La tossina botulinica: caratteristiche, patologie e applicazioni

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Scoperta e caratterizzazione

Fu Christian Andreas Justinus Kerner che nel 1817 associò il botulismo di origine alimentare ad una tossina che paralizzava i muscoli scheletrici e la funzione parasimpatica. Nel 1895, Emile Van Ermengem isolò per la prima volta il batterio Clostridium botulinum a seguito di un’epidemia nel villaggio belga di Ellezelles, in occasione di un funerale. Edward Schantz isolò la tossina nel 1944, e nel 1949 Burgen e i suoi colleghi ne scoprirono il meccanismo d’azione.

A seguito di alcuni studi che prevedevano iniezioni della tossina botulinica nei muscoli extraoculari delle scimmie, nel 1973 Alan Scott osservò che lo strabismo nelle scimmie poteva essere corretto. Fu quindi pubblicato nel 1984 il primo report di applicazione clinica della tossina botulinica che ne riconosceva il valore terapeutico. Successivamente sono stati condotti una serie di studi sulla tossina botulinica, che oggi trova applicazione in svariati campi come la dermatologia, ma anche disturbi neurologici manifestati da contrazioni muscolari anomale, e in patologie oftalmiche, gastrointestinali, urologiche, ortopediche.

Funzioni biologiche

La tossina botulinica è generalmente considerata la più potente tra le esistenti tossine biologiche. E’ prodotta dal batterio Clostridium botulinum (Fig. 1), un bacillo gram negativo, ed è un’esotossina che agisce a livello neuronale bloccando irreversibilmente il rilascio dell’acetilcolina (Fig. 2). Viene utilizzata in campo terapeutico e cosmetico, ma è anche responsabile di patologie che possono avere esito letale, quali il botulismo alimentare e il botulismo infantile. In base a sperimentazioni eseguite sul ratto, la dose letale calcolata per l’uomo adulto è approssimativamente di 0,01 µg. 

Patologie correlate

La tossina botulinica trova applicazioni in campo terapeutico e biomedico, tuttavia una quantità minima può essere letale per l’organismo umano, se non opportunamente dosate e formulate, tanto da essere considerate una potenziale arma biologica e agenti del bioterrorismo.

Essa causa il botulismo, una malattia neuro-paralitica, che può essere caratterizzata in 5 forme:

  • alimentare, se la tossina viene assunta dagli alimenti;
  • da ferita, causata dallo sviluppo di tossine da parte di C. botulinum in ferite infette;
  • infantile, se il C. botulinum colonizza l’intestino dei neonati e produce tossine;
  • da colonizzazione intestinale dell’adulto, se, allo stesso modo del botulismo infantile, la tossina si sviluppa nell’intestino di chi ha una grave disbiosi intestinale
  • iatrogeno, dovuta all’errata somministrazione delle tossine botuliniche a scopo terapeutico o cosmetico
  • da inalazione, dovuta al rilascio deliberato o accidentale delle tossine botuliniche.

C. botulinum è un microrganismo ubiquitario, principalmente si ritrova sotto forma di spore, che sono molto resistenti e possono sopravvivere quiescenti anche per anni, in diversi ambienti come il suolo, i sedimenti marini e lacuali, il pulviscolo atmosferico e gli alimenti. La tossina viene sviluppata in condizioni di anaerobiosi, in substrati con pH>4.6, e in presenza di umidità.

Il botulismo alimentare

La sintomatologia del botulismo alimentare può variare da forme lievi a forme anche molto gravi. I sintomi più comuni sono annebbiamento e sdoppiamento della vista, dilatazione delle pupille, difficoltà a mantenere aperte le palpebre, difficoltà nell’articolazione della parola, difficoltà di deglutizione, secchezza della bocca e delle fauci, stipsi. Nelle forme più gravi si arriva all’insufficienza respiratoria, che può avere esito fatale per blocco della conduzione nervosa ai muscoli responsabili della respirazione.

Le spore possono contaminare gli alimenti e le materie prime di partenza. Sono a rischio soprattutto le conserve e le semi-conserve non acide o che non hanno subito trattamenti di acidificazione o fermentazione, come quelle preparate in ambito domestico, poichè sussistono le condizioni di sviluppo delle tossine che invece si sviluppano raramente negli alimenti freschi. Le conserve di produzione industriale generalmente non sono pericolose perché le tecnologie di produzione sono ben standardizzate e consentono il controllo dello sviluppo e della tossinogenesi dei clostridi produttori di tossine botuliniche.

Il botulismo infantile

Se la tossina colpisce i neonati entro il primo anno di vita si parla di botulismo infantile. I sintomi più comuni sono stitichezza, seguita dalla paralisi flaccida simmetrica che colpisce via via i muscoli della testa, del tronco e degli arti (Floppy Baby Syndrome) in assenza di febbre. Sì può anche verificare pianto flebile, perdita di controllo del capo, diminuzione dei movimenti dell’occhio fino alla difficoltà a mantenere aperti gli occhi, difficoltà ad alimentarsi per scarsa suzione e difficile deglutizione. In ultimo si può verificare una riduzione della capacità di muoversi e la perdita dei riflessi tendinei.

La cura al botulismo è l’utilizzo di immunoglobuline endovena specifiche per botulino (BIG-IV) in fase di ricovero.

La tossina botulinica agisce bloccando il rilascio acetilcolina dal terminale presinaptico della giunzione neuromuscolare a livello del sistema nervoso parasimpatico. Questo avviene per tutti i sierotipi della tossina caratterizzati. Queste neurotossine sono metalloproteinasi che, una volta entrati nella cellula, scindono i componenti proteici dell’apparato della neuroesocitosi, bloccando la trasmissione del neurotrasmettitore (acetilcolina). Tale complesso di neuroesocitosi è il complesso SNARE.

Prima di tutto la tossina botulinica si lega irreversibilmente ai recettori colinergici presinaptici, poi, viene internalizzata grazie a un meccanismo di endocitosi mediata da recettore. Questo processo è calcio-indipendente. Dopo l’internalizzazione, avviene il blocco neuromuscolare. Questo passaggio è la conseguenza dell’attività proteolitica della catena L di ciascuna tossina, che contiene una zinco-endopeptidasi altamente specifica. I substrati bersaglio di queste tossine infatti, sono le proteine del complesso SNARE, che operano nella formazione delle vescicole contenenti acetilcolina da rilasciare nella fessura sinaptica.

Struttura molecolare

La neurotossina botulinica (BNT) è formata da una catena aminoacidica pesante dal peso molecolare di 100 kDa, e da una catena leggera di 50 kDa. Esse sono legate fra loro da un ponte disolfuro (Fig. 3). La neurotossina (BNT) e le proteine associate formano una tossina botulinica (BT) con peso molecolare di 450 kDa.

Il C. botulinum sintetizza le cosiddette “proteine associate alla neurotossina” (NAPs, neurotoxin-associated proteins), un insieme di proteine che proteggono la neurotossina dall’attività gastrica dello stomaco.

Esistono 7 sierotipi di BT (A, B, C, D, E, F e G), e ognuno a sua volta è caratterizzato da ulteriori sottotipi. Ogni tossina botulinica è inizialmente sintetizzata come prodotto di 150 kDa, ma l’attività biologica necessita di una proteolisi post-translazionale che scinde il polipeptide in due porzioni separate, e cioè la catena leggera e la catena pesante, che restano legate in maniera covalente fra loro da un singolo ponte disolfuro.

Immagini

Clostridium botulinum
Figura 1 – Clostridium botulinum al microscopio ottico (sinistra) in cui si osservano le spore e su blood agar (destra) (Fonte: Paramedics World)
acetilcolina
Figura 2 – Struttura chimica dell’acetilcolina (Fonte: Wikipedia)
struttura proteica tossina botulinica
Figura 3 – Struttura cristallografica della tossina del botulino tipo A [Fonte: Wikipedia]
meccanismo d'azione della tossina botulinica
Figura 4 – Meccanismo d’azione della tossina botulinica (Fonte: Arnon SS, et al. Botulinum toxin as a biological weapon: medical and public health management)
Figura 5 – Un quattordicenne con botulismo, caratterizzato da debolezza dei muscoli oculari e 
palpebre cadenti (a sinistra), e pupille dilatate e non mobili (a destra)
(Fonte: Wikipedia)

Applicazioni biomediche

La tossina botulinica trova molte applicazioni in campo biomedico, terapeutico e in medicina estetica. Numerosi sono gli studi che hanno condotto a queste applicazioni, una volta compresa la potenzialità di questa molecola. Sono attualmente disponibili in commercio a scopo terapeutico quattro differenti farmaci contenenti tossine botuliniche, di cui tre contengono il sierotipo A. In Europa, tutte le specialità medicinali autorizzate contenenti tossina botulinica di Tipo A e B come principio attivo rientrano nella categoria ATC (M03AX01), ovvero “altri miorilassanti ad azione periferica”.
Le indicazioni terapeutiche autorizzate in Italia delle differenti specialità medicinali contenenti tossina botulinica sono riassunte nella seguente tabella:

Applicazione dei farmaci costituiti da tossina botulinica
Figura 6 – Indicazioni terapeutiche autorizzate per farmaci contenenti BNT (Fonte: Tossina botulinica, Società Italiana di Farmacologia)

Fonti:

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