Andere bacteriën die botuline toxine kunnen produceren zijn C.butyricum, C.baratii en C.argentinense.

Het is een eiwit dat op zenuwcellen werkt. Voedsel dat besmet is met deze bacterie kan, door aanwezigheid van botuline toxine, de ziekte botulisme veroorzaken.

Botuline toxine is het meest potente gif dat bekend is, met een LD50 van ongeveer 0,005-0,05 µg/kg.

Desondanks wordt het gif ook in de medische wereld en cosmetische industrie toegepast; door de verlammende werking kan het gif spierspasmen tegengaan en de effecten van ouderdom verdoezelen. De bekendste merknaam is Botox, een samentrekking van ‘botuline toxine’, maar er zijn diverse andere producten op de markt.

Historie

Het belangrijkste risico van botuline is voedselvergiftiging door het eten van besmet voedsel.

Al zo vroeg als de 10e eeuw zijn er bronnen die (een deel van) de symptomen van botulisme beschrijven. Het eerste goed gedocumenteerde onderzoek naar botulisme is dat van de Duitse Justinus Kerner, dat hij tussen 1817 en 1822 uitvoerde.

Hij kwam op het spoor van het gif door het overlijden van verschillende groepen mensen aan voedselvergiftiging na het eten van besmette worst, maar kwam niet verder dan de definitie ‘worst-gif’. Wel begreep hij op basis van zijn experimenten dat het ging om een neurotoxine en vergeleek het effect op zenuwen met dat van roest op een elektrische geleider.

Hij bedacht ook de mogelijke therapeutische toepassing voor het gif.

Na de ontdekkingen van Kerner is er bijna tachtig jaar nauwelijks vooruitgang geboekt. In 1895 werd een groep begrafenismuzikanten ziek na het eten van gerookte ham. Microbioloog Émile Pierre Marie Van Ermengem, een oud-medewerker van Robert Koch, ontdekte in de ham en in histologische preparaten van de milt van enkele overleden muzikanten een onbeschreven anaerobe bacterie. Hij noemde deze bacterie Bacillus botulinus, wat later bijgesteld werd tot Clostridium botulinum.

Vanwege het werk van Kerner en Van Ermengem werd aangenomen dat botulisme alleen kon voortvloeien uit het eten van besmet vlees of vis, maar in 1904 werd in Duitsland een botulisme uitbraak veroorzaakt door ingeblikte witte bonen. Bij vergelijking bleken deze bacteriën significant te verschillen en ook toxines bleken verschillende serotypen. Pas in 1919 kregen deze bacteriënstammen de naam A en B, die nu nog steeds gebruikt worden.

Vanaf de jaren ’20 van de 20e eeuw is geprobeerd de toxine te isoleren, en dat is voor type A in 1946 gelukt door 2 afzonderlijke onderzoeksgroepen. In de loop van de jaren 50 en 60 werden ook de serotypen B t/m E opgezuiverd. F en G volgden in de decennia erna. In 1968 deed Alan B. Scott experimenten op primaten om de mogelijkheden van botuline A als geneesmiddel te testen.

In 1989 werd Botuline A door de FDA goedgekeurd voor toepassing in de VS bij strabismus en diverse lokale spierspasmen. In 2000 volgde hun goedkeuring van botuline B voor therapeutische toepassing en in 2002 is gebruik van botuline A voor cosmetische doeleinden toegestaan.

Medische toepassingen

Botuline Toxine wordt voor verschillende toepassingen in de medische wereld gebruikt.

Verreweg de meest bekende toepassing is de cosmetische, waarbij mensen een zogenaamde "Botoxbehandeling" ondergaan. Naast het gebruik voor cosmetische doeleinden wordt botuline ook gebruikt bij de behandeling van aandoeningen met verhoogde spierspanning en onwillekeurige spieractiviteit. Voorbeelden zijn spasticiteit, dystonie en hyperhidrose.

Therapeutische toepassing

Botuline toxine type A is de werkzame stof van de preparaten Botox, Dysport en Xeomin. Xeomin is in Nederland niet geregistreerd als geneesmiddel. Botuline toxine type B is de werkzame stof van Neurobloc. Het toxine wordt door producent Alergan Inc. (ged. handelsmerk Botox) of Ipsen (ged. handelsmerk Dysport) geproduceerd in kweken van Clostridium botulinum en geëxtraheerd uit de bacteriën door dialyse en zuivering.

Vervolgens wordt het in een oplossing met natriumchloride en humaan albumine steriel verpakt in flesjes. Er zijn flesjes met 50 en 100 units botuline te krijgen. Één unit staat gelijk aan de LD50 bij muizen na intraperitoneale toediening. De precieze concentratie botuline in een flesje Botox of Dysport wordt door de fabrikanten geheimgehouden.

Deze middelen worden in de geneeskunde gebruikt voor verschillende indicaties, zoals bepaalde vormen van dystonie (cervicale dystonie, blepharospasme), hyperhidrose en migraine, en is in onderzoek bij sfincter (kringspier) problemen, bijvoorbeeld bij problemen met het ledigen van de blaas. Het wordt toegediend door middel van een plaatselijke injectie. Botuline wordt in de geneeskunde door neurologen en revalidatieartsen gebruikt om spastische spieren te laten ontspannen, bijvoorbeeld bij patiënten die een hersenberoerte hebben gehad.

Cosmetische toepassing

Een ander toepassingsgebied is de cosmetische chirurgie.

De gebruikte middelen staan bekend onder de namen Botox Cosmetic en Vistabel. Cosmetisch wordt BTX toegepast om aangezichtsspieren selectief tijdelijk te verlammen en zo rimpelvorming te onderdrukken. Zo'n behandeling behoudt zijn werking gedurende ca. 3-4 maanden.

De prijs die hiervoor wordt betaald is natuurlijk een minder expressief gelaat.

Botuline mag worden toegediend aan volwassenen tussen 18 en 65 jaar oud, onder andere voor de tijdelijke vermindering van rimpels in het gebied tussen en boven de wenkbrauwen.

Toediening mag in Nederland alleen gebeuren door artsen, maar hoeft niet in een ziekenhuis te gebeuren. Cosmetische behandelingen worden vaak uitgevoerd in privéklinieken.

Door de fabrikant wordt afgeraden om vaker dan eens in de drie maanden een behandeling met botuline te ondergaan. Het effect van een behandeling houdt meestal tussen de 1 en 6 maanden aan.

Voordat botuline wordt ingespoten, dient er eerst een verdunning gemaakt te worden. Een flesje met 50 units Botox wordt gemengd met 1,25ml 0,9% NaCl-oplossing, een 100 unit flesje met 2,50ml. Zo ontstaat een uiteindelijke concentratie van 4 units per 0,1ml. Boven elke wenkbrauw worden 2 doseringen van 0,1ml ingespoten, de 5de dosis precies tussen de wenkbrauwen in. Per behandeling worden dus 20 units ingespoten.

Patiënten met Blefarospasme hebben last van spontane samentrekkingen van de ooglidspieren. Hierdoor knipperen ze vaak (hard) met hun oogleden. Door het inspuiten van een kleine hoeveelheid Botox in de spieren rond de ogen, worden de spieren verlamd en verdwijnen deze spiersamentrekkingen.

Patiënten met nek Dystonie hebben een neurologische aandoening, en daardoor last van motorische stoornissen, aanhoudende samentrekking van spieren of spiergroepen en/of herhaalde bewegingen in de nek. Behandeling met Botox zorgt ervoor dat de verkrampingen minder worden en als gevolg daarvan de patiënt minder pijn in zijn nek heeft.

Patiënten die Scheelzien kunnen ook behandeld worden met Botox. Bij deze behandeling wordt het Botox in een kleine dosis ingespoten in de spieren rondom het oog. Deze behandeling is veel minder ingrijpend dan een operatie waarbij de oogspieren chirurgisch worden verplaatst.

Mensen die lijden aan hevige oksel Hyperhidrose zweten overmatig onder de oksel. Een behandeling met Botox zorgt ervoor dat, door middel van een serie kleine injecties, het vrijkomen van de neurotransmitter Acetylcholine uit de zenuwcellen wordt geblokkeerd, waardoor het signaal dat naar de zweetklieren gaat om meer zweet te produceren stopt.

Experimentele studies worden gedaan naar mogelijke effecten van botuline-injecties bij patiënten met migraine of een whiplash. Voor het promoten van het off-label gebruik bij migraine kreeg de firma Allergan een boete in de USA van 600 miljoen dollar.

In Nederland legde de IGZ een boete op van 45000 euro.

Negatieve effecten en contra-indicaties

Behandelingen met botuline worden afgeraden wanneer de persoon ontstekingen heeft op de injectieplaatsen, of wanneer hij of zij overgevoelig is voor één van de ingrediënten van het mengsel.

Overgevoeligheidsreacties na behandeling met Botox komen zelden voor. Symptomen van deze reacties zijn anafylaxie, netelroos en kortademigheid.

Wanneer de persoon lijdt aan neurologische ziektes, in het bijzonder ziektes die te maken hebben met de motorische neuronen, wordt afgeraden om een behandeling met Botox te ondergaan. Effecten van een Botoxbehandeling bij deze mensen kunnen moeilijkheden met slikken en ademhalingsproblemen zijn.

Verder zijn er gevallen bekend van mensen met cardiovasculaire aandoeningen die te maken kregen met hartritmestoornissen en myocardinfarcten.

Doordat er tijdens de productie van Botox humaan albumine wordt toegevoegd, bestaat er een risico dat er virussen worden doorgegeven door de behandeling met Botox. Screening van donoren en processen tijdens de fabricatie maken dit risico zo klein mogelijk.

Na een behandeling kunnen de cliënten last krijgen van ptosis, hoofdpijn, longontsteking en misselijkheid. Minder frequent zijn pijn rond de injectieplekken, erytheem, een prikkelende of gevoelloze huid en spierzwakte. Dit laatste wordt veroorzaakt als het toxine zich verspreidt door de weefsels rond de injectieplaats.

Botuline wordt afgebroken door het immuunsysteem, er worden antilichamen tegen gemaakt. Hierdoor zwakt de werking van Botox geleidelijk af. Uit sommige studies blijkt dat een herhaalde toediening van Botox de respons van het immuunsysteem versnelt, zeer waarschijnlijk door de aanmaak van B-geheugencellen.

Ongelukken

Bij een ongeluk in 2004 in Amerika kregen een aantal mensen in een kliniek een verkeerde dosis. naar aanleiding hiervan heeft de FDA een onderzoek gedaan, waaruit kwam dat ongeveer 1000 personen een goedkopere vervanger hadden gekregen die niet voor mensen gebruikt mocht worden. Hieraan overleden 28 mensen.

Synthese, structuur en werking

Het toxine bestaat uit twee polypeptideketens, een 'zware keten' van 100 kd (kilodalton) die door een disulfidebinding gekoppeld is aan een lichte keten van 50 kd. De niet-toxische eiwitten bestaan uit hemagluttinerende en niet-hemagluttinerende eiwitten. Botuline wordt in de cel opgenomen bij de pre-synaptische membraan door endocytose, waarna de lichte keten die een enzym is een van de SNARE-eiwitten klieft en dit zo onwerkzaam maakt.Hierdoor wordt exocytose van acetylcholine bevattende vesikels (die de zenuwimpuls overdragen naar de motorische eindplaat van de spier) onmogelijk. Hierdoor kan de spier niet meer worden geactiveerd en ontstaat een slappe verlamming. Voor het uitschakelen van een motorische eindplaat is 1 molecuul botuline genoeg.

Synthese

Botuline neurotixines (BoNT’s) worden geproduceerd door de bacterie Clostridium botulinum als “single chain” eiwitten (het eiwit bestaat uit een enkele keten aminozuren) van ongeveer 150 kiloDalton (KDa).[17] Deze eiwitten kunnen opgedeeld worden in 7 toxinotypes, namelijk BoNT/A t/m BoNT/G, waarvan de types A, B en E toxisch zijn voor mensen.[18] Wanneer de toxines gesynthetiseerd zijn, worden deze geëxporteerd buiten de bacterie. Hier wordt de keten gekliefd in een “light chain” (Lc, ongeveer 50 KDa) en “heavy chain” (Hc, ongeveer 100 KDa). De twee ketens blijven met elkaar verbonden via een disulfidebinding.

De heavy chains van BoNT’s binden aan de presynaptische membraan van neuronen. Hiervoor is het C-terminale einde van de Hc verantwoordelijk, terwijl het N-terminale einde van de Hc zorgt voor translocatie van de light chain over het membraan (de light chain komt zo in het cytosol).

Het N-terminale uiteinde van de Hc is goed geconserveerd in de zeven verschillende toxinotypes, terwijl het C-terminale einde per toxinotype verschilt. De heavy chains van BoNT’s binden aan de celmembraan via een receptor. De heavy chains van de verschillende BoNT’s hebben waarschijnlijk verschillende receptoren, maar over de manier van binding en de structuur van deze receptoren is nog niet bekend voor alle toxinotypes. Van BoNT/A is bekend dat de heavy chain bindt aan sphingomyeline-rijke delen van de membraan waarop fosfoinositides (PIP’s, belangrijke intermediaren voor groeifactor- en vesiculair transport) voorkomen. Uit ander onderzoek is gebleken dat de heavy chain van BoNT/D bindt aan fosfatidylethanolamine (PE), een lipide dat zich bevindt in de membraan.

Het verschil in werking tussen de zeven toxinotypes van BoNT zit in de light chain. De light chain werkt als een zink-afhankelijke endopeptidase en klieft eiwitten van de SNARE families, waar door de Ca2+ gestimuleerde fusie van een synaptisch blaasje (met neurotransmitter) met de presynaptische membraan verstoord wordt. BoNT/B, BoNT/D, BoNT/F en BoNT/G klieven specifiek het “vesicle associated membrane protein” of VAMP in het kort.[20] Dit is een membraaneiwit voor kleine transportblaasjes en het wordt geknipt op verschillende enkelvoudige peptidebindingen. De andere BoNT’s hebben specifieke eiwitten als doelwit. BoNT/A en BoNT/E zijn verantwoordelijk voor het klieven van het synaptosome-associated protein (SNAP-25) en het specifieke doelwit voor BoNT/C is synapsin.

Synapsins zijn eiwitten die verantwoordelijk worden geacht voor het reguleren van de hoeveelheid beschikbare synaptische blaasjes. Het uiteindelijke gevolg van het klieven van deze eiwitten, gerelateerd aan neurotransmitter release, is dat er geen (of beperkte) neurotransmitterafgifte plaatsvindt.

Metabolisme

Er is weinig bekend over de toxicokinetiek van botuline. Wel is duidelijk dat het een hoge affiniteit heeft voor neuronen en dat er geen sprake is van metabole activatie. Dat wil zeggen dat het hele molecuul, zoals het in de bacterie gesynthetiseerd wordt, een toxische werking heeft. Wel is er bekend dat een vergiftiging met botuline toxine in de mens leidt tot activatie van het immuunsysteem en antistofproductie tegen het gif. Bij een mogelijke tweede vergiftiging kan het lichaam sneller reageren, omdat er B-geheugencellen aanwezig zijn.

Preventie en behandeling

Het toxine wordt door koken vrij snel geïnactiveerd. Tegen het toxine bestaan antisera die vrij effectief zijn. Deze schakelt het toxine uit, maar herstelt de neuronen die al zijn aangedaan niet. Het kan nodig zijn de vitale functies (ademhaling) te ondersteunen tot de spierfunctie hersteld is, wat weken kan duren.