Toxinologie je věda, která studuje vlastnosti jedů živočišného, rostlinného a mikrobiálního původu a toxický proces způsobený jejich otravou. Lze ji považovat za sekci toxikologie a také za interdisciplinární vědu [11]. Příjem, distribuce, metabolismus v těle, stejně jako mechanismus účinku některých toxinů , stejně jako existující a možné způsoby jejich použití, jsou studovány vojenskou toxikologií, protože tyto jedy mohou být použity jako chemické a biologické zbraně ( botulinum toxin atd.), stejně jako jedovaté látky pro sabotážní a teroristické účely [2,3,4,8]. Současně přírodní jedy ( toxiny) jsou široce používány v lékařství [9].
Zootoxikologie, fytotoxinologie, toxinologie mikroorganismů jsou hlavní sekce (složky) toxinologie, které studují toxický proces v důsledku porážky zvířat, rostlin a patogenů infekčních chorob jedy ( toxiny ), respektive chemickou povahu těchto jedů , jejich toxikokinetika a toxikodynamika [11]. Biologické zbraně na bázi toxinů jsou zbraně hromadného ničení a jsou zakázány Ženevským protokolem z roku 1925 [1] .
Zootoxinologie studuje vlastnosti toxinů, stejně jako toxikokinetiku a toxikodynamiku jedů prvoků (Protozoa), hub (Spongia), coelenterátů (Coelenterata), červů (Vermes), měkkýšů (Mollusca), pavoukovců (Arachnida), hmyzu (Insecta ), stonožky (Myriapoda), ostnokožci (Echinodermata), ryby (Pisces), cyklostomy (Cyclostomata), obojživelníci (Amphibia), plazi (Reptilia), savci (Mammalia) [11].
Největší zájem toxikologů (odborníků zabývajících se toxinologií) jsou tetrodotoxin , saxitoxin , palytoxin , batrachotoxin , hadí jed [3,8]. Tetrodotoxin se nachází v pohlavních žlázách mořských ryb (fugu, pufferfish, puffer fish) a orgánech řady dalších živočichů. Saxitoxin se ve vysokých koncentracích vyskytuje u mořských plžů Sacidomus giganteus a dalších, kteří jej přijímají spolu s planktonem, který obsahuje jednobuněčnou bičíkovci Dinoflagelata. Palitoxin izolovaný z korálových polypů Palythoa caribaerum. Batrachotoxin se nachází v kožních žlázách některých druhů jedovatých žab z rodu listolezců u některých ptáků z Nové Guineje) [2,8,10,11]. LD 50 těchto toxinů se u hlodavců pohybuje od 0,15 do 8 µg/kg. Tyto jedy narušují pohyb iontů v synaptických membránách [2,3,8,11]. Palytoxin tedy prudce zvyšuje uvolňování kationtů z axonálních a postsynaptických membrán. Tento jed má křečovitý účinek, který je nahrazen paralytickým stavem [2,11,12]. Tetrodotoxin a saxitoxin blokují uvolňování kationtů z iontových kanálů synaptických membrán. Při otravě těmito toxiny dochází k ochrnutí příčně pruhovaného svalstva bez konvulzivního syndromu [2,8,12]. Hadí jedy mají účinky podobné kurare (například bungarotoxiny hada Bungarus multicinctus z čeledi aspidovitých), hematovasotoxické a další [2,13].
Mezi jedy mikrobiálního původu patří toxiny téměř všech patogenních mikroorganismů: patogenní klostridie, které způsobují anaerobní infekci měkkých tkání končetin, trupu, lidského mozku, ale i další infekční onemocnění lidí a zvířat (ε-toxin - Clostridium perfringens, β -toxin a leukocidin - Clostridium perfringens , exotoxin - Clostridium oedematoides), původci listerelózy (toxin Listeria monocytogenes), záškrtu, enterokolitidy (enterotoxin A), pneumonie (Streptococcus pneumoniae), toxin cholery (cholerogen) atd. [7,14 ,15].
Exotoxiny botulinových bakterií (Clostridium botulinum) různých kmenů jsou směsi dvou bipolymerů - neurotropního α-toxinu (polypeptid) a hemaglutinačního α-toxinu (glykoprotein). Neurotropní složky se nazývají botulotoxiny. V současné době je známo sedm typů botulotoxinů (A, B, C, D, E, F, G), které jsou součástí exotoxinů botulotoxinů různých kmenů. Botulotoxiny všech typů jsou si navzájem podobné, pokud jde o povahu škodlivého účinku na organismus savců, i když se mezi sebou poněkud liší v primárních strukturách, stupni toxického účinku a imunogenních vlastnostech. Pro člověka jsou nebezpečné zejména botulotoxiny typu A, B, E a F, z nichž největší toxicitou se vyznačuje botulotoxin typu A. Krystalický neurotropní α-toxin typu A, izolovaný ve formě bezbarvých jehliček, je dvou -globule domény s molekulovou hmotností asi 150 tisíc Da obsahující až 1500 aminokyselinových zbytků. Toxicita botulotoxinu je dána působením dvou domén (A a B), které jsou navzájem spojeny jedním disulfidovým můstkem. Botulotoxin blokuje uvolnění (uvolnění, uvolnění) neurotransmiteru do synaptické štěrbiny, v důsledku čehož je přerušen interneuronální (neuromuskulární) přenos. Dochází k paralytickému efektu. Botulotoxiny vykazují vlastnosti periferních a centrálních myorelaxancií [14,15]. LD 50 botulotoxinu je 5×10 −6 mg/kg (myši, subkutánně), pro člověka je LD 50 5×10 −5 mg/kg (orálně) [8]. V roce 1975 byl botulotoxin typu A přijat americkou armádou pod kódovým označením „XR agent“ [3,4,8]. Navzdory biologické povaze toxinu se „XR agent“ týká složky chemických (spíše než biologických) zbraní [2,3,4]. Může být použit jako prvek zbraní hromadného ničení zeměmi, které nepodepsaly Úmluvu z roku 1993 o zákazu vývoje, výroby, hromadění a použití chemických zbraní ao jejich zničení ,
Exotoxiny tetanového bacilu (Clostridium tetani) jsou směsi dvou biopolymerů: neurotropního tetanospasminu (způsobující křeče centrálního původu) a hematotropního tetanolysinu (který ničí membrány erytrocytů). Tetanospasmin byl získán v amorfním a krystalickém stavu. Je to dvoudoménová globule s 1279 aminokyselinovými zbytky. Domény (A a B) jsou navzájem spojeny jediným disulfidovým můstkem. B-doména zajišťuje transport toxinu v těle, „rozpoznání“ biocíle (presynaptické membrány inhibičních neuronů míchy a mozkového kmene) a následný příjem na konkrétních místech této membrány. Největší nebezpečí představuje tetanospasmin, jehož působení vysvětluje škodlivé účinky tetanu, způsobené jak samotným exotoxinem, tak bakteriemi, které jej produkují [8,14,15]. LD50 tetanospasminu je 5× 10-6 mg /kg (myši, subkutánně), LD50 pro člověka je 3,4× 10-3 mg/kg (orálně). Když je myším subkutánně podána jedna LD50 , smrt nastane za 3-4 dny, u 500 LD50 - během 1 dne [8].
Stafylokokové exotoxiny jsou směsi biopolymerů. Schopnost způsobit otravu (škodlivá schopnost při použití pro vojenské účely) stafylokokovými exotoxiny je spojena s přítomností enterotoxinů v jejich složení (řecky enteros - střevo), způsobujících u postiženého (otráveného) gastrointestinální intoxikaci, která vede k dočasnému zneschopnění pracovní síla. Nejaktivnější jsou stafylokokové enterotoxiny produkované zlatým stafylokokem (Staphylococcus aureus) různých kmenů (A, B, C1, C2, D, E, F). Tyto bakterie jsou v přírodě široce rozšířeny a jsou odolnými aeroby. Při intoxikaci potravinovými stafylokoky je toxikodikamika exotoxinů způsobena působením hemolyzinů, které způsobují lýzu membrán erytrocytů; exfoliatiny, které přispívají k destrukci globulárních proteinů mezibuněčné tekutiny; enterotoxiny, které selektivně narušují propustnost stěn krevních kapilár pronikajících epitelem tenkého střeva a současně stimulují emetické centrum mozku (zodpovědné za dávivé reflexy). Latentní období je 0,5-6 hodin, poté se objevují následující příznaky léze: bolest břicha, nadměrné slinění, nevolnost, zvracení, nekontrolovatelný krvavý průjem (průjem); postupné snižování krevního tlaku, celková slabost, pokles tělesné teploty; prudký pokles krevního tlaku, útlum aktivity centrálního nervového systému, hluboká hypotermie (pod 35 °C). Symptomy léze jsou stejné pro jakoukoli cestu vstupu exotoxinu do těla (inhalační, subkutánní, orální). [14,15].
Exotoxin ve formě prášku (produkovaný Staphylococcus aureus typu B) může být použit pro vojenské a teroristické účely k dočasnému zneschopnění pracovní síly na jeden den nebo déle [8].
Mykotoxiny (z řeckého μύκης, mykes, mukos - "houba"; τοξικόν, toxikon - "jed") jsou toxické metabolity mikroskopických hub (plísní), které uvolňují do vnějšího prostředí. Vyvíjejí se na rostlinách, v půdě, potravinářských produktech i na živných půdách v podmínkách umělého pěstování. V současné době je známo asi 250 druhů různých mikroskopických hub, které produkují více než 100 toxických metabolitů [8, 15]. Konzumace mouky obsahující žitné námelové alkaloidy vedlo k vážnému poškození organismu, které mělo charakter epidemie. Téměř všechny rostliny mohou sloužit jako substráty pro růst a následnou tvorbu mykotoxinů. Vzniká tak možnost kontaminace prostředí, která může vést ke zranění osob. Mykotoxiny jsou zajímavé pro vojenské účely [8]. Hlavní typy nejběžnějších a nejaktivnějších mykotoxinů jsou: substituované kumariny (aflatoxiny, ochratoxiny); trichoteceny; alkaloidy (deriváty kyseliny lysergové); deriváty pyranu (citrinin, patulin) [8].
Aflatoxiny produkují patogenní houby rodu Aspergillus. Přírodními substráty těchto hub jsou arašídy, kukuřice, další obiloviny a luštěniny, semena bavlny, různé ořechy, některé druhy ovoce a zeleniny. Aflatoxiny jsou chemicky odvozeny ze substituovaných kumarinů nebo furokumarinů. Aflatoxiny jsou krystalické látky s bodem tání nad 200 °C. Při běžném technologickém nebo kulinářském zpracování kontaminovaných potravinářských výrobků prakticky nedojde k jejich zničení [8]. LD 50 aflatoxinů pro různá zvířata se pohybuje od 0,3 do 18 mg/kg (orálně). Mají hepatotropní, karcinogenní, mutagenní, teratogenní a imunosupresivní účinky [8].
Ochratoxiny A, B a C jsou isokumariny spojené peptidovou vazbou s L-fenylalaninem. Poprvé izolovaný v Jižní Africe. Mají nefrotoxické, teratogenní a karcinogenní účinky. Při akutním působení je postižen gastrointestinální trakt a játra. LD 50 pro různá zvířata se pohybuje od 3 do 13 mg/kg (orálně) [8].
V současnosti je známo více než 40 trichothecenových mykotoxinů (jejichž producenty jsou především mikroskopické houby rodu Fusarium). Přírodní trichoteceny jsou bezbarvé krystalické látky s teplotami tání 130–230 °C. LD50 T -2 toxinu pro myši je 5,2 mg/kg (IM), 7,0 mg/kg (orálně). Trichotheceny nejsou rychle působící toxiny. Když je krysám podána letální dávka toxinu T-2, smrt nastane po 8 hodinách a první známky poškození jsou pozorovány po 6 hodinách. Trichothecenové mykotoxiny ovlivňují všechny orgány a systémy těla, mají teratogenní a karcinogenní účinky. Nejvíce je postižen centrální nervový systém. Příznaky akutní intoxikace: průjem, nevolnost, zvracení, pokles tělesné teploty, snížená motorická aktivita. O den později nastává stav podobný stavu po těžké intoxikaci. Při dlouhodobém používání tzv. „opilého chleba“ (vyrobeného z obilí napadeného mykotoxiny) dochází u lidí k vyčerpání, ztrátě zraku a duševním poruchám. U zvířat jsou charakteristické příznaky otravy odmítání krmení (zejména u prasat a koní), zvýšená dráždivost s následnou slabostí a inhibice reflexů [8].
Otrava mykotoxiny produkovanými houbou Claviceps purpurea, která kontaminuje obilné produkty, je nejstarší známou mykotoxikózou lidí a zvířat. Claviceps purpurea infikuje mnoho (více než 150 druhů) divoké a pěstované obiloviny, včetně žita, ječmene, ovsa a pšenice. Tyto mykotoxiny jsou převážně deriváty kyseliny lysergové (asi 30 sloučenin). Křečová klinická forma je doprovázena křečovým syndromem a průjmem. U gangrenózní formy vzniká suchá gangréna, rejekce měkkých tkání, často i celých končetin (často dolních) v místech kloubních kloubů. Toxicita se mění a dosahuje LD 50 ergotoxinů je 40 mg/kg (ip, myši) [8].
Citrinin byl poprvé izolován z kultury Penicillum citrinum v roce 1931. Žlutá krystalická látka s teplotou tání 170–171 °C. Citrinin se často vyskytuje jako přírodní kontaminant potravinářských surovin a krmiv (pšenice, ječmen, oves, žito, arašídy, kukuřičná mouka). Citrinin má výrazný nefrotoxický účinek. Patulin byl poprvé izolován z kultury Penicillum patilum. Vysoce toxický, mutagenní a karcinogenní. Houby produkující patulin postihují především ovoce (nejčastěji jsou postižena jablka) a některé druhy zeleniny. Otravu provází poškození trávicího traktu, plic, jater, ledvin a sleziny. LD 50 patulinu pro myši je 10–15 mg/kg (subkutánní injekce) [8].
Existuje obrovské množství různých rostlinných druhů obsahujících toxiny s různou toxikokinetikou a toxikodynamikou. Rostlinné jedy zahrnují alkaloidy a glykosidy , stejně jako velké množství různých typů chemických sloučenin (od jednoduchých - HCN nebo FCH2COOH - až po proteiny a peptidy). Řada z nich se používá k výrobě léků, nicméně existuje možnost využití řady toxinů pro vojenské účely [1,5,6].
Ricin je toxoalbumin rostlinného původu. Obsaženo ve skořápce ricinových semen (0,1 %). Koláč zbývající po výrobě ricinového oleje obsahuje 3 % ricinu. Letální dávky ricinu pro různá zvířata se pohybují od 1 do 100 µg/kg [3,4,8]. Ricin se skládá z 18 aminokyselin, které tvoří dva polypeptidové řetězce. Jsou navzájem spojeny prostřednictvím pyridinového kruhu. Mechanismus účinku je spojen s destrukcí molekuly toxinu uvnitř buňky a uvolněním A-řetězce, který ovlivňuje ribozomy (60-S podjednotky), funkce informační, transfer RNA, aminoacyl-transport RNA syntetázy, proteinové faktory podílejí se na syntéze polypeptidového řetězce a také na dokončení tohoto procesu. Ricin blokuje prodlužování polypeptidových řetězců vytvořených na ribozomech, což má za následek narušení syntézy proteinů v buňce vede k její smrti [4]. 18-24 hodin po vstupu ricinu do těla se objeví hemoragická enterokolitida , poté se objeví slabost, horečka, porucha zrakové ostrosti, křeče. Druhý nebo třetí den se rozvine paralytický stav a nastává smrt. Jed je schopen způsobit aglutinaci erytrocytů, což vede k narušení mikrocirkulace v různých orgánech [3,4,8].
Abrin je vysoce toxický protein, který se nachází v semenech indické lékořice. Je o něco toxičtější než ricin, ale mnohem méně dostupný [8].
Šípový jed kurare , který jihoameričtí indiáni získávali z kůry Chondodendron tomentosum, je předchůdcem moderních smíšených zbraní. Způsobuje paralýzu kosterního svalstva, dysfunkci zrakových a sluchových analyzátorů. Sloučeniny na bázi jedu kurare jsou široce používány v lékařství, k odchytu divokých zvířat a mohou být použity pro vojenské účely [5,8].
Akonitin je alkaloid extrahovaný z rostliny modrého zápasníka (Aconite). Vězni z koncentračních táborů nacistického Německa, kteří byli zraněni akonitinovými kulkami, zemřeli do dvou hodin na těžkou intoxikaci nervově paralytického typu [16].
Toxiny rostlinného původu, které lze použít pro vojenské účely, zahrnují strychnin , brucin , bibukulin , pikrotoxin [8].
Cerberus (Cerbera odollam) z čeledi kutrovye (Apocynaceae) je poměrně běžná rostlina, za jejíž domovinu je považována Indie. Roste však i ve Vietnamu, Kambodži, Srí Lance, Myanmaru a na tropických ostrovech Tichého oceánu. V Indii se Cerbera odollam nazývá othalanga maram (othalanga maram) nebo v tamilštině kattu arali (kattu arali). Na východě je jeho areál omezen na Francouzskou Polynésii. Všechny části Cerbera odollam jsou vysoce toxické, nicméně největší množství toxinu se nachází v oleji ze semen. Olej ze semen obsahuje alkaloid cerberin, který je svou strukturou podobný digoxinu, toxinu digitalisu (digitalis), a také glykosid cerberosid. Tyto jedy inhibují buněčnou Na+/K+-ATPázu interakcí s alfa podjednotkou enzymu. Hromadění sodíkových iontů uvnitř buňky vede ke zvýšení intracelulárního vápníku. Cerberin a cerberosid způsobují postupné zpomalování srdečního tepu až do jeho úplného zastavení. Smrt nastává 3-4 hodiny poté, co jed vstoupí do těla. Nejaktivnějším toxinem je cerberin. Pokud se navíc o použití Cerberu u obětí nevědělo, je prakticky nemožné určit příčinu zástavy srdce [17].