Toxizität von Cyclohexadepsipeptiden

Die Schimmelpilze Fusarium subglutinans und F. proliferatum bilden eine Reihe von toxischen Sekundärmetaboliten wie Beauvericin (BEA) und Enniatin (ENN), die meist gemeinsam in Getreideproben nachgewiesen werden. BEA und ENN sind Cyclohexadepsipeptid-Ionophore mit zytotoxischer, antibiotischer und lipidsenkender Wirkung. Kürzlich in vitro synthetisierte Cyclohexadepsipeptide vom ENN-Typ sind antihelmintisch wirksam. Es ist deshalb von Interesse, ob die therapeutisch viel versprechenden Eigenschaften der beiden Cyclohexadepsipeptide die unspezifischen zytotoxischen Wirkungen überwiegen. Somit wäre es wichtig, den Mechanismus für die zytotoxische Wirkung aufzuklären. In isolierten Kardiomyozyten (BEA, ENN) und unilammelaren Vesikeln (BEA) bildeten beide Mykotoxine Kanäle in den Zellmembranen. Sie unterschieden sich jedoch bezüglich Ionenselektivität, Substates, Leitfähigkeit und Kinetik. Der Einfluss der Molekülstruktur auf die Eigenschaften von Einzelkanalströmen wird an Zellmembranen unterschiedlicher Zellen und an Lipiddoppelschichten unter Anwendung der ENN-Homologen durchgeführt, wobei ihre Wirkung auf regulatorische Mechanismen und Kanaleigenschaften untersucht werden. Die bisherigen Ergebnisse aus "Patch clamp"- und "Fluorescence imaging"-Experimenten zeigen einen komplexen Wirkungsmechanismus von BEA auf Ionenströme und Regulation der intrazellulären Ionenkonzentration von Calcium, Natrium und Kalium. Kompensatorische Mechanismen scheinen die Zelle bis zu einem gewissen kritischen Punkt vor einer Cytolyse zu bewahren. Die vollständige Aufklärung dieser Vorgänge ist mit den oben erwähnten Methoden nicht möglich. Deshalb ist beabsichtigt, die Wirkung von BEA und ENN an isolierten Säugetierzellen mit der konfokalen Laserscanning Mikroskopie zu untersuchen, um einen besseren Einblick in die subzellulären Regelmechanismen zu erhalten. Weiters soll der Einbau von BEA und ENN in die Zellmembran mit Hilfe der Festphasen-NMR untersucht werden und die Interpretation der Daten von elektrophysiologischen Experimenten damit unterstützt werden.

Die Cyclohexadepsipeptid-Mykotoxine Beauvericin (BEA) und Enniatin (ENN) werden schnell und leicht in die Zellmembran von Säugetierzellen und in künstliche Membranen eingebaut und bilden dort Kationen-selektive Kanäle. Durch ihre ionophoren Eigenschaften greifen BEA und ENN in das physiologische Ionengleichgewicht ein und verändern den pH-Wert in verschiedenen Zelltypen. Weiters hemmen sie den Zellmetabolismus durch mitochondriale Depolarisation und Zytolyse. Es wird ein Modell für den BEA- und ENN-Kanal vorgeschlagen, das besagt, dass BEA- oder ENN-Moleküle vertikal gestapelt in der Membran angeordnet sind, wodurch sich eine lange hydrophile Pore über die gesamte Membran erstreckt. Divalente Kationen werden nur in Abwesenheit von monovalenten Kationen geleitet, andererseits blockieren sie die Poren in Anwesenheit monovalenter Kationen. Unterschiede in der Kinetik der Einzelkanalströme sind bedingt durch die Zellmembraneigenschaften und die Struktur der Cyclohexadepsipeptide (BEA, ENN A, ENN A1, ENN B, ENN B1). Durch Störung des physiologischen Ionengleichgewichts werden kompensatorische Mechanismen in der Zelle aktiviert, die die Homöostase wieder herzustellen. Die anhaltend erhöhte intrazelluläre Calciumkonzentration führt zu einer Dysfunktion der Muskelkontraktion, wie in isolierten Herzmuskelpräparaten beobachtet. Die kompensatorischen Mechanismen verbrauchen zelluläres ATP. Die Verkürzung der Aktionspotentialdauer und die Abnahme der Kontraktionskraft können auf ein ATP Defizit zurückzuführen sein. Eine in Anwesenheit von BEA beobachtete Verringerung der Zelllänge ist meist begleitet von einem Anstieg der zytosolischen Calciumkonzentration und Acidose. Die BEA-bedingte Erhöhung der intrazellulären Magnesiumkonzentration deutet auf einen ATP Abbau und dabei Freisetzung von Magnesium hin. Außer in das Sarkolemm scheint BEA auch in die mitochondriale Membran eingebaut zu werden und diese dann zu depolarisieren. Im Gegensatz zu publizierten Daten konnte gezeigt werden, dass Moniliformin (MON) kein spezifisch kardiotoxisch wirkendes Mykotoxin ist, sondern auch auf die glatte Muskulatur einen Einfluss hat. MON zeigt aber keine elektrophysiologischen Wirkungen und beeinflusst die intrazellulären Ionenkonzentrationen, ATP und den pH-Wert nicht. Die gemeinsam in Getreideproben nachgewiesenen Fusarium Mykotoxine MON, BEA und ENN besitzen keine synergistisch zytotoxische Wirkung. BEA und ENN hemmen die Knochenresorption konzentrationsabhängig und reduzieren die Zellanzahl, wobei BEA stärker wirksam war als ENN. Im Gegensatz zu den Destruxinen haben BEA und ENN auch einen Einfluss auf die Osteoklastogenese. Diese während der Austestung der toxischen Wirkung sekundärer Metabolite erhaltenen Ergebnisse sind auch aus pharmakologischer Sicht von Interesse.