Nicotiana spp. Uppsala universitet Apotekarprogrammet Institutionen för läkemedelskemi Avdelningen för farmakognosi Farmakognosi 5 p VT 2004

Transkript

1 Uppsala universitet Apotekarprogrammet Institutionen för läkemedelskemi Avdelningen för farmakognosi Farmakognosi 5 p VT 2004 icotiana spp. Författare: Handledare: Gustav Karlsson Patricia H Wahlgren Anders Backlund Sid 1 (7)

2 1. amn ikotin är uppkallat efter den franske ambassadören Jean icot från Portugal. icot introducerade tobaken i en form av luktsnus år 1560 vid det franska hovet. Artnamnet tabacum är det indianska namnet på tobak och icotiana tabacum tillhör familjen Solanaceae, potatisväxterna (Anderberg, Den virtuella floran 2004). 2. Moderorganismen icotiana växer naturligt i tropiska delar av Amerika och Australien. Växterna kan förkomma i ruderatmark (schaktmassor eller jordhögar). ikotinet förkommer i hela plantan och den totala nikotinkoncentrationen motsvarar 5 %. Den största koncentrationen är dock i bladen. Plantan har karaktäristiska blad med klibbiga hår. Arten bondtobak (. rustica) karaktäriseras även av gula blommor med trubbiga kronflikar. (Anderberg, A. Den virtuella floran 2004.) 2.1 Beskrivning. Den så kallade virginiatobak är vanligtvis en ettårig, körtelhårig ört som kan bli upp till två meter hög. Stjälken är enkel eller sparsamt grenig. Bladen är långa och lansettlika, där bladkanten är helbräddad. Bladskaften är vingkantade och stjälkomfattande. Virginiatobaken blommar mellan augusti och september. Blommorna är smutsröda och sitter i klaslika knippen i stjälkens topp. Fodret är klocklikt med smala foderflikar. Kronan är smalt trattlik, med lång och smal pip, de fem kronflikarna är utbredda och spetsiga. Frukten är en kapsel som är slät och mångfröig. Kromosomtal: 2n=48(Anderberg, Den virtuella floran 2004). 2.2 Odlings förfarande Tobaksplantorna planteras för hand. De kräver behandling med pesticider på grund av hög exponering för svamp, virus, bakterier och insekter. Under tillväxtfasen beskärs plantorna för att förhindra blomning och fruktproduktion, som tenderar att tömma kväve- och fosfor från bladen. Plantorna skördas genom att bladen plockas individuellt alternativt genom att hela plantan skärs ned. Inför tobaksproduktion torkas vanligtvis bladen( Klein, 1979). 3. Historisk användning ikotin har dock nyttjats som njutningsmedel under en mycket lång tid, i form av röktobak. Man har funnit stenritningar från mayakulturen som visar tobaksrökning. Bruk av nikotin kunde även förekomma genom att bladen tuggades. På 1880-talet uppfanns dock cigarettmaskinen, och cigarrettrökningen föddes (Klein, 1979). 4. Drogen ikotin syntetiseras i tobaksplantans rötter och förs troligtvis vidare med floemet till bladen där det ackumuleras. är bladen blivit fullt utvecklade är koncentration som högst. Anabasine en isomer till nikotin och bildas som en sekundär alkaloid i icotiana tabacum. Medan den utgör den primära alkaloiden och i. Rustica. Anabasine utgör emellertid den primär alkaloid i.glauca. Tillsammans med svavelsyra bildar nikotinet en potent insekticid, nikotinsulfat Genom växtförädling av tobaksplantan har kloner utan nikotinproduktion erhållits. Dessa saknar emellertid inga metaboliska eller reproducerbara defekter. Sid 2 (7)

3 5. Kemi 5.1 Biosyntes av nikotin Pyridin ringen kommer från 3-fosfatglyceraldehyd och aspartansyra. Pyrrolidin ringen bildas från aminosyran ornithin (fig. 1). Metylgruppen kommer från metionin och dekarboxyleringen av ornithin katalyseras av ornithin karboxylas. Den oxidativa deamineringen av -methylputrescin katalyseras av diamine oxidas och bilder -methyl-gamma-amino butanal som spontant cykliseras till 1-methyl-delta 1 pyrrolinium katjon som reagerar med 1,2- dihydropyridin. Produkten oxideras till nikotin. (Samuelsson, 1999) C OO H H2 H2 H2 H2 H CH 3 Ornithine Putrescine -Metylputrescine O C H H C H 3 H + -metyl-pyrrolinium katjo -Metyl-gamma-aminobutanal CH 3 COOH ikotinsyra Fig.1 Biosyntes av nikotin H + OH O Dihydronikotinsyra.. 1,2-Dihydropyridin H CH 3 ikotin 6. Farmakologi 6.1 Farmakodynamik I det centrala nervsystemet och det perifera nervsystemet förekommer nikotinerga receptorer. I det perifera nervsystemet förekommer dessa framför allt presynaptiskt och stimulering resulterar i sympatiskt påslag på hjärta, blodkärl, andningsvägar och skelettmuskulatur. I låga koncentrationer stimulerar nikotin nervcellerna medan vid höga koncentrationer kommer nikotinet att paralysera nervcellerna, och interferera med transmissionen av nervsignaler. Detta sker genom att bindning till receptorer som resulterar i ökad frisättning av framför allt noradrenalin. ikotin är kraftigt beroendeframkallande och dessutom giftigt i större mängder(fass, 2001). Sid 3 (7)

4 6.2 ikotinreceptorn ikotinreceptorn består av fem subenheter med en stor hydrofob extracellulär domän, där både β och α bidrar till de farmakologiska effekterna. ikotinerga receptorer har även ett flertal bindnings siter (Warpman, 1997). 6.3 Farmakokinetik ikotin metaboliseras till flera mindre aktiva metaboliter i levern, men även i lungorna och njurarna. Kotinin är den vanligaste metaboliten och har en halveringstid på timmar, varefter den oxideras till trans-3 -hydroxikotinin. Både nikotin och kotinin utsöndras som glukuronidkonjugat. 6.4 Absorption Absorptionen sker vanligtvis genom mun- och lungslemhinnor vid inhalation, men även genom mag- och tarmmucosa vid peroral tillförsel. Vid konsumtionen av föda såsom kaffe, juice eller läsk kommer ph i munhålan att sänkas vilket leder till att absorptionen av nikotin att minskar (FASS, 2001). 6.5 Elimination Halveringstiden för nikotin är 1-4 timmar beroende på administrering. Eliminationen sker via njurarna och urinen. Storleken av utsöndringen beror ph, utsöndringen ökar vid lågt ph (FASS, 2001). 7. Klinisk erfarenhet Kotinin har används som ett biologisk mått på passiv rökning, och kan spåras i kroppen 2-3 dagar efter exponering för nikotin. ackdelen med kotinin är att det endast visar rökexponeringen 2-3 dagar före provtagningen och bieffekterna av rökning uppkommer efter en längre tids exponering. Detta har gjort att det är viktigt att hitta en markör som återspeglar rökexponeringen över ett längre tidsperspektiv. y forskning har visat att nikotin lagras upp i tånaglar och detta skulle kunna användas som en effektiv biomarkör (Hafström, 2003). 8. Biverkningar och toxikologi 8.1 Verkningsmekanism ikotinreceptorer är lokaliserade till neuromuskulära ändplattor och perifera autonoma nervknutar. ikotin ökar frisättningen av flera signalsubstanser bland annat acetylkolin från cortex och hippocampus, dopamin från striatum och hippocampus, noradrenalin från hippocampus samt serotonin från cortex.. Hippocampus ligger i tinningsloben medan striatum motsvarar mellanhjärnan (Warpman, 1997). Centralt leder bindning av acetylkolin till receptorn resulterar bland annat i förändrad frisättning av dopamin, serotonin, ACTH, prolaktin, GSH, kortisol samt antidiuretiskt hormon. Höga doser av nikotin tenderar att blockera impulstransmissionen, vilket kan ge andningsförlamning. Låga doser underlättar emellertid transmissionen, vilket leder till muskelrelaxation (Larsson, 1985). En lång tids exponering för nikotin resulterar i ett ökat antal nikotinerga receptorer i hjärnan hos människan men även i andra arter. Postmortem studier med [ 3 H] har visat ett ökat antal nikotin och acetylkolin bindningsställen hos rökare jämfört med icke-rökare. Antalet ökade bindningsställen korrelerade även med antalet rökta cigaretter. Fenomenet påvisar därmed nikotinets beroendeframkallande egenskaper (Paterson and ordberg, 1999). Sid 4 (7)

5 8.2 Akuta och kroniska biverkningar ikotin ger vanligtvis biverkningar som yrsel och illamående vid en direkt/indirekt inhalering av cigarettrök. Vid långtidsbruk av nikotinprodukter ges ett abstinensbesvär med karaktäristiska besvär som nedstämdhet, sömnlöshet, irritabilitet, frustration, aggressivitet, oro, rastlöshet, otålighet och koncentrationssvårigheter om inte kroppen får exponeras för nikotin. Personer som har röt under en lång tid drabbas oftast av fysiologiska symtom som: takykardi, bradykardi, andningssufficiens, svettningar, kräkningar, kramper och buksmärtor. Vid en överdosering av nikotin är erfarenheten begränsad, generellt gäller att behandling består av ventrikeltömning och tillförsel av kol. Annan symtomatisk behandling bör även ske, som behandling med betareceptorblockare vid kramper. Letal dos av nikotin är mg (FASS, 2001). 9. Medicinsk användning 9.1 Rökavvänjning ikotin finns att tillgå i tuggummin, nässpray och som plåster för rökavvänjning (FASS, 2001). 9.2 Derivat med terapeutisk användning ikotinsyra har terapeutisk användning mot hyperlipidemi, genom att den kan förändra metabolismen i fettvävnad, muskler och lever. ikotinsyra verkar genom att öka mängden hög densitets lipider och minska mängden låga densitets lipider cirkulerande i blodbanan. Mekanismen utgörs framför allt av minskad frisättningen av väldigt låga densitets lipider från levern. Det verkar även som om nikotinsyra hämmar frisättning av fettsyror från fettvävnad som också leder till minskad cirkulation av fettsyror i blodbanan. In vitro observeras dock även en ökad lipolys orsakad av katekolaminer. ikotinsyra ökar även glykogenesis och glykolysen, detta sker bland annat i hjärtat, skelett muskler, njurar och fettvävnad medan den är oförändrad i hjärnan. Serumkoncentrationerna av flera apoliproteiner tenderar också att minska. Detta resulterar i minskad bildning av arterosklerosa plack och minskar därmed risken för stroke (Wahlberg, 1993). 10. Andra användningsområden 10.1 Insekticid ikotin används till sitt ursprungliga ändamål, det vill säga som insekticid inom trädgårdsskötsel. ikotin är väldigt toxiskt för människor och djur och letala dosen motsvarar mg/kg för råttor. Då insekterna tar upp nikotinet drabbas de av paralysis orsakad av motorneuronen blockering(ecobiochon, 2001). 11. Plantornas skyddsmekanismer Växter har utvecklat mekanismer som skyddar mot angrepp av patogener. Förutom fysiologiska barriärer skyddas växterna mot potentiella skadeangripare, genom bildning av sekundära metaboliter vilka ger upphov till biokemiskt respons. Vid överkänslig respons (HR) orsakat av patogener aktiveras specifika gener som kodar för bland annat phytoalexin syntes och andra proteiner som är viktiga vid patogenesis, innan aktivering av apoptos, PCD. Meningen med HR är framför allt att skydda mot oxidativa skador samt begränsa skadorna. Vid HR bildas reaktiva syreföreningar (ROS). Dessa kan interagera med cellulära makromolekyler och ge upphov till skada på biologiska vävnader. Det finns därför ett väl utvecklat system av bland annat enzymer som tar hand om ROS. Hos icotiana tabacum har man funnit en ökad resistans hos mot oxidativ stress genom ett ökat uttryck av Cu/Zn SOD som är kopplat till en ökning av askorbatperoxidase, APX. Sid 5 (7)

6 Skyddsenzymet APX ökar troligtvis som ett svar orsakat av ökad produktion av H 2 O 2. I blad av tobak utsatta för Tabacco mosaic virus observeras en ökning av APX mra, trots detta är enzymaktivitet undertryckt i de infekterade cellerna, troligtvis orsakade av transkriptionella och post transkriptionella faktorer. En ackumulering av ROS verkar emellertid nödvändig för effektivt förvar. Produktion av O tyckes också vara en konsekvens av exponering för patogener. I tobakskulturer stimuleras PCD vid behandling med O och H 2 O 2, vilket indikerar att nedreglering av APX är kopplat till PCD. Eftersom det aktivt forskas runt denna fråga råder det oklarheter om de ökad ROS koncentrationerna genereras för att öka aktiviteten av ROS detoxifierande enzymer och biosyntes eller generering av antioxidanter. Förekomsten skulle även kunna vara ett viktigt steg i aktiveringen av patogenets försvar. Genom förståelse och kontroll av dessa mekanismer, skulle genreglering av agronomiska nyttoväxters känslighet för patogener kunna minskas, som kan ge många ekonomiska fördelar. Det är dock oklart om mekanismerna är artspecifika eller om aktiveringen är ett gemensamt immunologiskt svar. Dessa frågor kommer förhoppningsvis forskningen att besvara inom en snar framtid (De Gara et al. 2003). 12. Aktuell forskning kring nikotin En selektiv förlust av α4β2 nikotin receptorer har stor betydelse för utvecklandet av Alzheimers sjukdom. En ny terapeutisk strategi skulle därför eventuellt kunna utgöras av nikotinerga agonister med nikotin som utgångsmodell. Idag utgörs dock behandlingen framför allt av acetylkolinesterashämmare. ikotin har emellertid påvisat förbättra kognition vid behandling av såväl friska personer som patienter med AD. ikotinagonisten ABT 418 har i in vitro studier blockerat den glutamatinducerade neurotoxiciten via nach receptorer. De nikotinerga agonisterna måste emellertid vara subtypspecifika vid läkemedelsframtagning, detta för att minimera de omfattande biverkningar från stimulering av andra nikotinerga receptorer (Warpman, 1997). Forskning kring nikotinets toxicitet vid graviditet utreds. ya rön pekar på att nikotinet i cigarettrök interfererar med utvecklingen av nervsystemet. I livmodern binder nikotinet till nikotinerga receptorer och förändrar cellproliferation och differentiering som i slutändan påverkar utvecklandet av fostrets hjärna. Exponering för nikotin hos fostret leder till uppreglering av bindningssiter hos de nikotinerga receptorer, som leder till en abnorm utveckling av synaptisk aktivitet. Förändringarna resulterar i cellförluster och ger slutligen upphov till neuronala skador. Låga koncentrationer av nikotin är farligt, då nikotin koncentration är 15 % högre hos fostret än hos med modern (Karen et al. 2003). Sid 6 (7)

7 Referenser De Gara, L., de Pinto, M., Tommasi, F. The antioxidant systems vis-á-vis reactive oxygen species during plantpatogen interaction. Plant Physiology and Biochemistry, vol; 41; 10, 2003, pp Ecobiochon, J. D. Toxic Effects of Pesticides in Kaassen, C. D. (ed.), Casarett and Doull s Toxicology: The Basic Science of Poisons, McGraw-Hill Companies Inc 2001 Hafström, O. ikotin i tånagel. Lakartidningen, vol 100; 14, 2003 Karen, L. Law, L. R. Stroud, L. L. LaGasse, R.. Jing, L. Barry M. Lester. Smoking during pregnancy and newborn neurobehavior. Pediatrics, vol 111; 6, 2003 Klein, R.M. The green world an introduction to plants and people, Harper and Row Publishers 1979 Larsson, C. icotine receptors in central nervous system: methodological and functional aspects. Reproc. HSC Paterson D. ordberg A. euronal nicotinic receptors in the human brain, Progress in eurobiology, vol 61, pp Samuelsson, G. Drugs of atural Origin: A Textbook of Pharmacognosy, Swedish Pharmaceutical Society, Swedish Pharmaceutical Press: Stockhom, Sweden 1999;4 th ed. Wahlberg, G. Effects of nicotinic acid on lipoprotein fatty acid and glucose metaboism in patients with hyperlipoproteinemia. Karolinska institutet, Stockholm 1993 Warpman, U. icotinic and muscarinic receptors in alzheimers disease. Reprocentralen, HSC 1997 FASS, 2001 Webbsidor Anderberg, A. Den virtuella floran, 2004 URL: Hjart-lungfonden.se/sakomraden/article.asp Sid 7 (7)