רעלנים של ציאנובקטריה

ציאנובקטריה (אצות כחוליות), הינה קבוצה עתיקה מאוד של מיקרואורגניזמים פרוקריוטיים פוטוסינטטיים. חלקם בעלי כושר קיבוע חנקן, המהווים מרכיב טבעי נפוץ של גופי מים. לציאנובקטריה כושר הסתגלות מצוין לתנאים סביבתיים שונים. כתוצאה מפעילות אנושית ובתנאים מתאימים מופיעות תפרחות של ציאנובקטריה שעוצמתן מושפעת ממספר משתנים. בין הגורמים אשר משפיעים על הופעת תפרחות אלו נכללים נוכחות מסה מספקת של תאי הבקטריה, ריכוז נוטריינטים, טמפרטורה חמימה, עוצמות אור חזקות, עכירות נמוכה וערבול מינימלי של המים ומזג אוויר יציב. מזרח אירופה, הרפובליקות של מרכז אסיה, דרום סין, דרום אפריקה ואוסטרליה הינם אזורים המוכים בתפרחות של ציאנובקטריה. בים הבלטי לדוגמה, כמות ה-Nodularia באמצע הקיץ היא כה גדולה עד שספינות אשר שטות בים משאירות אחריהן נתיב של מים נקיים לרוחב משטח הרפש החום. לא ניתן להתעלם מהופעת תפרחות של ציאנובקטריה בשל הסיכוי הגבוה יחסית לקיום רעלנים בתפרחות אלו. מלבד טוקסיות, תפרחות של ציאנובקטריה עלולות לגרום לעכירות, צבע, טעם וריח דוחה במים. מספר מינים של ציאנובקטריה (טבלה 1) מייצרים סוגים אחדים של רעלנים ובמיוחד חמורה הבעיה כאשר הפריחה מופיעה בגוף מים מתוקים המשמש כמקור למי שתיה. מספר ניכר של תפרחות כאלו, במקורות מים מתוקים, דווחו כגורמים להרעלות של צאן, בקר וחיות בר כמו גם תחלואה של בני אדם. מחקרים על תפרחות של ציאנובקטריה בגופי מים, במקומות שונים בעולם הראו ש-25% עד 70% מתפרחות אלו היו רעילות.


רעלנים של ציאנובקטריה משתייכים למספר קבוצות ביוסינטטיות של חומרי טבע ויש להם ספקטרום פעילות פרמקולוגית רחב ביותר. הטוקסינים הנפוצים ביותר המיוצרים על ידי ציאנובקטריה משתייכים לשתי קבוצות פעילות: נוירוטוקסינים והפטוטקסינים. הדרך הפשוטה ביותר לזהות רעילות של ציאנובקטריה ולהבחין בין הפטוטוקסין לנוירוטוקסין היא באמצעות הזרקת תמצית הציאנובקטריה לקרום הצפק של עכברים נוירוטוקסינים. במנה ממיתה, הורגים עכבר בתוך 30-2 דקות כתוצאה מחנק הנגרם מחסימת מעבר האות העצבי אל השריר. מנה ממיתה של הפטוטוקסין הורגת עכבר בתוך 45 דקות עד מספר שעות כתוצאה מדימום בכבד. מינונים נמוכים יותר של הפטוטוקסינים למשך תקופות ארוכות גורמים לעלייה בשכיחות מקרי סרטן הכבד בחיות מעבדה. רשימת הטוקסינים הנפוצים ביותר המופיעים בציאנובקטריה מוצגת בטבלה 1 עם רשימה של זנים מייצגים המייצרים אותם. המבנה הכימי של הטוקסינים העיקריים מציאנובקטריה מופיעים בתמונה 1.


האלקלואיד הנוירוטוקסי anatoxin-a מ-Anabaena flos-acquae הינו חומר הטבע הראשון אשר בודד מציאנובקטריה בשנת 1973. ה-anatoxin-a משבש את פעולת השריר על-ידי התקשרות לא-הפיכה לאתר הקישור של הנוירוטרנסמיטור אצטילכולין בשריר. כתוצאה מכך מתכווצים שרירי הנשימה ונגרם מוות בחנק.

נוירוטוקסין נוסף אשר בודד מתבדיד טוקסי אחר של ציאנובקטריה זו הינו ה-anatoxin-a(s), אשר לו פעילות מעכבת חזקה של האנזים אצטילכולין-אסטראז. הוא מונע באופן תחרותי את התחברות האצטילכולין לאנזים ואת פירוקו של האחרון על-ידי האנזים. בשל כך נמנע פירוקו של הנוירוטרנסמיטור מאתרי הפעולה שלו והוא ממשיך לפעול ברציפות על תאי עצב ושריר. התוצאה דומה ל-anatoxin-a, היא התכווצות בלתי פוסקת של שרירים בכללם שרירי נשימה המסתיימים בחנק.

Saxitoxin ו-neosaxitoxin הינם אלקלואידים נוירוטוקסיים הפוגעים בהולכה העצבית על-ידי חסימה של תעלות הנתרן בשלוחות תאי העצב שתפקידן להעביר את האות העצבי לתאי השריר. רעלנים אלו בודדו לראשונה מצדפות מורעלות אשר רוכשות אותן ממזונן - אצות מקבוצת הדינופלגלטים הימיים. טוקסינים אלו אשר ידועים כ-Poisons paralytic shellfish (PSP) בודדו גם מזנים שונים של ציאנובקטריה דוגמת Anabaena ו-Aphanizomenon flos-acquae.

ניתן לחלק את ההפטוטוקסינים מציאנובקטריה של מים מתוקים לשתי קבוצות: הגדולה והידועה יותר הינה של פפטידים צקליים - ה-microcystins, ואילו השנייה מכילה אלקלואיד רעיל יחיד אשר בודד ואופיין בשנים האחרונות - cylindrospermopsin.

הפפטידים הציקליים הינם ברובם הפטאפפטידים - microcystins, אשר בודדו ממינים של microcystis, Nostoc, Anabaena ו-Oscillatoia ופנטאפפטידים - Nodularins, אשר בודדו מהציאנובקטריה של מים מליחים Nodularia spumigena. הפפטידים הציקליים הללו מתרכזים ופוגעים במעיים ובהפטוציטים (תאי הכבד). הפגיעה בהפאטוציטים גורמת לדפורמציה פיזית של ההפטוציטים כתוצאה משינויים במיקרופילמנטים של האקטין - חלבון השלד התוך תאי. שינויים אלו מחלישים את הקשרים הבין תאיים וכתוצאה מכך נגרמים דימומים פנימיים בכבד ומוות מאיבוד דם. פפטידים ציקליים אלו מעכבים באופן ספציפי protein phosphatases של תאים איקריוטיים - הקשורים לבקרת החלוקה של תאים - ובדרך זו משרים סרטן בתאי כבד בריכוזים הנמוכים מסף הרעילות.

ה-cylindrospermopsin בודד לראשונה בשנת 1992, מהציאנובקטריה Cylindrospermopsis raceborskii אשר נאספה במאגר מים מזוהם בבקטריה זו באי פאלם (אוסטרליה) בעקבות הרעלה של 148 תושבים (בשנת 1979). בשנת 1994, בודד הטוקסין מהציאנובקטריה Umezakia natans מיפן. בסוף הקיץ והסתיו של שנת 1994 הופיעה לראשונה בכינרת הציאנובקטריה החוטית Aphanizomenon ovalisporum. היא פרחה בכל עמודת האפילמניון. בשיא הפריחה הגיע ריכוז הסיבים במים ל-6,000 למ"ל וריכוז התאים ל-200,000 למ"ל. בחודשי הקיץ של השנים 1995, 1996 ו-1997 הופיעה שוב תפרחת של הציאנובקטריה בכינרת אך בריכוזים קטנים והולכים (1/10 ו-1/20 בהתאמה, יחסית לריכוז בשנת 1994).

הבקטריה בודדה מן הכינרת (על-ידי ד"ר אורה הדס, המעבדה לחקר הכינרת, חיא"ל) ולשם הפקת הרעלן גודלו מאות ליטרים של תרביות מתבדיד זה (במעבדתו של ד"ר כרמלי). ממדידות כמות הרעלן בתרביות נמצא כי 1 mg של תאי Aphanizomenon ovalisporum מכילים כ-2μg של רעלן. בניסוי אשר בוצע עם ביומסה של פיטופלנקטון אשר רוכזה ממי הכינרת באוקטובר 1995, נתגלו בה עקבות של צלינדרוספרמופסין, ממצא אשר אומת לאחרונה בשיטה מסספקטרומטרית. יש לציין שביומסת האפניזומנון היוותה רק כ-10% מדוגמה זו. מהשוואה בין כמות הרעלנים אשר מיוצרים בתפרחות של ציאנובקטריה בטבע והכמות המיוצרת על-ידי תרביות שלהן במעבדה עולה שכמות הרעלנים המיוצרת בטבע גדולה בדרך כלל פי 10 עד 100 מאשר בתרבית. כרעלנים אחרים של ציאנובקטריה, גם רעלן זה נצבר בתוך תאי הבקטריה, ריכוזו בתרבית עולה עם הגידול בכמות התאים ומגיע למקסימום בסוף השלב הלוגריתמי של הגידול. עם הכניסה לשלב הסטציונרי של הגידול משתחרר הרעלן לנוזלי התרבית בשל התפרקות התאים.

הרעלן בודד תוך מעקב אחר רעילותו לעכברים (בהזרקה לקרום הצפק). לאחר בידודו בשיטות כרומטוגרפיות שונות נקבע הרעלן באמצעות שיטות ספקטראליות ונמצא שמבנהו זהה לזה אשר נקבע ל-cylindrospermopsin (על-ידי אוהטני ומור).

ה-cylindrospermopsin (תמונה 1) הינו אלקלואיד צוויטראיוני במבנהו ובשל כך מסיס היטב במים. יציבותו בחום ובתמיסות חומציות ובסיסיות מתונות גם היא טובה מאוד. נתונים פיזיקליים אלו מצביעים על כך שמרגע שהוא משתחרר מתוך תאי הציאנובקטריה לגוף המים, צפוי שישרוד בתוכם לפרקי זמן ארוכים יחסית. הפעלה של חומרי חיטוי מחמצנים (כלור, כלורדיאוקסיד וכלוראמין) המשמשים לטיפול תברואי, הראתה שכולם מגיבים עם הרעלן ונותנים שני סוגי תוצרים. היחס בין כמות המחמצנים השונים לכמות הרעלן קובעים אם ואיזה מבין שני התוצרים ייווצר. תוצר חימצון אחד זוהה כימית ומבנהו נקבע כ-5-כלורו-צילינדרוספרמופסין ואילו מבנהו של השני עדיין לא נקבע.

לצילינדרוספרמופסין רעילות לעכברים, תוך 24 שעות, בערכי LD50(i.p.)=2.1 mg/kg ותוך עד שישה ימים בערכי LD50(i.p.)=0.2 mg/kg. קבוצות מחקר בארה"ב ויפן מצאו כי הצילינדרוספרמופסין פוגע בעיקר בכבד אך גם בכליות ובלב על-ידי עיכוב הסינתזה של פרוטאינים ושל גלוטאטיון מחוזר בתאים. רעילותו של הצילינדרוספרמופסין במתן דרך הפה ורעילותם של תוצרי החימצון שלו, בהזרקה ודרך הפה עדיין לא נבדקה. מנתונים אשר נאספו בעיקר באוסטרליה עולה שהרעלן פעיל גם במתן דרך הפה (הרעלת התושבים באי פאלם) ואילו תאי הבקטריה לאחר טיפול במחמצנים עדיין היו רעילים לעכברים בהזרקה (i.p.). גם הצילינדרוספרמופסין, בדומה להפטוטוקסינים האחרים, הוא בעל פוטנציאל לקרצינוגניות שכן מבנהו מצביע על כך שהוא עלול להיספח לגדילי DNA או RNA.

למרות ש: א) מנגנון הרעילות של הצילינדרוספרמופסין אינו ברור די צרכו (מתן יחיד גורם לתופעות מתמשכות ומוות בעכברים עד כשבוע לאחר נתינתו), ב) אינה ברורה עדיין דרגת רעילותם של תוצרי החימצון על-ידי המחטאים, ג) דבר אינו ידוע על סכנות הכרוכות בחשיפה לרעלן במינון נמוך לאורך זמן ו-ד) לא נערכו עדיין ניסויים לקביעת הרעילות בשתיה. ניתן לבצע הערכה ראשונית של הסכנה לבריאות הציבור מפריחה של Aphanizomenon ovalisporum בכינרת. בתרחיש חמור, שעל פיו ריכוז הבקטריה בכינרת יהיה גדול ביותר וכל הרעלן (בריכוז המתקבל בתרבית) יופרש למים, יהיה ריכוזו במים קטן פי 1,000 מהכמות הממיתה בהזרקה תוך צפקית לעכבר.

מחקר האפניזומנון ורעלניו נמשך במטרה לקבוע מהי מנת הרעלן שאינה יוצרת אפקט בריאותי שלילי כלשהו וכדי לקבוע מהם האמצעים התפעוליים שיש לנקוט בכדי לשמור על האיכות הנדרשת של מי השתייה.