Therapeutische Anwendung von Schlangengift

Überblick

Schlangengift ist eine Volksmedizin, die seit Jahrhunderten verwendet wird, vor allem aufgrund der hohen spezifischen Affinität und Wirkung auf Zellen und Zellkomponenten. Es besteht aus komplexen Mischungen von organischen und anorganischen Verbindungen, einschließlich Proteinen, die zu den Enzymklassen Protease (Serin und Metalloproteinasen), Oxidase (L-Aminosäureoxidasen) und Phospholipase (insbesondere Phospholipase A2) gehören (Burin et al 2017). Aufgrund der hohen Selektivität für Ihre molekularen Ziele, sind diese Komponenten ebenfalls reichhaltige Quellen potentieller therapeutischer Mittel (Zambelli et al 2017).

Nicht-enzymatische Proteine aus Schlangengift spielen eine wichtige Rolle bei der Immobilisierung von Beute im Tierreich, bei der Verteidigung sowie bei der Verdauung und haben unser Verständnis für die Toxizität von Giften erweitert und trugen dadurch zur Einstufung eines normalen und pathologischen Krankheitszustands in der menschlichen Physiologie bei (Mc Cleary und Kini 2012). Bestandteile der Gifte können bei der Behandlung von Krebs, Arthritis, Thrombose, Multiple Sklerose, Schmerztherapie, neuromuskulösen Störungen, Blut und Herz-Kreislauferkrankungen, Infektionen und entzündlichen Erkrankungen, sowie vielen weiteren Krankheitsbildern bei der Behandlung eingesetzt werden.

Zur Verdeutlichung wird im Folgenden Beispielhaft vier Schlangenarten mit der jeweiligen medizinischen Relevanz aufgeführt. Der australische Inland-Taipan (Bild 1) ist die giftigste Schlange der Welt. Doch ihr tödliches Gift kann auch Leben retten: im Tierversuch wurde es erfolgreich zur Vorbeugung von chronischer Herzinsuffizienz eingesetzt. Aus dem Gift der Südamerikanischen Lanzenotter etwa kann eine Substanz (Batroxobin) gewonnen werden, die die Blutgerinnung fördert. Zu den wichtigsten Schlangengiften gehören die Cobramine A und B aus dem Kobratoxin der Brillenschlange sowie Crotactin und Crotamin aus dem Crotoxin der nordamerikanischen Klapperschlangen. Die Gifte der rund 300 Giftschlangenarten der Erde bergen jedoch noch zahlreiche, möglicherweise medizinisch nutzbare Proteine mit bisher unerkannter Wirkung.

In diesem Sinne diskutiert die vorliegende Übersicht die neuen Erkenntnisse und therapeutische Perspektiven in der Anwendung bei Krebs, insbesondere L Amino Oxidase, die Antimikrobielle Anwendung, insbesondere gegen Multiresistente Erreger, sowie Antiparasitäre Anwendung, des Weiteren die Anwendung von PLA2 gegen Schmerzen.

Anwendung in der Krebstherapie

Schlangengift besteht zu 90 bis 95 Prozent aus Proteine und Peptide; 25 Prozent davon Enzyme. Diese Proteine und Peptide haben die Fähigkeit sich an Krebs Zellen zu binden, und somit die Proliferation und Migration von diesen Zellen beeinflussen. Vyas et al(2013) bewiesen, dass die Anwendung von Schlangengift einen Einfluss auf die Produktion von verschiedenen Proteinen hat, die für die Zellteilung notwendig sind. Durch diesen Einfluss kann die Proliferation gestoppt werden. ACTX-6, ein Protein von dem Agkistrodon acutus (Bild 2)Schlangengift, ist für die induzierte Apoptose zuständig. Da Krebszellen eine unkontrollierte Zellteilung haben, ist die Anwendung hier sehr signifikant.

Es wurde auch beobachtet, dass durch Schlangengift eine Zytochrom C sowohl als eine L-Amino Oxidase Ausschüttung hervorgerufen wurde, die eine Inhibition der Proliferation der Zelle darstellt und auch Apoptose förderte. ACTX-8, auch von Agkistrodon acutus Schlangengift isoliert, erzeugte eine Oxidation von L-Amino Oxidase, das dann durch mehrere Schritte Zytochrome C aktivierte das wiederum induzierte Apoptose. Dies ist ein wichtiger Teil der Bekämpfung von Krebs, da somit die Größe von dem Tumor sowohl auch die Anzahl von Zellen von dem Tumor bekämpft werden kann (Vyas et al, 2013).

Weitere Anwendungen von Schlangengift die Vyas et al (2013) in Ihrer Zusammenfassung erklärten waren: Die Isolierung von Apoxin I von einer Klapperschlange, dass durch die Bindung an FAD die deamination von L-Amino Acid auslöste, und somit auch die Apoptose.Die Aussetzung von H₂O₂ , ausgelöst durch das Gift von Bothrops leucurus, das auch zum Zelltod führte.

Spezifische Nutzung der Aminooxidase

Tan et al (2018) demonstrierten in ihrer Zusammenfassung die Anwendung von L Amino Oxidase in Krebstherapie, isoliert von Schlangengift, (svLAAO). Wasserstoffperoxid ist eine sogenannte Reaktive Oxygen Species (ROS). Eine Akkumulierung von zu vielen ROS resultiert in oxidativen Stress. Obwohl Krebszellen selber einen hohen Anteil von ROS produzieren, haben sie ein Mechanismus entwickelt in dem sie die ROS benutzen um verschiedene Chemotherapie zu bekämpfen. Durch den geringen Anteil von ROS von den normalen Zellen, verglichen mit dem hohen Anteil von ROS von Krebszellen, wird eine Erhöhung von ROS mehr Schäden bei den Krebszellen verursachen.Die Ausschüttung von Wasserstoffperoxid, induziert durch die Umwandlung von L-Amino Acid zu α Keto Acid, kann theoretisch genug oxidativen Stress fördern das den Tod von Zellen verursacht. Neue Forschung zeigte die Fähigkeit von svLAAO sich an den Zellmembranen von Krebszellen zu binden, aber nicht an den von gesunden Zellen. Hierdurch kann ein hoher Anteil von H2O2 an einer Stelle generiert werden, während die normalen Zellen nichts abbekommen. svLAAO kommt häufig in den Familien Viperidae, Crotalinae und Elapidae vor, ist in Bungarus caerulus (Bild 3)sogar 25 Prozent der Proteine. (Tan et al, 2018)Tumorzellen können durch die zytotoxischen Effekten von Schlangengift zerstört oder degradiert werden. Krebsbehandlung heutzutage ist sehr teuer und hat viele negative Nebenwirkungen. Die Verzögerung von Krebszellen kann durch verschiedene Schlangengift Komponente hervorgerufen werden.

Antimikrobielle Nutzung

Antimikrobielle Peptide (AMPs) sind Moleküle die gegen verschiedene Mikroorganismen kämpfen können. Zu diesen Mikroorganismen gehören nicht nur Bakterien, aber auch Viren und Fungi. Da die Struktur von AMPs schlecht verstanden ist, ist es seither sehr schwierig sie synthetisch herzustellen. AMPs können in vier verschiedene Gruppen aufgeteilt werden: α-helikal, β-sheet, α-hairpin und Extended Peptide. Durch diese verschieden räumlichen Strukturen können die AMPs sich an verschiedene Zellmembrane binden und den Zelltod hervorrufen (Lysis). Der katonischen Membran von AMPs macht sie sehr nützlich bei Gram positiven und Gram negativen Bakterien, die einen negativ geladenen Lipid Membran besitzen. Die Isolierung von cathelicidin BF-30 AMP von B. fasciatus Gift zeigte eine höhere Effektivität gegen Bakterien als zwei verschiedene Antibiotika: getamicin und bacitracin. Vor allem bei E. coli, P. aeruginosa und S. aureus zeigte cathelicidin mehr Erfolg. Nach Behandlung mit BF30 zeigten Ratten, die mit P. aeruginosa infiziert waren, eine Reduktion von infizierten Organen. (Gomes de Oliverira Junior et al, 2013)Durch die Zunahme an Resistenz der Antibiotika, sind neue Methoden benötigt Bakterien zu bekämpfen. Vor allem gegen Gram positiv, so wie Staphylococcus aureus, und Gram negativ, so wie Pseudomonas aeruginosa, gibt es nur noch wenige Optionen. MRSA, Methicillin-resistent Staphylococcus aureus ist resistent gegen die meisten Antibiotika die man heutzutage findet.

Der Kampf gegen Antibiotikaresistenz

Schlangen Phospholipase A2 (PLA2) sind Proteine die aus 120-130 Aminosäuren bestehen und 7 Disulfid brücken haben. Die PLA2 sind in zwei Gruppen eingeteilt, IA und IIA. IA kommt von den Elapsid Schlangen, während die Viperidae und Croalid Schlangen zu IIA beitragen. IIA kann nochmal anhand der Aminosäure auf der 49. Position, Asp49 oder Lys49 aufgeteilt werden. Andere Enzyme, so wie Metalloproteinases und L-Amino Oxidasen, wurden auch schon von Schlangengift isoliert und bewiesen antimikrobielle Fähigkeiten zu haben. (Gomes de Oliverira Junior et al, 2013).Von der Familie Viperidae isolierten Forscher homologe Toxine zu dem Lys49 Phospholipase A2s (PLA2s) Toxin. Einer von diesen, isoliert von Crotalus oreganus abyssus (Bild 4), zeigte einen guten Kampf gegen antibiotika-resistente Bakterien. Dieses Toxin, CoaTx-II, hat fünf Peptide von denen eines einen signifikanten Effekt auf Bakterien hatte. Diese Peptide bestehen aus positiv geladenen, hydrophobe Aminosäure. Durch diese Eigenschaften hat das Toxin eine bestimmte Affinität für die Lipidmembran von Bakterien, welche er durchdringen und so zum Tod der Bakterien führen kann. pC-CoaTxII wurde synthetisch hergestellt, mit den gleichen Eigenschaften wie CoaTx-II gram positiv, gram negativ um multiresistente Bakterien zu bekämpfen. Schlangengift ist so durch die hohe Spezifität auch mit einer kleinen Dosis erfolgreich. (Almeida et al, 2018)

Anwendung in Schmerztherapie und Forschung

Die schon zuvor erwähnten sezernierten Phospholipasen des Typs A2 (sPLA2), welche zum Beispiel in Schlangen der Familie Elapidae und Viperidae, also Giftnattern und Vipern, vorkommen, haben eine hohe Bedeutung in biologischen Prozessen.sPLA2s wirken auf den Organismus in dem sie die hydrolytische Spaltung von Phospholipiden am zweiten Kohlenstoffatom katalysieren. Durch diese Spaltung werden Lysophospholipide und freie Fettsäuren, wie Arachidonsäure und Ölsäure sezerniert, welche als Vorläufer biologischer Signalmoleküle fungieren. Die Arachidonsäure wird zu Eikosanoiden, wie Prostaglandinen und Leukotrienen, umgebaut, welche eine große Rolle in verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen, wie dem Schlafrhythmus, der Immunantwort, Entzündungserscheinungen und dem Schmerzempfinden, spielen. Die Lysophoshoide, welche Vorläufer der Lysophosphaidsäure und des Plättchenaktivierungsfaktoren (PAF) sind, haben weitreichende Wirkung auf den Organismus als Signalmoleküle, unter anderem für Entzündungsreaktionen und Anaphylaxie. (Zambelli et al. 2017). Diese Voraussetzungen machen die aus Schlangengift gewonnenen sPLA2 für schmerztherapeutische Forschungen interessant. Zambelli et al. beschreiben in ihrer Übersicht die Wirkung des Neurotoxins Crotoxin aus dem Gift der Crotalus durissus terrificus, einer Klapperschlangenart. Dieses Heterodimer, bestehend aus dem sauren, nicht-enzymatischen Protein Crotoxin A (CA oder Crotapotin) und der basischen, toxischen Phospholipase A2 Cortoxin B (CB) entfaltet seine letale Wirkung hauptsächlich durch eine starke Blockade der neuromuskulären, präsynaptischen Übertragung. Doch auch kardiotoxische, nephrotoxische und myotoxische Aktivitäten wurden beobachtet. Neben diesen toxischen Eigenschaften wurde in Forschungen mit verschiedenen Verhaltensmodellen des Schmerzes festgestellt, dass Crotoxin eine antinozizeptive Wirkung, hervorgerufen durch die Aktivierung von muskarinischen, adrenergen und Formylpeptidrezeptoren, zeigt. Ebenfalls gibt es Belege einer immunmodulatorische und entzündungshemmende Wirkung.Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass gute Beobachtung der Schmerz- und Entzündungssymptome nach einem Schlangenbiss zu Studien mit dem Gift verschiedener Bothrops-Arten führte. Die dabei herausgefilterte Lys49-PLA2 zum Beispiel induziert die Freisetzung von ATP und K + aus Muskelzellen, was wiederrum zu Schmerzen durch Membrandepolarisierung an peripheren sensorischen Nerven führt. Dadurch erwiesen sich sPLA2s als gute Werkzeuge zum Verständnis der molekularen Mechanismen, welche zum Schmerzempfinden und zu Entzündungsreaktionen führen. Dies macht die aus Schlangengift gewonnenen Phospholipasen zu einem wichtigen Werkzeug für das pathophysiologische Verständnis anderer humaner Erkrankungen wie zum Beispiel Pankreatitis und Arthritis. Auch gibt es in vivo Studien mit hochpotenten und selektiven PLA2-Hemmern, welche giftbedingte lokale Gewebsschädigungen, wie Entzündungen und Schmerzen verhindern. So kann das Schlangengift und insbesondere die sPLA2s zur Entwicklung neuer Schmerzmedikamente beitragen können. (Zambelli et al., 2017)

Anwendung im Bereich der Hämostase

In dem Giftcocktail der Schlangen befinden sich sogenannte thrombin-ähnliche Enzyme (SVTLE – snake venom thrombin-like enzymes) welche eine wichtige Anwendung im Bereich der Hämostase finden. Je nach Wirkungsweise der einzelnen Komponenten lassen sich diese SVTLE gruppieren. Man unterscheidet zwischen Koagulanzen (Thrombin-ähnliche Enzyme und Prothrombin-aktivierende Toxine), Antikoagulanzen (Toxine, welche Protein C aktivieren), Inhaltsstoffe welche auf die Thrombozytenaggregation wirken, Hämorrhaginen, sowie fibrinolytischen Aktivatoren. (Marsh et Williams, 2005)Verschiedene Studien wurden durchgeführt um die therapeutische Verwendung der SVTLEs bei Myokard-Infarkten, ischämischen Schlaganfällen und thrombotischen Erkrankungen zu untersuchen. Ancrod, ein fibrinogenspaltendes Enzym, aus dem Gift der Malayischen Mokassinotter (Calloselasma rhodostoma) (Bild 5) zeigte zum Beispiel bei Patienten mit ischämischen Schlaganfall einen guten Nutzen mit nur moderatem Anstieg des Blutungsrisikos. Batroxobin aus den Giften der Bothrops atrox und der Bothrops jararaca, zweier amerikanischer Lanzenottern, hat eine gute therapeutische Wirkung bei ischämisch reperfunsionierten Ratten und klinischer in vivo Praxis. Daher werden Ancord, welches bei chronischen arteriellen Duchblutungsstörungen verabreicht wird, und Troxobin kommerziell hergestellt. (Castro et al., 2003)Des weiteren können SVTLEs, dank ihrer Eigenschaft Fibrinogen zu spalten und zu zersetzen, zur Untersuchung der Fibrinfunktion, einschließlich magnetischer Doppelbrechungsstudien des Fibrinzusammenbaus und Thrombin-abhängige Rückkopplungsaktivierung des Gerinnungssystems eingesetzt werden. (Marsh et Williams, 2005) Ein Beispiel dafür ist Reptilase, welches in der Laboratoriumsmedizin zum Nachweis von Gerinnungsstörungen eingesetzt wird.

Literaturverzeichnis

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Burin, S. M.; Menaldo, D. L.; Sampaio, S. V.; Frantz, F.G.; Castro, F. A. (2018): An overview of the immune modulating effects of enzymatic toxins from snake venoms. International Journal of Biological Macromolecules 109: 664-671

Castro, H. C.; Zingali, R. B.; Albuquerque, M. G.; Pujol-Luz, M.; Rodrigues, C.R. (2004): Snake venom thrombin-like enzymes: from reptilase to now. Cellular and Molecular Life Sciences 61: 843-856

Gomes de Oliverira Junior, N.; Henrique e Silva Cardoso, M.; Franco, O. L. (2013): Snake venoms: attractive antimicrobial proteinaceous compounds for therapeutic purposes. Cellular and Molecular Life Sciences 70: 4645-4658

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Mc Cleary, R. J. R.; Kini, R. M. (2013): Non-enzymatic proteins from snake venoms: A gold mine of pharmacological tools and drug leads. Toxicon 62: 56-74

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Zambelli, V. O.; Picolo, G.; Fernandes, C. A. H.; Fontes, M. R. M.; Cury, Y. (2017): Secreted Phospholipase A2 from Animal Venoms in Pain and Analgesia. Toxins 9: 406

Quellenverzeichnis

Abbildung 1: Pixabay

https://www.google.com/search?as_st=y&tbm=isch&hl=de&as_q=Inland+Taipan&as_epq=&as_oq=&as_eq=&cr=&as_sitesearch=&safe=images&tbs=sur:fc#imgrc=-S-77cv2saE5lM:

Abbildung 2: Wikimedia Commons

https://www.google.com/search?q=Agkistrodon+acutus&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwju6siAkd_aAhWHx6YKHRHJAH4Q_AUICigB&biw=1366&bih=635#imgrc=EN_fp2Cx8Slf4M:

Abbildung 3: Wikimedia Commons

https://www.google.com/search?as_st=y&tbm=isch&hl=de&as_q=Bungarus+caeruleus&as_epq=&as_oq=&as_eq=&cr=&as_sitesearch=&safe=images&tbs=sur:fc#imgrc=TjBZ7I3rgAsbPM: