Informatie

Persistentie van botulinumtoxine in de omgeving


Informatie over ontsmettingstijden vindt u hier op pagina's 6 en 7. Mijn specifieke vraag is hoe persistent botulinumtoxine is in een natuurlijke omgeving, of wat is de halfwaardetijd van dit toxine?


Geschiedenis, wetenschap en methoden

Abstract

Clostridium botulinum is een heterogene soort die vier fylogenetisch en fysiologisch verschillende bacteriën bevat die het gemeenschappelijke kenmerk hebben van het vormen van het botulinum-neurotoxine. Sommige soorten Clostridium baratii en Clostridium butyricum produceren ook botulinumneurotoxinen. Er zijn zeven botulinum-neurotoxinen (types A-G). Dit zijn de meest krachtige toxines die bekend zijn (slechts 30 ng is voldoende om ziekte en mogelijk de dood te veroorzaken) en zijn verantwoordelijk voor botulisme, een ernstige en vaak dodelijke neuroparalytische intoxicatie. De extreme ernst van deze ziekte vereist dat regelgevers en de industrie waakzaam blijven om het door voedsel overgedragen botulismerisico te minimaliseren.


Invoering

De soort omvat meerdere zeer heterogene stammen van staafvormige anaërobe sporenvormende bacteriën, die zijn onderverdeeld in vier groepen (Groepen I–IV) op basis van genomische verwantschap. Alle C. botulinum stammen produceren botulinumtoxine, dat dieren verlamt door de afgifte van acetylcholine uit synaptische blaasjes op neuromusculaire knooppunten te remmen. Dit toxine is ingedeeld in acht serotypes, aangeduid als A–H (Collins en East, 1998, Barash en Arnon, 2014), waarvan A, B, E en F toxisch zijn gebleken voor de mens. Botulinumtoxine-producerende bacteriën zijn onderverdeeld in zes groepen: C. botulinum Groepen I–IV evenals enkele stammen van C. barati en C. butyricum (Peck, 2009). Groep I omvat de proteolytische C. botulinum stammen die botulinumtoxineserotypen A, B en F produceren. Groep II omvat niet-proteolytische stammen die toxineserotypen B, E en F produceren. De stammen in Groep III produceren serotypen C en D, of mozaïek C/D-toxinen. Groep VI-stammen, aangeduid als C. Argentijns (Suen et al., 1988), produceren toxine serotype G. Onder de andere soorten, C. butyricum produceert botulinumtoxine serotype E en C. barati produceert serotype F (Hill et al., 2009).

Botulinumtoxine-genen vertonen een opmerkelijk variabele organisatie. Ze kunnen chromosomaal gelokaliseerd zijn of gelokaliseerd op plasmiden of fagen (serotypen C en D). Serotype B-transcriptie kan plaatsvinden via zowel genoom-gecodeerde als plasmide-gecodeerde toxine-genclusters (Franciosa et al., 2009). Genoomvergelijkingen hebben bewijs van toxineclusterevolutie onthuld door horizontale genoverdracht, plaatsspecifieke insertie en recombinatie, en genomische analyse heeft de historische groepsclassificaties ondersteund (Hill en Smith, 2013 Stringer et al., 2013). De factoren die de pathogeniteit beïnvloeden, zijn dus blijkbaar onderworpen aan een hogere evolutionaire snelheid dan de kerngenomen, waardoor een snelle aanpassing aan de omgeving van de ziekteverwekker mogelijk is.

De ecologie en eigenschappen zijn vergelijkbaar genoeg tussen Groepen I–IV dat het zinvol blijft om te bespreken C. botulinum als één groep in de omgeving. C. botulinum sporen blijven tientallen jaren in de bodem en watersedimenten aanwezig en planten zich voort door predatorafhankelijke ziekteoverdracht. Bij het betreden van de voedselwebben van dieren, C. botulinum gifstoffen kunnen het dier bedwelmen en doden, of de prooi infecteren en verspreiden en doden. Saprofytisch gebruik van de prooi via enzymen, waaronder proteasen en chitinasen, maakt voedingsstoffen beschikbaar voor massale sporen- en toxineproductie. Neurotoxine-genexpressie en vorming van toxinecomplexen komen naar verluidt voor in de late exponentiële groeifase en de vroege stationaire fase (Bradshaw et al., 2004 Kouguchi et al., 2006 Artin et al., 2008 Cooksley et al., 2010) en toxineproductie en sporulatie lijken samen te worden gereguleerd (Cooksley et al., 2010).

Het lijkt erop dat verontreinigde bodems en sedimenten primaire omgevingen zijn voor sporen en dienen als incubatiegebied, van waaruit de ziekteverwekkers kunnen worden gemobiliseerd (Long en Tauscher, 2006). C. botulinum wordt gedetecteerd in, of kan worden geassocieerd met, verschillende organismen die niet worden aangetast door de toxines, zoals algen, planten en ongewervelde dieren (Quortrup en Holt, 1941 Duncan en Jensen, 1976 Bohnel, 2002). Vissen zijn dragers van C. botulinum, maar uitbraken van botulisme in vispopulaties kunnen op grote schaal tot de dood leiden (Yule et al., 2006 Hannett et al., 2011). Aviaire botulisme veroorzaakt door C. botulinum type C, mozaïek C/D of E is een veelvoorkomende doodsoorzaak onder watervogels (Skulberg en Holt, 1987 Friend, 2002 Takeda et al., 2005 Lafrancois et al., 2011 Vidal et al., 2013). Wereldwijd zijn onvoorspelbare uitbraken met variabele verliezen gemeld (Friend, 2002 Babinszky et al., 2008 Shin et al., 2010 Vidal et al., 2013). De afgelopen jaren zijn grote uitbraken in de Grote Meren, met hoge sterfte onder vissen en vogels, goed gedocumenteerd en geanalyseerd (Perez-Fuentetaja et al., 2006, 2011 Lafrancois et al., 2011 Chun et al., 2013). In deze review bespreken we factoren die verband houden met uitbraken van botulisme in natuurlijke omgevingen.


Remming van de vorming van botulinumtoxine in spek door zure ontwikkeling

N. TANAKA, E. TRAISMAN, M.H. LEE, R.G. CASSENS, E.M. FOSTER Remming van de vorming van botulinumtoxine in spek door zuurontwikkeling. J Voedsel Prot 1 juni 1980 43 (6): 450-457. doi: https://doi.org/10.4315/0362-028X-43.6.450

Lactobacillus plantarum, als een producent van melkzuur, en sucrose als een fermenteerbaar koolhydraat werden geëvalueerd voor gebruik bij het verlagen van de hoeveelheid of het elimineren van natriumnitriet in spek. Dit werk was beperkt tot het effect op antibotulinale eigenschappen. Er werd geen rekening gehouden met organoleptische effecten. Plakjes spek werden ingeënt met sporen van Clostridium botulinum type A en B met of zonder gelijktijdige inoculatie met een kweek van L. plantarum, vacuümverpakt en bij 27°C geïncubeerd. Na verschillende incubatieperioden werden monsters genomen en onderzocht op botulinetoxine. We hebben gevonden dat (een) natriumnitriet alleen, 120 ppm, gaf bacon geen uitgebreide bescherming tegen de ontwikkeling van botulinumtoxine als er geen fermenteerbare koolstofbron (sucrose in deze gevallen) aanwezig was (B) zonder toegevoegde melkzuurbacteriën, was de effectiviteit van 120 ppm natriumnitriet plus suiker variabel en afhankelijk van de groei van natuurlijk verontreinigende bacteriën en (C) melkzuurbacteriën met voldoende sucrose gaven een goede bescherming tegen de ontwikkeling van botulinetoxine. Bij temperatuurmisbruik werd zuur geproduceerd en groei van C. botulinum werd geremd. Omdat de beschermende eigenschappen tegen de ontwikkeling van botulinetoxine in het suiker-melkzuurbacteriesysteem niet afhankelijk waren van de aanwezigheid van nitriet, kan nitriet worden verlaagd tot het niveau dat nodig is om organoleptisch aanvaardbare producten te maken zonder in te boeten aan veiligheid, waardoor minder nitrosaminevorming kan worden bereikt .


Popoff, M. R. & Bouvet, P. Genetische kenmerken van toxigene Clostridia en toxine-genevolutie. Toxicon 75, 63–89 (2013).

Johnson, E.A. & Montecucco, C. in Handboek Klinische Neurologie Vol. 91, 333-368 (red. Engel, A.G.) (Elsevier, 2008).

Schiavo, G., Matteoli, M. & Montecucco, C. Neurotoxinen die neuroexocytose beïnvloeden. Fysiol. ds. 80, 717–766 (2000).

Cherington, M. Klinisch spectrum van botulisme. spier zenuw 21, 701–710 (1998).

Centra voor ziektebestrijding en -preventie, ministerie van Volksgezondheid en Human Services. Bezit, gebruik en overdracht van geselecteerde middelen en toxines tweejaarlijkse beoordeling. Laatste regel. Gevoed. Registreren. 77, 61083–61115 (2012).

Arnon, S.S. et al. Botulinetoxine als biologisch wapen: medisch en volksgezondheidsbeheer. J. Ben. Med. ezel. 285, 1059–1070 (2001).

Lim, E.C. & Seet, R.C. Gebruik van botulinumtoxine in de neurologiekliniek. Natuur Rev. Neurol. 6, 624–636 (2010).

Smith, L.D.S. & Sugiyama, H. Botulisme: het organisme, zijn toxines, de ziekte (Charles C. Thomas Uitgeverij, 1988).

Hill, K. K. & Smith, T. J. Genetische diversiteit binnen Clostridium botulinum serotypen, botulinumneurotoxinegenclusters en toxinesubtypen. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 364, 1–20 (2013).

Rocke, E. T. & Samuel, M. D. Water- en sedimentkenmerken geassocieerd met uitbraken van vogelbotulisme in wetlands. J. Wildl. Beheer 63, 1249–1260 (1999).

Aureli, P. et al. Twee gevallen van type E infantiel botulisme veroorzaakt door neurotoxigeen Clostridium butyricum in Italië. J. Infecteren. Dis. 154, 207–211 (1986). Dit is het eerste rapport van botulisme veroorzaakt door een andere Clostridium-soort dan C. botulinum.

Koepke, R., Sobel, J. & Arnon, S. S. Wereldwijd voorkomen van infantiel botulisme, 1976-2006. Kindergeneeskunde 122, e73-e82 (2008).

Simpson, L. L. De levensgeschiedenis van een botulinumtoxinemolecuul. Toxicon 68, 40–59 (2013).

Wenham, T. N. Botulisme: een zeldzame complicatie van injecterend drugsgebruik. Ontstaan. Med. J. 25, 55–56 (2008).

Chertow, D.S. et al. Botulisme bij 4 volwassenen na cosmetische injecties met een niet-gelicentieerd, hooggeconcentreerd botulinumpreparaat. J. Ben. Med. ezel. 296, 2476–2479 (2006).

Dover, N., Barash, J.R., Hill, K.K., Xie, G. & Arnon, S.S. Moleculaire karakterisering van een nieuw botulinum-neurotoxine type H-gen. J. Infecteren. Dis. 209, 192–202 (2014).

Lacy, D.B., Tepp, W., Cohen, A.C., DasGupta, B.R. & Stevens, R.C. Kristalstructuur van botulinum-neurotoxine type A en implicaties voor toxiciteit. Natuur structuur. Biol. 5, 898–902 (1998). Deze studie rapporteert de eerste kristalstructuur van een BoNT en biedt de moleculaire basis voor het begrijpen van het mechanisme van neuronintoxicatie.

Swaminathan, S. & Eswaramoorthy, S. Structurele analyse van de katalytische en bindingsplaatsen van Clostridium botulinum neurotoxine B. Natuur structuur. Biol. 7, 693–699 (2000).

Kumaran, D. et al. Domeinorganisatie in Clostridium botulinum neurotoxine type E is uniek: zijn betrokkenheid bij snellere translocatie. J. Mol. Biol. 386, 233–245 (2009).

Gu, S. et al. Botulinum-neurotoxine wordt afgeschermd door NTNHA in een in elkaar grijpend complex. Wetenschap 335, 977–981 (2012). Deze studie rapporteert de onverwachte bevinding dat NTNHA een vergelijkbare vouw aanneemt als BoNT en dat de twee eiwitten samen een in elkaar grijpend complex vormen, wat suggereert dat NTNHA BoNT stabiliseert en het toxine beschermt tegen proteolytische splitsing.

Bonventre, P.F. Absorptie van botulinal toxine uit het maagdarmkanaal. Rev. Infecteren. Dis. 1, 663–667 (1979).

Ohishi, I. & Sakaguchi, G. Orale toxiciteiten van Clostridium botulinum type C en D toxinen van verschillende molecuulgroottes. Infecteren. Immuun. 28, 303–309 (1980).

Lee, K. et al. Structuur van een bimodulair botulinum neurotoxine complex geeft inzicht in de orale toxiciteit. PLoS Pathog. 9, e1003690 (2013).

Benefield, D.A., Dessain, S.K., Shine, N., Ohi, M.D. & Lacy, D.B. Moleculaire assemblage van botulinum-neurotoxine-voorlopercomplexen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 110, 5630–5635 (2013).

Sugawara, Y. et al. Botulinum hemagglutinine verstoort de intercellulaire epitheliale barrière door direct E-cadherine te binden. J. Cell Biol. 189, 691–700 (2010).

Fujinaga, Y., Sugawara, Y. & Matsumura, T. Opname van botulinum-neurotoxine in de darm. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 364, 45–59 (2013).

Couesnon, A., Molgo, J., Connan, C. & Popoff, M.R. Preferentiële binnenkomst van botulinum-neurotoxine AH-domein via intestinale cryptcellen en gericht op cholinerge neuronen van de muizendarm. PLoS Pathog. 8, e1002583 (2012).

Maksymowych, A.B. et al. Zuiver botulinum-neurotoxine wordt geabsorbeerd uit de maag en dunne darm en veroorzaakt perifere neuromusculaire blokkade. Infecteren. Immuun. 67, 4708–4712 (1999).

Restani, L. et al. Botulinumneurotoxinen A en E ondergaan retrograde axonaal transport in primaire motorneuronen. PLoS Pathog. 8, e1003087 (2012).

Sheth, A.N. et al. Internationale uitbraak van ernstig botulisme met langdurige toxemie veroorzaakt door commercieel wortelsap. clin. Infecteren. Dis. 47, 1245–1251 (2008).

Fagan, R.P., McLaughlin, J.B. & Middaugh, J.P. Persistentie van botulinumtoxine in het serum van patiënten: Alaska, 1959-2007. J. Infecteren. Dis. 199, 1029–1031 (2009).

Dolly, J. O., Black, J., Williams, R. S. & Melling, J. Acceptors voor botulinum-neurotoxine bevinden zich op motorische zenuwuiteinden en bemiddelen de internalisatie ervan. Natuur 307, 457–460 (1984). Deze studie levert het eerste bewijs dat BoNT's specifiek binden aan het presynaptische membraan voordat ze het zenuwuiteinde binnengaan.

Montecucco, C. Hoe binden tetanus- en botulinumtoxinen aan neuronale membranen? TrendsBiochem. Wetenschap. 11, 314–317 (1986). Dit artikel stelt voor dat dubbele receptorbinding de hoge specificiteit en affiniteit van tetanustoxine en BoNT's voor het presynaptische membraan zou kunnen verklaren.

Rummel, A. Dubbele receptorverankering van botulinum-neurotoxinen verklaart hun voortreffelijke neurospecificiteit. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 364, 61–90 (2013).

Chai, Q. et al. Structurele basis van herkenning van celoppervlakreceptoren door botulinumneurotoxine B. Natuur 444, 1096–1100 (2006).

Jin, R., Rummel, A., Binz, T. & Brunger, A.T. Botulinum-neurotoxine B herkent zijn eiwitreceptor met hoge affiniteit en specificiteit. Natuur 444, 1092–1095 (2006).

Berntsson, R.P., Peng, L., Dong, M. & Stenmark, P. Structuur van dubbele receptorbinding aan botulinumneurotoxine B. Natuur Gem. 4, 2058 (2013). Referenties 35, 36 en 37 beschrijven de kristallografische structuur van BoNT/B in complex met zowel zijn eiwitreceptor als glycolipidereceptor, wat experimenteel bewijs levert voor het dubbele receptorbindingsmodel.

Montecucco, C., Rossetto, O. & Schiavo, G. Presynaptische receptorarrays voor clostridium-neurotoxinen. Trends Microbiol. 12, 442–446 (2004).

Muraro, L., Tosatto, S., Motterlini, L., Rossetto, O. & Montecucco, C. De N-terminale helft van het receptordomein van botulinumneurotoxine A bindt aan microdomeinen van het plasmamembraan. Biochem. Biofysica. Onderzoek gemeenschappelijk 380, 76–80 (2009).

Zhang, Y. et al. Structurele inzichten in de functionele rol van het Hn-subdomein van het receptorbindende domein van het botulinum neurotoxine mozaïek serotype C/D. Biochimie 95, 1379–1385 (2013).

Van Heyningen, W.E. Voorlopige identificatie van de tetanustoxinereceptor in zenuwweefsel. J. Gen. Microbiol. 20, 310–320 (1959). Dit artikel levert het eerste experimentele bewijs dat een ganglioside betrokken is bij de neurospecifieke binding van een clostridium-neurotoxine.

Simpson, L. L. & Rapport, M. M. De binding van botulinumtoxine aan membraanlipiden: sfingolipiden, steroïden en vetzuren. J. Neurochem. 18, 1751–1759 (1971).

Simons, K. & Toomre, D. Lipid-vlotten en signaaltransductie. Natuur Ds. Mol. Cel Biol. 1, 31–39 (2000).

Prinetti, A., Loberto, N., Chigorno, V. & Sonnino, S. Glycosphingolipide-gedrag in complexe membranen. Biochim. Biofysica. Acta 1788, 184–193 (2009).

Chiba, A., Kusunoki, S., Shimizu, T. & Kanazawa, I. Serum IgG-antilichaam tegen ganglioside GQ1b is een mogelijke marker van het Miller Fisher-syndroom. Ann. neurol. 31, 677–679 (1992).

Bullens, R.W. et al. Complexe gangliosiden op de neuromusculaire junctie zijn membraanreceptoren voor auto-antilichamen en botulinumneurotoxine, maar overbodig voor een normale synaptische functie. J. Neurosci. 22, 6876–6884 (2002).

Fogolari, F., Tosatto, S.C., Muraro, L. & Montecucco, C. Elektrische dipoolheroriëntatie in de interactie van botulinum-neurotoxinen met neuronale membranen. FEBS Lett. 583, 2321–2325 (2009).

Black, J.D. & Dolly, J.O. Interactie van 125I-gelabelde botulinum-neurotoxinen met zenuwuiteinden. II. Autoradiografische bewijs voor de opname ervan in motorische zenuwen door acceptor-gemedieerde endocytose. J. Cell Biol. 103, 535–544 (1986).

Strotmeier, J. et al. Botulinum-neurotoxine serotype D valt neuronen aan via twee koolhydraatbindende plaatsen op een ganglioside-afhankelijke manier. Biochem. J. 431, 207–216 (2010).

Karalewitz, A.P., Fu, Z., Baldwin, M.R., Kim, J.J. & Barbieri, J.T. Botulinum neurotoxine serotype C associeert met dubbele gangliosidereceptoren om celinvoer te vergemakkelijken. J. Biol. Chem. 287, 40806–40816 (2012).

Strotmeier, J. et al. De biologische activiteit van botulinumneurotoxine type C is afhankelijk van nieuwe typen gangliosidebindingsplaatsen. Mol. microbiologisch. 81, 143–156 (2011).

Pirazzini, M., Rossetto, O., Bolognese, P., Shone, CC & Montecucco, C. Dubbele verankering aan het membraan en intacte disulfidebinding tussen de ketens zijn vereist voor de lage pH-geïnduceerde binnenkomst van tetanus- en botulinumneurotoxinen in neuronen . Cel. microbiologisch. 13, 1731–1743 (2011).

Kitamura, M., Takamiya, K., Aizawa, S. & Furukawa, K. Gangliosiden zijn de bindende stoffen in neurale cellen voor tetanus- en botulinum-toxines bij muizen. Biochim. Biofysica. Acta 1441, 1–3 (1999).

Yowler, B.C., Kensinger, R.D. & Schengrund, C.L. Botulinum neurotoxine A-activiteit is afhankelijk van de aanwezigheid van specifieke gangliosiden in neuroblastoomcellen die synaptotagmine I tot expressie brengen. J. Biol. Chem. 277, 32815–32819 (2002).

Jacky, B.P.S. et al. Identificatie van fibroblast groeifactor receptor 3 (FGFR3) als een eiwitreceptor voor botulinum neurotoxine serotype A (BoNT/A). PLoS Pathog. 9, e1003369 (2013).

Nishiki, T. et al. Identificatie van eiwitreceptor voor Clostridium botulinum type B neurotoxine in synaptosomen van rattenhersenen. J. Biol. Chem. 269, 10498–10503 (1994). Deze studie is de eerste die een synaptische vesicle-eiwitreceptor voor een BoNT identificeert door aan te tonen dat BoNT/B bindt aan Syt.

Dong, M. et al. Synaptotagmins I en II bemiddelen de binnenkomst van botulinumneurotoxine B in cellen. J. cel. Biol. 162, 1293–1303 (2003).

Rummel, A. et al. Identificatie van de eiwitreceptorbindingsplaats van botulinumneurotoxinen B en G bewijst het dubbele receptorconcept. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 104, 359–364 (2007).

Peng, L. et al. Botulinum-neurotoxine DC gebruikt synaptotagmine I en II als receptoren, en menselijk synaptotagmine II is geen effectieve receptor voor type B-, D-C- en G-toxines. J. Cel Wetenschap. 125, 3233–3242 (2012).

Berntsson, R.P., Peng, L., Svensson, L.M., Dong, M. & Stenmark, P. Kristalstructuren van botulinum-neurotoxine dc in complex met zijn eiwitreceptoren synaptotagmin I en II. Structuur 21, 1602–1611 (2013).

Dong, M. et al. SV2 is de eiwitreceptor voor botulinumneurotoxine A. Wetenschap. 312, 592–596 (2006).

Dong, M. et al. Geglycosyleerd SV2A en SV2B bemiddelen de intrede van botulinumneurotoxine E in neuronen. Mol. Biol. Cel 19, 5226–5237 (2008).

Mahrhold, S., Rummel, A., Bigalke, H., Davletov, B. & Binz, T. Het synaptische vesikel-eiwit 2C bemiddelt de opname van botulinum-neurotoxine A in de middenrifzenuwen. FEBS Lett. 580, 2011–2014 (2006). Referenties 61, 62 en 63 rapporteren dat het synaptische vesikeleiwit SV2 functioneert als een eiwitreceptor voor BoNT/A1 en BoNT/E1.

Mahrhold, S. et al. Identificatie van de SV2-eiwitreceptorbindingsplaats van botulinumneurotoxine type E. Biochem. J. 453, 37–47 (2013).

Benoit, R.M. et al. Structurele basis voor herkenning van synaptisch vesikeleiwit 2C door botulinumneurotoxine A. Natuur 505, 108–111 (2014).

Schiavo, G. Structurele biologie: gevaarlijke verbindingen op neuronen. Natuur 444, 1019–1020 (2006).

Colasante, C. et al. Botulinum-neurotoxine type A wordt geïnternaliseerd en verplaatst van kleine synaptische blaasjes op de neuromusculaire junctie. Mol. neurobiol. 48, 120–127 (2013).

Harper, C.B. et al. Dynamin-remming blokkeert botulinum-neurotoxine type A-endocytose in neuronen en vertraagt ​​botulisme. J. Biol. Chem. 286, 35966–35976 (2011).

Takamori, S. et al. Moleculaire anatomie van een mensenhandel organel. Cel 127, 831–846 (2006). Dit artikel biedt een historische analyse van de fijne structuur en moleculaire samenstelling van synaptische blaasjes.

Saheki, Y. & De Camilli, P. Synaptische blaasjesendocytose. Koude Lente Harb. Perspectief. Biol. 4, a005645 (2012).

Wohlfarth, K., Goschel, H., Frevert, J., Dengler, R. & Bigalke, H. Botulinum A-toxines: eenheden versus eenheden. Naunyn. Schmiedebergs. Boog. Pharmacol. 355, 335–340 (1997).

Rasetti-Escargueil, C., Liu, Y., Rigsby, P., Jones, R.G. & Sesardic, D. Middenrifzenuwhemidiafragma als een zeer gevoelige vervangingstest voor de bepaling van functionele botulinumtoxine-antilichamen. Toxicon 57, 1008–1016 (2011).

Sun, S., Tepp, W.H., Johnson, E.A. & Chapman, E.R. Botulinum-neurotoxinen B en E verplaatsen zich met verschillende snelheden en vertonen uiteenlopende reacties op GT1b en lage pH. Biochemie 51, 5655–5662 (2012).

Ahnert-Hilger, G., Holtje, M., Pahner, I., Winter, S. & Brunk, I. Regulatie van vesiculaire neurotransmittertransporters. Rev. Fysiol. Biochem. Pharmacol. 150, 140–160 (2003).

Simpson, L.L., Coffield, J.A. & Bakry, N. Remming van vacuolaire adenosinetrifosfatase antagoniseert de effecten van clostridium-neurotoxinen maar niet fosfolipase A2-neurotoxinen. J. Pharmacol. Exp. daar. 269, 256–262 (1994).

Williamson, L.C. & Neale, E.A. Bafilomycin A1 remt de werking van tetanustoxine in ruggenmergneuronen in celcultuur. J. Neurochem. 63, 2342–2345 (1994). Referenties 75 en 76 laten zien dat de verzuring van een intracellulair compartiment door de vesiculaire ATPase-protonpomp een noodzakelijke stap is in zenuwintoxicatie door clostridium-neurotoxinen.

Zon, S. et al. Receptorbinding stelt botulinum-neurotoxine B in staat om een ​​lage pH te detecteren voor de assemblage van translocatiekanalen. Celgastheermicrobe 10, 237–247 (2011).

Montal, M. Botulinum-neurotoxine: een wonder van eiwitontwerp. Ann. ds. Biochem. 79, 591–617 (2010).

Fischer, A. Gesynchroniseerde chaperonnefunctie van botulinum-neurotoxinedomeinen bemiddelt translocatie van de lichte keten naar neuronen. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 364, 115–137 (2013).

Hoch, D.H. et al. Kanalen gevormd door botulinum-, tetanus- en difterietoxines in vlakke lipidedubbellagen: relevantie voor translocatie van eiwitten over membranen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 82, 1692–1696 (1985). Dit is de eerste studie die de vorming van ionkanalen door clostridium-neurotoxinen in vlakke lipidedubbellagen beschrijft.

Donovan, J.J. &. Middlebrook, J.L. Ionengeleidende kanalen geproduceerd door botulinumtoxine in vlakke lipidemembranen. Biochemie 25, 2872–2876 (1986).

Blaustein, R.O., Germann, W.J., Finkelstein, A. & DasGupta, B.R. De N-terminale helft van de zware keten van botulinum type A neurotoxine vormt kanalen in vlakke fosfolipide dubbellagen. FEBS Lett. 226, 115–120 (1987).

Koriazova, L. K. & Montal, M. Translocatie van botulinum neurotoxine lichte keten protease door het zware keten kanaal. Natuur structuur. Biol. 10, 13–18 (2003).

Fischer, A. & Montal, M. Cruciale rol van de disulfidebrug tussen de lichte en zware ketens van botulinumneurotoxine bij proteasetranslocatie over membranen. J. Biol. Chem. 282, 29604–29611 (2007). Deze studie toont aan dat de disulfidebinding die de L-keten en H-keten van BoNT/A1 en BoNT/E1 verbindt, aan de cytosolische kant van het synaptische blaasje moet worden gereduceerd om de L-keten metalloprotease in het cytosol vrij te geven.

Fischer, A. & Montal, M. Detectie van enkelvoudige moleculen van tussenproducten tijdens translocatie van botulinumneurotoxine over membranen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 104, 10447–10452 (2007).

Sheridan, R. E. Gating en permeabiliteit van ionenkanalen geproduceerd door botulinumtoxine typen A en E in PC12-celmembranen. Toxicon 36, 703–717 (1998).

Dalla Serra, M. et al. Geleidende eigenschappen en poorten van kanalen gevormd door syringopeptine 25A, een bioactief lipodepsipeptide van Pseudomonas syringae pv. spuiten, in vlakke lipidemembranen. Mol. Plant. Microben interactie. 12, 401–409 (1999).

Fischer, A. et al. Moleculaire architectuur van botulinum-neurotoxine E onthuld door elektronenmicroscopie met enkele deeltjes. J. Biol. Chem. 283, 3997–4003 (2008).

Bade, S. et al. Botulinum-neurotoxine type D maakt cytosolische levering van enzymatisch actieve ladingseiwitten aan neuronen mogelijk via ongevouwen translocatie-tussenproducten. J. Neurochem. 91, 1461–1472 (2004).

Galloux, M. et al. Membraan Interactie van botulinum neurotoxine A translocatie (T) domein. Het riemgebied is een regulerende lus voor membraaninteractie. J. Biol. Chem. 283, 27668–27676 (2008).

Fischer, A. et al. Bimodale modulatie van het botulinum neurotoxine eiwitgeleidende kanaal. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 106, 1330–1335 (2009).

Pirazzini, M. et al. Neutralisatie van specifieke oppervlaktecarboxylaten versnelt translocatie van botulinum neurotoxine type B enzymatisch domein. FEBS Lett. 587, 3831–3836 (2013).

Schiavo, G. et al. Tetanus- en botulinum-B-neurotoxinen blokkeren de afgifte van neurotransmitters door proteolytische splitsing van synaptobrevine. Natuur 359, 832–835 (1992). Deze studie toont aan dat VAMP een essentiële rol speelt bij de afgifte van neurotransmitters en dat zowel tetanustoxine als BoNT/B hetzelfde eiwit op dezelfde plaats splitsen, ondanks de verschillende klinische symptomen die ze veroorzaken.

Schiavo, G., Papini, E., Genna, G. & Montecucco, C. Een intacte disulfidebinding tussen de ketens is vereist voor de neurotoxiciteit van tetanustoxine. Infecteren. Immuun. 58, 4136–4141 (1990).

de Paiva, A. et al. Een rol voor het disulfide tussen de ketens of zijn deelnemende thiolen bij de internalisatie van botulinumneurotoxine A onthuld door een toxinederivaat dat bindt aan ecto-acceptoren en de afgifte van de transmitter intracellulair remt. J. Biol. Chem. 268, 20838–20844 (1993).

Eswaramoorthy, S., Kumaran, D., Keller, J. & Swaminathan, S. De rol van metalen in de biologische activiteit van Clostridium botulinum neurotoxinen. Biochemie 43, 2209–2216 (2004).

Fu, F.N., Busath, D.D. & Singh, B.R. Spectroscopische analyse van lage pH en lipide-geïnduceerde structurele veranderingen in type A botulinumneurotoxine relevant voor membraankanaalvorming en translocatie. Biofysica. Chem. 99, 17–29 (2002).

Puhar, A., Johnson, E.A., Rossetto, O. & Montecucco, C. Vergelijking van de pH-geïnduceerde conformationele verandering van verschillende clostridium neurotoxinen. Biochem. Biofysica. Onderzoek gemeenschappelijk 319, 66–67 (2004).

Pirazzini, M. et al. Tijdsverloop en temperatuurafhankelijkheid van de membraantranslocatie van tetanus- en botulinum-neurotoxinen C en D in neuronen. Biochem. Biofysica. Onderzoek gemeenschappelijk 430, 38–42 (2013).

Miesenbock, G., De Angelis, D.A. & Rothman, J.E. Visualisatie van secretie en synaptische transmissie met pH-gevoelige groene fluorescerende eiwitten. Natuur 394, 192–195 (1998).

Sankaranarayanan, S. & Ryan, T. A. Realtime metingen van vesicle-SNARE-recycling in synapsen van het centrale zenuwstelsel. Natuur cel biol. 2, 197–204 (2000).

Eisenberg, M., Gresalfi, T., Riccio, T. & McLaughlin, S. Adsorptie van monovalente kationen aan dubbellaagse membranen die negatieve fosfolipiden bevatten. Biochemie 18, 5213–5223 (1979).

Nordera, P., Serra, M. D. & Menestrina, G. De adsorptie van Pseudomonas aeruginosa exotoxine A tot monolagen van fosfolipiden wordt geregeld door pH en oppervlaktepotentiaal. Biofysica. J. 73, 1468–1478 (1997).

Deutsch, J.W. & Kelly, R.B. Lipiden van synaptische blaasjes: relevantie voor het mechanisme van membraanfusie. Biochemie 20, 378–385 (1981).

Ledeen, R.W., Diebler, M.F., Wu, G., Lu, Z.H. & Varoqui, H. Ganglioside samenstelling van subcellulaire fracties, inclusief pre- en postsynaptische membranen, van Torpedo elektrisch orgaan. Neurochem. Onderzoek 18, 1151–1155 (1993).

Bychkova, V.E., Pain, R.H. & Ptitsyn, O. B. De toestand 'gesmolten bolletjes' is betrokken bij de translocatie van eiwitten door membranen. FEBS Lett. 238, 231–234 (1988).

Ptitsyn, O. B., Pain, R.H., Semisotnov, G.V., Zerovnik, E. & Razgulyaev, O. I. Bewijs voor een gesmolten bolletjestoestand als een algemeen tussenproduct bij het vouwen van eiwitten. FEBS Lett. 262, 20–24 (1990).

van der Goot, F.G., Gonzalez-Manas, J.M., Lakey, J.H. & Pattus, F. Een 'gesmolten-globule' membraan-insertietussenproduct van het porievormende domein van colicine A. Natuur 354, 408–410 (1991). Dit artikel levert het eerste bewijs dat een bacterieel toxine een gesmolten bolvormige toestand aanneemt tijdens membraantranslocatie.

Kukreja, R. & Singh, B. Biologisch actieve nieuwe conformationele toestand van botulinum, het meest giftige gif. J. Biol. Chem. 280, 39346–39352 (2005).

Meyer, Y., Buchanan, B.B., Vignols, F. & Reichheld, J.P. Thioredoxins en glutaredoxins: verenigende elementen in redoxbiologie. Ann. Rev. Genet. 43, 335–367 (2009).

Hanschmann, E.M., Godoy, J.R., Berndt, C., Hudemann, C. & Lillig, C.H. Thioredoxins, glutaredoxins en peroxiredoxins - moleculaire mechanismen en gezondheidsbelang: van cofactoren tot antioxidanten tot redox-signalering. antioxidant. Redox-signaal. 19, 1539–1605 (2013).

Berndt, C., Lillig, C.H. & Holmgren, A. Thioredoxins en glutaredoxins als facilitators van eiwitvouwing. Biochim. Biofysica. Acta 1783, 641–650 (2008).

Pirazzini, M. et al. Het thioredoxine-reductase-thioredoxinesysteem is betrokken bij het binnendringen van tetanus- en botulinumneurotoxinen in het cytosol van zenuwuiteinden. FEBS Lett. 587, 150–155 (2013). Deze studie levert het eerste bewijs dat het disulfide-reducerende systeem van thioredoxine-reductase-thioredoxine-eiwit de disulfidebinding tussen de ketens van clostridium-neurotoxinen in het neuronale cytosol vermindert.

Dekker, C., Willison, K.R. & Taylor, W.R. Over de evolutionaire oorsprong van de chaperonines. Eiwitten 79, 1172–1192 (2011).

Sudhof, T.C. & Rizo, J. Synaptische blaasjesexocytose. Koude Lente Harb. Perspectief. Biol. 3, a005637 (2011).

Pantano, S. & Montecucco, C. De blokkade van het neurotransmitter-afgifteapparaat door botulinum-neurotoxinen. Cel. Mol. Levenswetenschap. 71, 793–811 (2014).

Binz, T. Clostridium neurotoxine lichte ketens: apparaten voor SNARE-splitsing gemedieerde blokkade van neurotransmissie. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 364, 139–157 (2013).

Hayashi, T. et al. Synaptische blaasjesmembraanfusiecomplex: werking van clostridium-neurotoxinen op assemblage. EMBO J. 13, 5051–5061 (1994). Deze studie toont aan dat VAMP, SNAP25 en syntaxine een strak coiled-coil-complex vormen dat resistent is tegen proteolyse door tetanus- en botulinum-neurotoxinen en tegen SDS.

Sutton, R. B., Fasshauer, D., Jahn, R. & Brunger, A.T. Kristalstructuur van een SNARE-complex dat betrokken is bij synaptische exocytose met een resolutie van 2,4 A. Natuur 395, 347–353 (1998). Dit fundamentele artikel beschrijft de atomaire spiraalstructuur van het SNARE-complex en het belang ervan voor de afgifte van neurotransmitters.

Megighian, A. et al. Bewijs voor een radiale SNARE supercomplexe mediërende neurotransmitterafgifte aan de Drosophila neuromusculaire verbinding. J. Cel Wetenschap. 126, 3134–3140 (2013).

Kalb, S.R. et al. Ontdekking van een nieuwe enzymatische splitsingsplaats voor botulinum neurotoxine F5. FEBS Lett. 586, 109–115 (2012).

Schiavo, G., Shone, C.C., Rossetto, O., Alexander, F.C. & Montecucco, C. Botulinum neurotoxine serotype F is een zink-endopeptidase specifiek voor VAMP/synaptobrevine. J. Biol. Chem. 268, 11516–11519 (1993).

Whitemarsh, R.C. et al. Karakterisering van botulinum neurotoxine a subtypes1 tot en met 5 door onderzoek naar activiteiten bij muizen, in neuronale celculturen, en in vitro. Infecteren. Immuun. 81, 3894–3902 (2013).

Wang, D. et al. Vergelijking van de katalytische eigenschappen van de botulinum neurotoxine subtypes A1 en A5. Biochim. Biofysica. Acta 1834, 2722–2728 (2013).

Schoenmaker, C. B. & Oyler, G. A. Persistentie van botulinum-neurotoxine-inactivatie van zenuwfunctie. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 364, 179–196 (2013).

Whitemarsh, R.C., Tepp, W.H., Johnson, E.A. & Pellett, S. Persistentie van botulinum-neurotoxine A-subtypes 1-5 in primaire ruggenmergcellen van ratten. PLoS EEN. 9, e90252 (2014).

Naumann, M. et al. Evidence-based review en beoordeling van botulinum neurotoxine voor de behandeling van secretoire aandoeningen. Toxicon 67, 141–152 (2013).

Wang, J. et al. Een dileucine in het protease van botulinumtoxine A ligt ten grondslag aan de langlevende neuroparalyse: overdracht van een lang leven naar een nieuw potentieel therapeutisch middel. J. Biol. Chem. 286, 6375–6385 (2011).

Guo, J., Pan, X., Zhao, Y. & Chen, S. Engineering clostridia-neurotoxinen met verhoogde katalytische activiteit. Toxicon 74c, 158-166 (2013).

Ma, L. et al. Een enkele toepassing van A2 NTX, een subeenheid van botulinumtoxine A2, voorkomt chronische pijn gedurende lange perioden in zowel diabetische als door ruggenmergletsel geïnduceerde neuropathische pijnmodellen. J. Pharmacol. Wetenschap. 119, 282–286 (2012).

Chen, S. & Barbieri, J. T. Engineering botulinum neurotoxine om therapeutische interventie uit te breiden. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 106, 9180–9184 (2009).

Wang, D. et al. Syntaxinvereiste voor door Ca2+ veroorzaakte exocytose in neuronen en endocriene cellen aangetoond met een geconstrueerd neurotoxine. Biochemie 50, 2711–2713 (2011).

Franciosa, G., Ferreira, J.L. & Hatheway, C.L. Detectie van type A-, B- en E-botulisme-neurotoxinegenen in Clostridium botulinum en andere Clostridium-soorten door PCR: bewijs van niet tot expressie gebrachte type B-toxinegenen in type A toxigene organismen. J. Clin. microbiologisch. 32, 1911–1917 (1994).

Luquez, C., Raphael, B.H. & Maslanka, S.E. Neurotoxine-genclusters in Clostridium botulinum type Ab-stammen. toepassing omgeving. microbiologisch. 75, 6094–6101 (2009).

Carter, A.T., Stringer, S.C., Webb, M.D. & Peck, M.W. Het type F6-neurotoxine-genclusterlocus van groep II Clostridium botulinum is geëvolueerd door opeenvolgende verstoring van twee verschillende voorouderlijke voorlopers. Genoom Biol. Evol. 5, 1032–1037 (2013).

Dover, N. et al. Clostridium botulinum stam Af84 bevat drie neurotoxinegenclusters: BoNT/A2, BoNT/F4 en BoNT/F5. PLoS ONE 8, e61205 (2013).

Jahn, R. & Fasshauer, D. Moleculaire machines die exocytose van synaptische blaasjes regelen. Natuur 490, 201–207 (2012).

Harlow, M.L. et al. Uitlijning van synaptische vesikel-macromoleculen met de macromoleculen in actief zonemateriaal dat vesicle-docking aanstuurt. PLoS ONE 8, e69410 (2013).

Zhai, R.G. & Bellen, H.J. De architectuur van de actieve zone in het presynaptische zenuwuiteinde. Fysiol. (Bethesda) 19, 262–270 (2004).

Kasai, H., Takahashi, N. & Tokumaru, H. Duidelijke initiële SNARE-configuraties die ten grondslag liggen aan de diversiteit van exocytose. Fysiol. ds. 92, 1915–1964 (2012).

Chernomordik, L. V. & Kozlov, M. M. Mechanica van membraanfusie. Natuur structuur. Mol. Biol. 15, 675–683 (2008).

Middlebrook, J.L. & Brown, J.E. Immunodiagnose en immunotherapie van tetanus- en botulinum-neurotoxinen. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 195, 89–122 (1995).

Fairweather, N.F., Lyness, V.A. & Maskell, D.J. Immunisatie van muizen tegen tetanus met fragmenten van tetanustoxine gesynthetiseerd in Escherichia coli. Infecteren. Immuun. 55, 2541–2545 (1987).

Byrne, M. P. & Smith, L. A. Ontwikkeling van vaccins voor preventie van botulisme. Biochimie 82, 955–966 (2000).

Smith, L. A. Botulisme en vaccins voor de preventie ervan. Vaccin 27, D33-D39 (2009).

Karalewitz, A.P.-A. & Barbieri, J.T. Vaccins tegen botulisme. Curr. Opin. microbiologisch. 15, 317–324 (2012).

Arnon, S.S., Schechter, R., Maslanka, S.E., Jewell, N.P. & Hatheway, C.L. Humaan botulisme-immunoglobuline voor de behandeling van infantiel botulisme. N. Engl. J. Med. 354, 462–471 (2006).

Garcia-Rodriguez, C. et al. Moleculaire evolutie van antilichaam kruisreactiviteit voor twee subtypes van type A botulinum neurotoxine. Natuur Biotech. 25, 107–116 (2007).

Lou, J. et al. Affiniteitsrijping van menselijke botulinum-neurotoxine-antilichamen door shuffling van de lichte keten via gistparing. Eiwit Eng. des. Sel. 23, 311–319 (2010).

Cheng, L.W., Stanker, L.H., Henderson, T.D., Lou, J. & Marks, J.D. Antilichaambescherming tegen botulinum-neurotoxine-intoxicatie bij muizen. Infecteren. Immuun. 77, 4305–4313 (2009).

Conway, J.O., Sherwood, L.J., Collazo, M.T., Garza, J.A. & Hayhurst, A. Llama enkel-domein antilichamen specifiek voor de 7 botulinum neurotoxine serotypes als heptaplex immunoreagentia. PLoS ONE 5, e8818 (2010).

Thanongsaksrikul, J. & Chaicumpa, W. Botulinum-neurotoxinen en botulisme: een nieuwe therapeutische benadering. Toxines (Bazel) 3, 469–488 (2011).

Li, B. et al. Remmers van kleine moleculen als tegenmaatregelen voor intoxicatie van botulinumneurotoxine. Moleculen 16, 202–220 (2011).

Lee, K. et al. Moleculaire basis voor verstoring van E-cadherine-adhesie door botulinumneurotoxine A-complex R. Wetenschap 344, 1405–1410 (2014).


Het botulinum-genoom ontginnen

Het toxine dat botulisme veroorzaakt, is het krachtigste dat we kennen. Het eten van een hoeveelheid toxine van slechts 1000ste van het gewicht van een zoutkorrel kan dodelijk zijn, daarom is er zoveel moeite gedaan om Clostridium botulinum, die het toxine produceert, uit ons voedsel.

Het Institute of Food Research op het Norwich Research Park heeft hieraan bijgedragen door de bacteriën te bestuderen en de manier waarop ze overleven, zich vermenigvuldigen en dergelijke schade aanrichten. In nieuw onderzoek hebben IFR-wetenschappers het genoom van C. botulinum om nieuwe informatie over de toxinegenen te ontdekken.

Er zijn zeven verschillende, maar vergelijkbare typen botulinumneurotoxine, geproduceerd door verschillende stammen van C. botulinum bacteriën. Different sub-types of the neurotoxin appear to be associated with different strains of the bacteria. Genetic analysis of these genes will give us information about how they evolved.

Dr Andy Carter, working in Professor Mike Peck's research group, used data generated from sequencing efforts at The Genome Analysis Centre, on the Norwich Research Park. Andy compared the genome sequence of five different C. botulinum strains, all from the same group and all producing the same sub-type of neurotoxin.

An initial finding was that the five strains were remarkably similar in the area of the genome containing the neurotoxin gene. This suggests that the bacteria picked up the gene cluster in a single event, sometime in the past. Bacteria commonly acquire genes, or gene clusters, from other bacteria through this horizontal gene transfer. It is a way that bacteria have evolved to share 'weapons', such as antibiotic activity or the ability to produce toxins. To find out more about how C. botulinum acquired its own deadly weapon, Andy delved deeper into the genome sequence.

Like fossils of long lost organisms, Andy found, in the same region of the genome, evidence of two other genes for producing two of the other types of neurotoxin. Although these gene fragments are completely non-functional, finding them in the same place in the genome as the functional neurotoxin gene cluster is significant as it suggests that this region of the genome could be a 'hotspot' for gene transfer.

Looking to either side of the neurotoxin gene cluster uncovered more evidence supporting the hotspot idea. When the gene cluster inserted into the C. botulinum genome, it cut in two another gene. This gene is essential for the bacteria to replicate its DNA, so why does destroying it not prove fatal? C. botulinum was unaffected by this because contained in the segment of imported DNA was another version of the chopped-up gene.

Perhaps this is pointing us to the way C. botulinum first picks up its lethal weapon. This should help us prepare against the emergence of new strains, and may even one day help us disarm this deadly foe.

The research was funded by the Biotechnology and Biological Sciences Research Council and published in the journal Genome Biology and Evolution Advance.


Pathogenese

Transmission:

It is ubiquitous in nature, widely distributed as a saprophyte in soil, animal manure, vegetables, and sea mud. Homemade canned foods, condiments, and fish products are the most common sources of infection with C. botulinum. Ingestion of contaminated honey is the major cause of infant botulism.

Insufficient cooking temperature followed by packaging in anaerobic conditions facilitates the germination of spores and synthesis neurotoxins.

Mechanism of action of Botulinum toxin (BoNT)

Clostridium botulinum is non-invasive. Its pathogenesis is due to the production of powerful neurotoxin ‘botulinum toxin’ (BoNT), probably the most toxic substance known to be lethal to mankind. It produces flaccid paralysis. Er zijn 7 serological types of botulinum neurotoxin labeled as types A, B, C [C1 C2], D, E, F, and G. Human botulism is caused mainly by types A, B, E and F (rarely).

C. botulinum toxin is categorized as a potential bioterrorism agent but botox is in use to smooth facial wrinkles.

After entry (either ingested, inhaled, or produced in a wound), botulinum toxin is transported via the blood to peripheral cholinergic nerve terminals. The most common nerve terminal sites are neuromuscular junctions, postganglionic parasympathetic nerve endings, and peripheral ganglia. It does not affect the CNS.

In normal condition: Upon stimulation of peripheral and cranial nerves, acetylcholine is normally released from vesicles at the neural side of the motor endplate. Acetylcholine then binds to specific receptors on the muscle, inducing contraction.

Mechanism of Botulinum toxin
(Image source: lumenlearning.com)

Botulinum toxin acts by binding tot synaptic vesicles of cholinergic nerves, thereby preventing the release of acetylcholine (Ach) at the peripheral nerve endings, including neuromuscular junctions. This results in a lack of stimulus to the muscle fibers, irreversible relaxation of the muscles, en flaccid paralysis.

As botulinum toxin produces flaccid paralysis it can be used therapeutically for the treatment of spasmodic conditions such as strabismus (misaligned eyes), blepharospasm (uncontrollable blinking), and myoclonus.

Klinische verschijnselen

  1. Diplopia (double vision) or blurring of vision
  2. Dysphagia (difficulty swallowing)
  3. Dysarthria (difficulty in speech) or slurring of speech
  4. Descending symmetric flaccid paralysis of voluntary muscles.
  5. Decreased deep tendon reflexes
  6. Vermoeidheid
  7. Dizziness
  8. Nausea
  9. Constipatie
  10. Respiratory muscle paralysis may lead to death.

There is no sensory or cognitive deficits

Types of Botulism

  1. Foodborne botulism: It results from the consumption of foods contaminated with preformed botulinum toxin such as homemade canned food.
  2. Wondbotulisme: It is a systemic intoxication resulting from the growth of C. botulinum and toxin production in the wounds. It presents like foodborne botulism except for the absence of gastrointestinal features.
  3. Infant botulism: Infant botulism is much milder than the adult version. It results from the ingestion of food (usually honey) contaminated with spores of C. botulinum by children ≤1 year of age. Spores germinate in the intestine, and the vegetative cells secrete botulinum toxin. Clinical manifestations include the inability to suck and swallow, weakened voice, ptosis, floppy neck, and extreme weakness hence called floppy child syndrome. It is a self-limiting disease prognosis is excellent if managed by supportive care and assisted feeding.

Spores do not normally germinate in adult intestine, however may germinate in the intestine of infants.


5 POSTULATE IV

“Molecular potency” is difficult to objectively quantify for commercially available toxins.

Methods of comparison of molecular potency for commercially available toxins include comparing independent trial data comparing different toxins in different subjects in a single trial (noninferiority) bilateral comparisons of different toxins in a single subject and direct measurement of toxin pg and activity. There have been a number of trials attempting to compare molecular potency among toxins however, the data make it difficult to form absolute conclusions. The main reason for this is that the units of toxin products are proprietary measurements and dependent on the type of assay used. This makes every toxin unique and impossible to directly compare with each other. In addition, the LD50 is manufacturer-dependent and based on mouse models rather than human ones and the amount of 150 kDa neurotoxin, availability, and activity vary from product to product. 14 This further complicates direct methods of comparing potency among products. Keeping this in mind, the closest we can get to comparing potencies is by evaluating each toxin's clinical effect based on the FDA-approved units, which are still confounded by differences in test subjects despite rigorous inclusion and exclusion criteria and rating scales that may not translate into actual clinical application. Each study also has its own unique endpoints. This makes comparing the efficacy of toxin brands incredibly difficult. The majority of BoNT-A comparison studies have been focused on AbobotulinumtoxinA vs OnabotulinumtoxinA and differ in their reports of efficacy, time of onset, and duration between the two.

Some of the most often quoted comparisons of commercial toxins are onset, duration, and adverse events obtained in separate FDA approval trials. 56, 108, 109 However, since different FDA trials use different protocols and efficacy scales and are performed by different investigators, it is impossible to use them as accurate comparators of molecular potencies. According to the FDA Guidance to Industry, assessment scales should also be ordinal, static, reproducible, and include only a limited number of distinct and clinically meaningful categories, preferably with a photonumeric guide for patients and investigators. 110 Common assessment tools such as the facial wrinkle scale and GL severity score are 4-point photonumeric ordinal scales that ranging from no wrinkling to severe wrinkling and have shown good inter- and intraobserver reproducibility. 111, 112 The 5-point photonumeric scale developed by Caruthers and Carruthers is a good example. By including a midpoint, it allows for grading of a continuous process such as aging. 113-115 Most FDA studies, however, use their own proprietary FDA-approved, validated scales that differ from manufacturer to manufacturer.

“Side-by-side” methods of comparing neurotoxins are much more accurate and have suggested differences in potency between BoNT-A products. In this scenario, one group of patients receives one particular toxin while another group receives another. In a 150-day, multicenter, double-blind, single-dose (corresponding to FDA-approved doses) noninferiority trial comparing PrabotulinumtoxinA to OnabotulinumtoxinA at the same 20U dose (approved dose for GL) and placebo, a 5:5:1 ratio of 540 patients were administered 0.1mL of the corresponding treatment to each of the 5 glabellar injection points. Although not quite reaching statistical significance, there was indication of increased duration of effect for PrabotulinumtoxinA. 71

Other side-by-side trials have compared potency of OnabotulinumtoxinA and AbobotulinumtoxinA. The majority of these trials are weak, present conflicting conclusions regarding potency, and often compare nonequivalent doses of drug. One study compared the FDA-approved doses of 20 U of OnabotulinumtoxinA with 50 U of AbobotulinumtoxinA (1:2.5 dose ratio) and compared glabellar line severity at 12 and 16-week endpoints. Results showed a 1 point or greater grade improvement in 77% and 53% of patients for weeks 12 and 16 respectively among OnabotulinumtoxinA-treated patients and 59% and 28% improvement in AbobotulinumtoxinA-treated patients. 68 The study, however, enrolled only a small number of patients and included mostly younger patients that may require higher doses of drug due to stronger corrugators compared to older patients. 68

Split-face studies seem to provide the most direct and accurate method for clinically comparing toxin potency because they allow for patients to act as their own control, using reproducible, identical techniques and objective measurements. Recent studies have compared the effect of different BoNT-A products on frontalis muscle in a split-face design. In a randomized, double-blind trial of 20 female subjects, 5 units of AbobotulinumtoxinA and 2 units of OnabotulinumtoxinA (reconstituted in identical 2.4 mL volumes) were injected on contralateral sides of each frontalis muscle. Results showed OnabotulinumtoxinA to have a median time to onset of effect of 3.8 days and AbobotulinumtoxinA to have a median time of onset of 1.8 days. OnabotulinumtoxinA also displayed a median duration of effect of 84 days while AbobotulinumtoxinA had a median duration of 104 days. 44, 55, 116 This trial is a good example of an attempt to quantify molecular potency through clinical measurement, and the differences in onset and duration are likely due to having larger quantities of active 150kDa neurotoxin molecules in 50 units of AbobotulinumtoxinA compared with 20 units of OnabotulinumtoxinA. Additionally, split muscle studies such as this one are free of subject to subject differences in facial anatomy.

The frontalis model utilized by Nestor and Ablon has been demonstrated as an effective method in comparing differences in time to onset between BoNT-A formulations. 44 While many patients report toxin effect as early as the first day of injection, prior studies often do not capture this data until at least 1 week or more postinjection. Nestor and Ablon incorporated a novel, more sensitive and objective assessment that captured the onset of effect as early as 6 hours post–BoNT-A injection. They utilized a Frontalis Activity Measurement Standard (FMS) and 4-point Frontalis Rating Scale (FRS) to compare the onset of effect of AbobotulinumtoxinA to OnabotulinumtoxinA injected into contralateral sides of the frontalis muscle of the same patient. Among 20 subjects, the study demonstrated that time to onset in fact is niet equivalent among the different brands of BoNT-A. Using a dose-unit ratio of 2.5:1 with identical injection volumes, onset of effect was measurable within the first 18 hours in 90% of frontalis sides treated with AbobotulinumtoxinA but only 20% of sides treated with OnabotulinumtoxinA. At all time points, AbobotulinumtoxinA demonstrated significantly earlier onset than OnabotulinumtoxinA, as shown in Figure 2. 44, 116

The FMS has been an effective scale for comparing different toxin products in split-face studies. 44, 116 It allows for direct bilateral comparison of different products, dosing, and technique on a single patient through objective quantification of changes in muscle activity because it requires investigators to measure differences in frontalis height at rest and maximum elevation. 44, 116 The other advantage is that it allows for measurement of field of effect without having to use the Minor's test, a conventional assessment technique that compares degree of anhidrosis among products. 44, 116, 117 The FMS assessment includes a series of photographs using the same camera settings and lighting conditions with a rest period of 1 minute between photographs. The onset of action using this scale has been detected as early as 6 hours after injection. The FMS was utilized in a split-face comparison of AbobotulinumtoxinA vs OnabotulinumtoxinA and allowed for precise and accurate comparison of 2 different BoNT-A products not previously reported in the literature, as seen in Figure 3. 55 Others confirm this observation of the difference in molecular potency of AbobotulinumtoxinA compared to OnabotulinumtoxinA in regard to time of onset. One study, using dose ratios of 2.5:1 and 3:1 (AbobotulinumtoxinA:OnabotulinumtoxinA) and a generally higher dose of AbobotulinumtoxinA than OnabotulinumtoxinA, found a mean difference in glabellar lines (GL) of 0.52 days (P <.0001). 89 In this study, patients treated with AbobotulinumtoxinA reported noticeable differences in glabellar lines on Day 1 more frequently than patients treated with OnabotulinumtoxinA (28% vs 17%, respectively). The onset of effect on lateral canthal lines (LCL) was also shorter among AbobotulinumtoxinA-treated patients compared to OnabotulinumtoxinA by a mean of 0.33 days (P = .0025). Duration of effect on GL and LCL was also shown to be superior among patients treated with AbobotulinumtoxinA rather than OnabotulinumtoxinA, with a larger proportion of patients retaining a response by 4 and 5 months. These results accounted for higher satisfaction rates among patients treated with AbobotulinumtoxinA vs OnabotulinumtoxinA.

Finally, a direct molecular method of comparison is another way in which discrepancies between toxin potencies among manufacturers have been highlighted. One study compared the quantity and light chain (LC) activity of BoNT-A in three commercial BoNT-A products (Dysport Botox Xeomin). Direct measurements of the quantity of the mean active 150 kDa BoNT-A content for the FDA-approved glabella dosing have found that IncobotulinumtoxinA, OnabotulinumtoxinA, and AbobotulinumtoxinA have 80.6 pg/20 XU, 180.8 pg/20 BU and 301.1 pg/50 DU, respectively. These were measured with ELISA and activity measured by EndoPep assays which demonstrated equivalent light chain activity per nanogram of neurotoxin among all three products. Differences in treatment duration of action may, therefore, be due to differences in the actual quantity of neurotoxin molecules injected rather than the LD50 determined potency of the toxin. 57

5.1 Subjective scales

While objective scales have aided in determining efficacy, subjective scales such as the subjective global assessment and FACE-Q validated, patient-reported outcome questionnaire have been useful in assessing patient satisfaction as well. 111, 118 These scales have been useful in identifying an improvement in patient-reported outcomes as dosing recommendations have changed. 51 In the past, the aim of BoNT-A administration was to achieve total muscle immobilization. This, however, compromised facial expressiveness as seen in subjective scales. Since then, ideal dosing has decreased to provide patients with a more natural and balanced look while still diminishing unwanted lines. 119 BoNT-A treatment has also been associated with improvement in depression in depressed patients. 120-122 Subjective evaluations have therefore become increasingly important to achieve because patient satisfaction influences treatment choice but do not give an accurate representation of molecular potency.

5.2 Comparing duration of effect

The duration of effect is probably the most important metric of molecular potency although it comes with the caveat that increased duration is directly associated with a more frozen appearance. The frontalis model was again used in a second study which utilized both the FMS and an additional standard Frontalis Rating Scale (FRS) which quantified degree of clinical effect or level of “frozen” appearance on a scale of partial, full, to complete efficacy. Still, the FMS proved to be more sensitive in measuring effect and was able to detect changes in appearance earlier than the FRS. In correlation with the prior study, AbobotulinumtoxinA appeared to show greater molecular potency at FDA-approved toxin ratios (50 units of AbobotulinumtoxinA and 20 units of OnabotulinumtoxinA) to OnabotulinumtoxinA in terms of maintaining duration of all degrees of efficacy among a higher proportion of frontalis sides (Table 2). 116

Measurement Efficacy AbobotulinumtoxinA OnabotulinumtoxinA Betekenis
FRS Partial 160 145 Not significant
Full 119 77 P = .003
Compleet 63 44 P = .01
FMS Partial 105 99 P = .006
Full 103 87 P = .003
Compleet 72 56 P = .01

Study Helps Explain Why Botulinum Toxin Is So Deadly

A pilot without a map can locate an airport by first finding a nearby landmark, like a big river, and then searching for the airport.

New research from the University of Wisconsin School of Medicine and Public Health (SMPH) and Scripps Research Institute shows how the astonishingly powerful botulinum toxin uses a similar strategy to latch onto nerve cells, the first step in inactivating them.

The research helps explain how the toxin first attaches to a receptor on the surface of a nerve cell, then looks for a second type of receptor that is nearby. Once the toxin links to this second receptor, it can enter the nerve cell and break a protein needed to deliver molecules that can signal other nerve cells.

By blocking this signaling molecule, tiny amounts of botulinum toxin can cause paralysis and even death through respiratory failure. The bacteria that makes this toxin grows in soil, and can be found inside cans of food that were improperly processed. Botulinum toxin is the reason for the extreme danger from bulging cans of food.

Researchers have been working on the unique nerve-blocking ability of the seven individual botulinum toxins for decades, says botulinum expert Edwin Chapman, UW-Madison professor of physiology and a Howard Hughes Medical Institute investigator. "A major question is how the toxin enters neurons," he says.

The research was a close collaboration with Ray Stevens of Scripps, who crystallized the structure that forms when botulinum toxin links to the protein receptor on a nerve cell.

"This is the first paper to show in atomic detail the structure of botulinum neurotoxin touching the receptor on the surface of the neuron," Chapman says. "The toxin has to bind to the neuron it wants to poison. This is a snapshot of the first stage of that poisoning."

The report on the work, in the journal Nature this week, identified a short section on the protein receptor as the exact spot where botulinum toxin grips the cell immediately before entering it.

UW-Madison has long been a center of botulism research. In 2003, Min Dong, a post-doctoral fellow in Chapman's lab, showed that a known protein receptor for one botulinum toxin was a key point of entry into the nerve cell. Dong shares first authorship on the current study along with Qing Chai and Joseph Arndt of Scripps.

The Nature paper is an elaboration on that 2003 discovery, which was published in The Journal of Cell Biology. Stevens's lab bombarded a crystal of the toxin bound to a small sub-region of the primary receptor with X-rays, then measured the reflections to portray the toxin and the receptor bound in deadly embrace.

The research could have several practical applications. Botulinum toxin is a potential biological weapon, so the U.S. military is interested in finding anti-toxins to protect soldiers -- molecules that attach to the binding site on the toxin or on the cell. The search for such a blocking molecule becomes easier now that the exact structure of the link between the toxin and the nerve cell are known.

Better knowledge of botulinum toxin's structure could also enhance the growing number of treatments that use the toxin to block nerve signals. The medical treatments "are not just for wrinkles," Chapman says. "People with paralysis get spasms in the muscles that are shut off, and this could solve that. In a wide variety of dystonias, where spasms can cause really severe pain, this can relax the muscles."

A third potential benefit is further down the line. After the researchers found the binding site on the protein receptor, they varied it until the toxin could no longer bind to it. If a mutated toxin was made to attach to the mutated receptor, the combination might target botulinum toxin against over-active cells in the body, Chapman suggests.

Using genetic engineering, "you might be able to sensitize whatever cell you want to the toxin," he says. Theoretically, such a treatment could be used to slow mucus production in the lungs of cystic fibrosis patients, or to attack hyperactive cells in a wide range of other disorders.

Overall, the research improves our knowledge of a devilishly clever toxin, says Dong. Botulinum is an enzyme - a biological catalyst -- that can move through a cell, breaking one protein molecule and quickly attacking another. Botulinum toxin attacks communications between nerve cells, "one of the most sensitive parts of the animal physiology," Dong says. "That provides an efficient way to immobilize an animal, far easier than targeting muscles directly."

Another reason for botulinum toxin's extraordinary power becomes clear from this study, Dong says. The toxin is only able to attach to a nerve cell that is working. "If the synapse between two nerve cells is not active, all the receptors will be hiding inside the cells. But a synapse that controls a very important muscle must be firing all the time, and it will be exposing more receptors, and the toxin will therefore target them."

Botulinum toxin, he says, "Only goes where it can be effective. It's like a smart bomb."


About Botulism

This illustration depicts a three-dimensional (3D) computer-generated image of a group of anaerobic, spore-forming, Clostridium sp. organismen.

Botulism (&ldquoBOT-choo-liz-um&rdquo) is a rare but serious illness caused by a toxin that attacks the body&rsquos nerves and causes difficulty breathing, muscle paralysis, and even death. This toxin is made by Clostridium botulinum and sometimes Clostridium butyricum en Clostridium baratii bacteriën. These bacteria can produce the toxin in food, wounds, and the intestines of infants.

The bacteria that make botulinum toxin are found naturally in many places, but it&rsquos rare for them to make people sick. These bacteria make spores, which act like protective coatings. Spores help the bacteria survive in the environment, even in extreme conditions. The spores usually do not cause people to become sick, even when they&rsquore eaten. But under certain conditions, these spores can grow and make one of the most lethal toxins known. The conditions in which the spores can grow and make toxin are:

  • Low-oxygen or no oxygen (anaerobic) environment
  • Low acid
  • Low sugar
  • Low salt
  • A certain temperature range
  • A certain amount of water

For example, improperly home-canned, preserved, or fermented foods can provide the right conditions for spores to grow and make botulinum toxin. When people eat these foods, they can become seriously ill, or even die, if they don&rsquot get proper medical treatment quickly.


Bekijk de video: Botulinum Toxin Mechanism Part 1 (December 2021).