Pompilidotoxin

Las pompilidotoxinas (PMTX) son sustancias tóxicas que solo se encuentran en el veneno de algunas avispas solitarias. Este tipo de avispa utiliza su veneno para capturar presas de forma ofensiva y es relativamente inofensiva para los humanos. Esto contrasta notablemente con los insectos sociales, que se defienden a sí mismos y a sus colonias con su veneno. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las avispas productoras de pompilidotoxina pertenecen a la subfamilia Pompilinae , que consta de cincuenta grupos de géneros conocidos, de los cuales solo dos producen la toxina . Ambos grupos producen variantes diferentes. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La primera mención de una variante de pompilidotoxina fue realizada por Konno et al. en 1997 tras un estudio de neurotoxinas en avispas solitarias que habitan en Japón. Purificó y sintetizó esta toxina, ahora llamada α-pompilidotoxina, a partir de la avispa araña solitaria ( Anoplius samariensis ). ^{[ 5 ]} La segunda variante, estrechamente relacionada, la β-pompilidotoxina, fue descubierta por Konno et al. un año después, en 1998, en otra avispa solitaria ( Batozonellus maculifrons). Ese mismo año, Konno et al. también aportaron información concreta sobre la estructura y función de estas toxinas. ^{[ 6 ]}

Se sabe que Anoplius samariensis vive distribuida por todo el mundo, con casos reportados en Asia oriental, Europa oriental y central, y Rusia. ^{[ 7 ]} Produce la α-PMTX para actuar sobre el sistema nervioso de la víctima picada. De esta manera, puede paralizar una amplia gama de arañas que luego serán arrastradas al nido de la avispa, ubicado en el suelo, en la cavidad de un tallo de planta o hecho de barro. La avispa cazadora de arañas deposita sus huevos sobre arañas paralizadas para que las larvas que eclosionan puedan alimentarse de presas vivas. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Además de cazar arañas, las avispas Batozonellus maculifrons también cazan una gran variedad de insectos. ^{[ 8 ]} Los animales de este género utilizan tanto α-PMTX como β-PMTX. ^{[ 1 ] [ 9 ]} Hasta la fecha, la avispa solo se ha reportado en China y Japón. ^{[ 10 ]}

La estructura de α-PMTX consta de 13 residuos de aminoácidos con la secuencia Arg-Ile-Lys-Ile-Gly-Leu-Phe-Asp-Gln-Leu-Ser-Lys-Leu-NH₂ _. La sustitución del residuo de lisina en la posición 12 de α-PMTX por arginina da como resultado β-PMTX. ^{[ 11 ]} Esta única diferencia de aminoácido parece ser responsable de una diferencia en la potencia, ya que β-PMTX resultó ser cinco veces más potente que α-PMTX en las uniones neuromusculares de la langosta . Se encontró que la ubicación de los tres residuos básicos en las posiciones 1, 3 y 12 era crucial para la acción de la toxina. La longitud del compuesto también pareció ser crucial para su función. ^{[ 11 ]}

Se han sintetizado análogos de α- y β-PMTX mediante la implementación de cambios en la secuencia de aminoácidos para comprender la relación estructura-actividad (SAR) con respecto a la actividad para el canal de sodio dependiente de voltaje humano 1.1 (hNa _V 1.1) y la selectividad sobre otras isoformas de canales de Na ⁺ humanos como hNa _V 1.2-1.7. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Los modelos 3D han sugerido que β-PMTX puede adoptar una conformación doblada asistida por su residuo Gly-5 y se estabiliza aún más por la interacción electrostática entre su Asp-8 cargado negativamente y los residuos cargados positivamente Arg-1 y/o Lys-3. ^{[ 13 ]} Esto llevó a la hipótesis de que una conformación similar a un giro β que depende de Gly-5, ya que es el aminoácido estéricamente más flexible, podría ser una característica importante de la conformación farmacológicamente activa. Esto se probó reemplazando Gly-5 con otros residuos que favorecen el giro (β), pero este cambio no fue tolerado. ^{[ 13 ]} Al intercambiar los residuos Arg-1, Lys-3 y Asp-8 para ver si sus posiciones son esenciales para la unión al canal de sodio o la formación de la estructura secundaria , se obtuvieron péptidos inactivos, lo que propone que el posicionamiento correcto de estos residuos es crítico para la actividad. ^{[ 13 ]} La introducción de enlaces disulfuro en la estructura de la curva para hacerla menos flexible también condujo a péptidos inactivos, ya que parecían ser muy sensibles a los cambios estructurales. ^{[ 13 ]}

Sin embargo, un péptido en el que la lisina-3 fue reemplazada por un residuo de arginina más básico mostró mejor actividad. Esto se diseñó basándose en observaciones de que algunos de los residuos ácidos en los canales de sodio neuronales son importantes para la unión y que la eliminación del residuo básico lisina-3 de α-PMTX no fue tolerada, mientras que la eliminación del residuo ácido aspártico-8 sí lo fue. ^{[ 13 ]} Al combinar las mutaciones K3R (lisina-3 a arginina) y S11L (serina-11 a leucina ) , también se pudo obtener una mayor actividad.

Se ha supuesto que los residuos lipofílicos en otras toxinas que bloquean los canales de sodio son importantes para la unión en el sitio 3 de los canales de sodio neuronales. Además, se descubrió que reemplazar la Phe-7 de la β-PMTX con aminoácidos no naturales más lipofílicos, como 1-Nal y 2-Nal, resultó en un aumento de la actividad, mientras que el reemplazo con un residuo polar conllevó una pérdida completa de la actividad. Esto sugiere un papel esencial del residuo endógeno Phe-7 en la mediación de la interacción entre la toxina del veneno y el canal de sodio. ^{[ 13 ]}

Aunque la PMTX no tiene homología estructural con otras toxinas que actúan sobre los canales de sodio, como las toxinas de las anémonas marinas o las toxinas de los escorpiones, algunas partes de estas toxinas muestran estructuras similares para interactuar con el sitio receptor de los canales de sodio. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Aunque las pompilidotoxinas se pueden extraer del veneno de avispas solitarias, ^{[ 6 ]} donde se producen a través de vías de síntesis de proteínas estándar , también se pueden obtener a través de rutas sintéticas como un método de adición en fase sólida por etapas utilizando la química Fmoc . ^{[ 14 ]}

Después de que el veneno ingresa al cuerpo a través de la picadura de la avispa, ingresa al torrente sanguíneo, donde se diluye en la sangre y se distribuye por todo el organismo. ^{[ 15 ]} Las pompilidotoxinas actúan sobre los canales de sodio, por lo que la toxina llega a sus sitios objetivo a través de la distribución por el torrente sanguíneo.

La investigación realizada por Sahara et al. (2000) sugiere que la α-PMTX podría ralentizar o bloquear los cambios conformacionales necesarios para la rápida inactivación de los canales de sodio dependientes de voltaje. Esto provoca un aumento de la concentración intracelular de sodio. Plantean la hipótesis de que este efecto podría deberse a la unión de la α-PMTX a elementos similares del sitio receptor de neurotoxina 3 en la superficie extracelular del canal de sodio . ^{[ 16 ]} La α-PMTX también potencia tanto los potenciales postsinápticos inhibitorios (PPSI) como los potenciales postsinápticos excitatorios (PPSE). La parálisis final de la araña se produce por la despolarización prolongada de la membrana , inducida por los PPSE. ^{[ 5 ]}

Sin embargo, cuando la inactivación rápida se ralentiza o se bloquea mediante un bloqueador de canales como el PMTX, la membrana no se repolariza correctamente, sino que permanece en un estado despolarizado. Esta despolarización prolongada provoca parálisis. ^{[ 17 ]}

Un estudio realizado por Konno et al. (2001) reveló que los aminoácidos con carga positiva en la β-PMTX probablemente se unen al sitio Glu-1616 en el bucle D4S3-S4 del canal de sodio. Esto indica que las cargas positivas de las PMTX son una parte crucial de las toxinas, ya que probablemente participan en la unión electrostática entre la toxina y el canal de sodio. ^{[ 8 ]}

Las pompilidotoxinas discriminan entre los canales de sodio neuronales y cardíacos , ya que solo se unen a los canales de sodio neuronales. ^{[ 8 ]}

Contrariamente a lo que cabría esperar del drástico efecto del veneno de insectos con alas delgadas sobre los procesos neurológicos, algunas toxinas de estos himenópteros se utilizan en medicina. Un ejemplo es la tertiapina Q de la abeja melífera europea ( Apis mellifera ), que se emplea en el tratamiento del dolor, la esclerosis múltiple (EM) y la artritis reumatoide . ^{[ 18 ]}

La avispa araña también es un insecto himenóptero, pero sus pompilidotoxinas no están actualmente relacionadas con ningún fármaco existente. Por lo tanto, tampoco existen indicaciones para estos compuestos. El potencial médico de las PMTX se ha considerado en el pasado, pero sin éxito. Su posible característica de potenciar únicamente la actividad neuronal fue descartada ya en 1998 por Harsch et al., quienes descubrieron experimentalmente que la α-PMTX también podía alterar la actividad de las neuronas corticales de rata de forma irreversible e inmediata tras su administración. La imprevisibilidad de la toxina y la aún considerable falta de información sobre ella contribuyen a que no se haya traducido en aplicaciones médicas. ^{[ 19 ]}

Sin embargo, aunque las pompilidotoxinas no se utilizan como fármacos, poseen un gran valor médico. Este valor radica en que esta neurotoxina de 13 aminoácidos es mucho más pequeña que otras toxinas polipeptídicas específicas de los canales de sodio. Por ejemplo, las pompilidotoxinas son mucho más pequeñas que la toxina de la anémona marina, estudiada convencionalmente y compuesta por entre 46 y 49 aminoácidos, o que la toxina α-escorpión, con entre 60 y 65 residuos. La corta longitud de las pompilidotoxinas implica que el aminoácido crucial para la unión al receptor sería más fácil de detectar en estudios basados ​​en estas toxinas.   

Además, la unión de la toxina α-escorpión o anémona marina al receptor de sodio también implica un sistema complejo de formación de tres a cuatro enlaces disulfuro adicionales. Las pompilidotoxinas no pueden formar tales enlaces. Por lo tanto, las pompilidotoxinas ofrecen una ventaja especial para investigar, clasificar y caracterizar diferentes isoformas de canales de sodio debido a su estructura concisa y simple. Ya se han utilizado en la investigación neuronal sobre los mecanismos de acción de los canales de sodio y la caracterización de las funciones de los receptores. ^{[ 8 ] [ 1 ]}

Un mayor conocimiento sobre el funcionamiento de los canales de sodio podría contribuir significativamente a la atención médica, ya que las alteraciones en estos canales se asocian con una amplia gama de trastornos neurológicos . Las corrientes de sodio persistentes participan especialmente en algunas variantes de epilepsia y esclerosis múltiple. ^{[ 20 ]} Además, el β-PMTX se ha asociado con la inducción de epilepsia debido a su drástico efecto en el aumento de la excitabilidad neuronal y se ha reconocido como particularmente importante para comprender el papel de las corrientes de sodio en la epileptogénesis . ^{[ 21 ]}

Por lo tanto, aunque las pompilidotoxinas no se utilizan como fármacos y, por consiguiente, no tienen efectos eficaces ni adversos, son valiosas desde el punto de vista médico como modelo de investigación para mejorar indirectamente el bienestar del paciente.

La familia Pompilidae de avispas araña es conocida por su picadura potente y dolorosa que utilizan para paralizar arácnidos . Las avispas sociales atacan fácilmente cualquier amenaza a su reina y colonia, y son el único tipo de insectos responsables de incidentes médicamente significativos en humanos. Sin embargo, las PMTX son producidas por avispas araña solitarias y, dado que estas no tienen una colonia que defender, los humanos normalmente no son picados por ellas. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

PMTX no figura en la lista de la IARC , lo que sugiere que no hay indicios de carcinogenicidad para los humanos; actualmente no se dispone de más información sobre los efectos de PMTX en los humanos. ^{[ 25 ]} Sin embargo, se cree que no tendrá un gran impacto en los humanos debido a la diferencia en la configuración neurológica entre humanos y arácnidos. ^{[ 25 ]}   Se sabe que la picadura de una avispa araña causa dolor e hinchazón local, y algunas personas pueden tener una reacción alérgica a la picadura, lo cual puede ser peligroso. Los síntomas de una picadura de avispa araña, aparte de la reacción alérgica, se pueden tratar con una compresa fría. ^{[ 22 ]}

Aunque los humanos normalmente no son picados por estas avispas, algunos científicos han provocado deliberadamente a avispas cazadoras de arañas similares a las productoras de PMTX para que las picaran y así investigar el dolor que infligen estos insectos. Gracias a estos individuos, se sabe que, si bien el veneno de la avispa cazadora de arañas causa parálisis en sus presas artrópodas , inflige un dolor intenso que dura alrededor de cinco minutos en vertebrados como los humanos. El entomólogo Justin Schmidt creó un índice de dolor por picadura donde la avispa cazadora de arañas tarántula se describe como  "Cegadora, feroz, sorprendentemente eléctrica. Es como si te hubieran dejado caer un secador de pelo encendido en la bañera". ^{[ 26 ]} El Dr. Sam Robinson fue picado por la avispa cazadora de arañas australiana y describió la experiencia como " autoritaria, cautivadora y sorprendentemente poderosa ". ^{[ 27 ]}

Aunque ambos insectos están emparentados con las avispas productoras de PMTX, no existen casos registrados de que Anoplius samariensis o Batozonellus maculifrons hayan administrado su veneno con PMTX a humanos. El dolor surge tras la introducción del veneno en la piel y la degradación del tejido circundante por las enzimas. Varias células inmunitarias, como los mastocitos y los basófilos, se activan y liberan histamina , lo que provoca la dilatación de las venas y la respuesta inmunitaria que causa el dolor, además de un aumento de la temperatura, así como la hinchazón y el enrojecimiento de la piel característicos de las picaduras de insectos. ^{[ 28 ]}

La actividad biológica de PMTX en animales se probó por primera vez en langostas administrándola a la sinapsis neuromuscular de las patas. Se administraron 10 mM de α-PMXT y β-PMXT, y ambas toxinas potenciaron los potenciales postsinápticos excitatorios (EPSP). ^{[ 6 ]} La potenciación de los EPSP genera respuestas de espigas oscilatorias y produce despolarizaciones más largas y grandes de la membrana muscular, lo que provoca la contracción muscular . Se ha demostrado que la β-PMXT es 5 veces más potente que la α-PMXT. ^{[ 5 ]}

Se ha demostrado que el efecto de la β-PMXT en las interneuronas CA1 del hipocampo de rata consiste en la modulación de los canales de sodio. Esta modulación se debe a que la toxina ralentiza el proceso de inactivación de dichos canales. También se observa que el efecto de la PMXT difiere entre los distintos tipos celulares, lo que puede explicarse por la diferente distribución de los canales de sodio dependientes de voltaje en cada tipo celular. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

En 2016, Konno et al. experimentaron con el efecto de las pompilidotoxinas en un insecto y siete canales de sodio dependientes de voltaje de mamíferos . De los canales de sodio de mamíferos, el canal Nav1.6 produjo el efecto más potente, lo que indica que la toxina es selectiva para este canal. El canal del insecto que se probó para la toxina produjo un efecto aún mayor, lo cual es bastante lógico ya que las avispas araña atacan a los artrópodos. ^{[ 1 ]}

La toxina aún no se ha probado en arácnidos, aunque se sabe que las avispas araña utilizan pompilidotoxinas para paralizarlos. Los canales de sodio dependientes de voltaje de los arácnidos son bastante similares a los de los insectos, por lo que, basándose en el efecto que las pompilidotoxinas tienen sobre los canales de sodio de los insectos, se cree que la toxina también ralentizará la inactivación de los de los arácnidos. Esta inactivación lenta podría afectar la locomoción de los arácnidos, que necesitan para atacar, al interrumpir la activación sincronizada de las neuronas. ^{[ 30 ]}