyt Clostridium-bakteerit, joiden itiöitä on laajalti muun muassa maaperässä. Botuliinimyrkytyksen eli botulismin voivat aiheuttaa ainakin Clostridium botulinum-, Clostridium baratii-, Clostridium butyricum- tai Clostridium argentinense -bakteerien tuottamat botuliinit.

Rakenne

Perusrakenne
Botuliineja on useita, mutta ne ovat rakenteellisesti likimain samantapaisia. Botuliinien massa on noin 150 kDa. Kaikissa botuliineissa on 2 peptidiketjua: kevyt- ja raskasketju eli L- ja H-ketjut (eng. Light, Heavy). Ketjut ovat toisissaan kiinni yhdellä disulfidisidoksella. Raskasketjun massa on noin 100 kDa. Se jakautuu N-terminaaliseen proteiinidomeeniin eli HN-domeeniin ja C-terminaaliseen domeeniin eli HC-domeeniin. HN- ja HC-domeenien massat ovat noin 50 kDa. HC sitoutuu lektiininä johonkin myrkyn kohteena olevan hermosolun solukalvossa olevan reseptorin hiilihydraattiin. Sitoutumisen jälkeen botuliinin siirtyminen solun sisälle tapahtuu HC-ketjun avulla. Kevytketjun massa botuliineissa on noin 50 kDa ja se sisältää aktiivisen kohdan. Kohta vaatii sinkki-ionin kofaktoriksi myrkyllisyyden aiheuttavaan entsyymitoimintaansa.

Kompleksit

Clostridium-bakteerien tuottamat botuliinit ovat aina ei-kovalenttisesti kiinni NTNHA-proteiinissa (eng. NonToxic Non-HemAgglutinin protein) ja näiden kokonaisuutta sanotaan M-PTC:ksi (eng. Minimally functional Progenitor Toxin Complex). NTNHA suojaa botuliinia muun muassa ruuansulatuselimistön entsyymeiltä ja ilman sitä nielty botuliini hajoaa nopeasti kehossa vähentäen botuliinin mykyllisyyttä merkittävästi. Kompleksi muodostuu happamassa ja hajoaa pH-arvossa 7.3, jolloin vapautunut botuliini voi imeytyä verenkiertoon. NTNHA ei ole myrkyllinen ja sen massa on noin 140 kDa, joten koko M-PTC:n massa on noin 300 kDa. Jotkin botuliinityypit voivat olla luontaisesti kompleksoituneet vieläkin useamman proteiinin kanssa ja näiden kompleksien massa voi olla jopa 900 kDa.

Luokittelu
Botuliinien päätyyppejä ovat muun muassa A-, B-, C-, D-, E-, F- ja G-botuliinit. Botuliineista käytetään usein kirjainlyhennettä BoNT (eng. Botulinum NeuroToxin) ja esimerkiksi A-botuliinia voidaan kutsua nimellä BoNT/A. Kirjainpohjaiset luokat perustuvat varhaisissa tutkimuksissa käytettyyn botuliinien tunnistamiseen vasta-aineiden avulla. Siksi botuliinien pääluokkia kutsutaan usein serotyypeiksi. Geenitutkimuksen kehitys on kuitenkin sittemmin paljastanut, että osa näistä päätyypeistä jakautuu vielä useisiin alatyyppeihin. Alatyyppien nimissä käytetään usein numeroita. Esimerkkejä ovat A1-botuliini ja A2-botuliini, joita voidaan kutsua vastaavasti nimin BoNT/A1 ja BoNT/A2. A-botuliineja on tosin enemmän kuin vain A1 ja A2. Botuliineja on luonnossa myös yhdistelminä, joita sanotaan usein kimeereiksi. Esimerkiksi BoNT/CD merkitsee botuliinia, jonka raskasketjussa on jonkin C-botuliinin HN-domeeni ja jonkin D-botuliinin HC-domeeni.

Botuliinien päätyyppien A–G lisäksi muitakin botuliinityyppejä tunnetaan. Esimerkkejä ovat BoNT/X, BoNT/J, BoNT/Wo ja BoNT/A2F4F5.

Myrkyllisyyden mekanismi

Kaikki botuliinit estävät luurankolihasten supistumista estämällä asetyylikoliinin vapautumista hermo-lihasliitosten hermosoluista ja siten asetyylikoliinin sitoutumista lihassolujen asetyylikoliinireseptoreihin. Näiden reseptorien aktivaatio saisi aikaan lihassupistuksen. 

Botuliinit koostuvat raskas- ja kevytketjusta. Nieltynä botuliinit imeytyvät suolistosta verenkiertoon. Veren botuliinien raskasketjut sitoutuvat joihinkin hermosolujen solukalvon proteiineihin. Kiinnittyneet botuliinit päätyvät endosytoosilla solujen sisään kalvorakkuloissa. Rakkulat happamoituvat, jolloin kevyt- ja raskasketjut irtoavat erilleen. Kevytketju päätyy rakkulasta solulimaan.

Hermosolujen viejähaarakkeiden hermopäätteissä on asetyylikoliinia sisältäviä kalvorakkuloita, joista asetyylikoliini vapautuu eri proteiineista koostuvien SNARE-kompleksien avulla. Botuliinien soluliman kevytketjut estävät SNARE-kompleksien muodostumista pilkkomalla proteolyyttisesti sen rakenneosia ennen kompleksin muodostumista. Pilkottu osa riippuu botuliinista. B-, D-, F- ja G-botuliinit pilkkovat kompleksin synaptobreviineitä eli VAMP-proteiineja. Tyypin A-, C- ja E-botuliinit pilkkovat SNAP25-proteiineja. Tyypin C-botuliinit pilkkovat syntaksiineja.

Botuliinit eivät tiettävästi läpäise veri-aivoestettä tehokkaasti ja niiden myrkyllisyys kohdistuu pääosin ääreishermostoon. Ne voivat tästä huolimatta vaikuttaa keskushermostoon ainakin epäsuorin tavoin.

Myrkyllisyys
Botuliineja on useita ja niiden myrkyllisyys poikkeaa toisistaan. Esimerkiksi A1-botuliinin, joka on kompleksoitunut NTNHA:n kanssa (katso kohta kompleksit), ihmisille tappavan annoksen on arvioitu olevan nieltynä 1 000 nanogrammaa per kehonpainokilo (ng/kg), hengitysteihin sisään hengitettynä 10 ng/kg ja lihakseen tai verenkiertoon pistettynä 1 ng/kg. Botuliinit eivät imeydy ehjän ihon läpi, mutta ne imeytyvät haavoista ja limakalvoilta.

Tyypillisesti vain botuliinien päätyypit A, B ja E aiheuttavat myrkytyksiä ihmisissä. F- ja G-botuliinit voivat myös aiheuttaa myrkytyksen ihmisille, mutta harvoin.

Annoskokoon suhteutettuna botuliinit ovat eräitä kaikkein voimakkaimpia tunnetuista myrkyistä. Esimerkiksi verenkiertoon pistettynä botuliinit ovat massaltaan hiirille likimain 200-kertaa myrkyllisempiä kuin batrakotoksiini ja 500-kertaa myrkyllisempiä kuin risiini.

Myrkyn tuhoaminen
Botuliinit denaturoituvat ja menettävät myrkyllisyytensä altistettaessa ne vähintään 5 min ajan 85 °C:lle tai vähintään 20 min ajan 80 °C:lle. HSTS-pastörointi (15 sekuntia 72 °C:ssa) todennäköisesti tuhoaa pääosan botuliineista, mutta tavanomainen pastörointi ei (30 min 63 °C:ssa). Veden klooraus tuhoaa botuliineja. Myös auringonvalo voi tuhota botuliineja, mutta hitaasti.

Botuliineja tuottavat bakteerit kuolevat helposti muun muassa monien liuottimien avulla. Esimerkiksi väkevä etanoli- tai laimea natriumhypokloriittiliuos tappavat niitä helposti. Bakteerien itiöt ovat kuitenkin hyvin kestäviä. Kestävimpien bakteerilajien itiöt kuolevat 3 min altistuksessa 121 °C:lle. Tällaisia käsittelyolosuhteita käytetään esimerkiksi säilyketölkkiruokien teollisessa tölkityksessä botulismin ehkäisemiseksi. Herkempien lajien itiöt kuolevat jo 10 min altistuksessa 90 °C:lle. Autoklavointi ja säteilytys ovat myös toimivia tapoja tuhota itiöitä.

Myrkytys

Hyötykäyttö
Botuliineja voidaan käyttää hoitamaan muun muassa karsastusta, eri liikehäiriöitä (esimerkkejä: fokaalidystonia ja blefarospasmi), spastisuutta, päänsärkyä ja liikahikoilua. Niitä käytetään myös estämään ryppyjen muodostumista pistämällä niitä tiettyihin kasvojen lihaksiin, jolloin ryppyjen muodostumista edistävä kasvolihasten liike estyy väliaikaisesti. Botuliineja voidaan myös käyttää kemiallisina aseina.

Joissain maissa saatavilla olevien terapeuttisten tai kosmeettisten botuliinivalmisteiden kauppanimiä ovat muun muassa Azzalure, Bocoture, Botox, Dysport, Dysport, Lantox, MyoBloc, NeuroBloc, Neuronox, Prosigne, Reloxin, Vistabel, Vistabex ja Xeomin. Näistä esimerkeistä valtaosa on A-tyypin botuliineja, mutta osa on B-tyyppiä. Jotkin valmisteista sisältävät pelkän botuliinin ja osassa se on proteiinikompleksissa, kuten luontaisissa botuliineissakin.

Historia
Botuliinimyrkytys eli botulismi ei ole uusi ilmiö ja pyrkimykset estää sitä ovat vaikuttaneet eri sivilisaatioissa ruokien valmistustapoihin.

Württembergin kuningaskunnassa, joka on nykyään osa Saksaa, ilmeni 1800-luvun alussa useita botuliineista johtuneita ruokamyrkytyksiä. Myrkytysten ilmenemistä lisäsivät pääosin Napoleonin sodat, niistä johtuva köyhyys ja ruuan epähygieenisen valmistuksen yleistyminen. Esimerkiksi 1802 kuningaskunta antoi julkisen tiedotteen, jossa kansalasia varoitettiin syömästä savustettuja verimakkaroita ruokamyrkytysriskin takia. Myrkytyksiä ja niiden aiheuttajia tutkivat useat eri tahot. Justinus Kerner oli yksi näistä. Hän toimi lääkärinä Württembergin kuningaskunnassa ja julkaisi 1820 yhden ensimmäisistä yksityiskohtaisista kuvauksista nykyään botulismiksi tunnistettavista ihmisillä ilmenneistä ruokamyrkytyksistä, jotka johtuivat makkaroiden syömisestä. Kerner jatkoi tutkimuksiaan ja tutki myrkytystä myös eläimillä ja itsellään nielemällä myrkkyä sisältäviä makkarauutteita. Hän päätyi päätelmään, että myrkky lamaa hermostoa, se on makkaroiden rasvassa ja muodostuu hapettomissa oloissa. Hän esitti myrkyn poistuvan esimerkiksi keitettäessä makkaroita. Nämä päätelmät ovat nykytiedon valossa oikein lukuun ottamatta myrkyn rajoittumista vain rasvoihin. Kernerin tutkimuksien takia myrkytys alettiin tuntemaan muun muassa nykyisen Saksan alueella laajalti "makkaramyrkytyksenä". 1870 saksalaislääkäri Müller nimesi myrkytyksen botulismiksi, joka tulee latinan sanasta botulus, "makkara".

Joulukuussa 1895 belgialaisessa Ellezellesin kylässä 34:llä hautajaisvieraalla ilmeni botulismi sen jälkeen kun he olivat syöneet hautajaisissa tarjottua huonosti valmistettua ja säilytettyä kinkkua. 3 kuoli myrkytykseen. Tapauksen seurauksena Belgiassa mikrobiologina toiminut Emile Pierre van Ermengem eristi kinkusta ja kuolleiden ruumiista bakteerilajin, jonka hän todisti eläinkokein tuottavan tuntematonta myrkkyä, joka aiheutti botulismin. Lajille hän antoi nimen Bacillus botulinus 1897 julkaisemissa tuloksissaan. Laji nimettiin myöhemmin uudelleen nykyisellä nimellään Clostridium botulinum.

1910 J. Leuchs tunnisti Berliinissä serotyypiltään uuden botuliinin. Tämä nimettiin myöhemmin B-botuliiniksi. C-botuliini tunnistettiin 1922, D-botuliini 1928, E-botuliini 1936, F-botuliini 1960 ja G-botuliini 1970. 1949 Burgen ja kollegat havaitsivat botuliinien estävän asetyylikoliinin eritystä hermo-lihasliitoksissa. 1992 Giampietro Schiavo ja kollegat tunnistivat botuliinien myrkyllisyyden mekanismin, eli sen, että ne pilkkovat SNARE-proteiinikompleksien osia ja estävät siten asetyylikoliinin eritystä hermolihasliitoksissa halvauksen aiheuttaen.

Katso myös
Jäykkäkouristus

Lähteet

Aiheesta muualla

DrugBank: Botulinum toxin type A
DrugBank: Botulinum Toxin Type B
T3DB: botulinum

Bakteerimyrkyt
Hermomyrkyt
Lihasrelaksantit
Kemialliset aseet
Seulonnan keskeiset artikkelit