Synthesis of Cyclic Guanidine Intermediates of Anatoxin-a(s) in Both Racemic and Enantiomerically Pure Forms

The alkyl chain of anatoxin-a(s) (cyclic guanidines), which can be used as an intermediate in the total synthesis of anatoxin-a(s), was synthesized in both racemic and enantiomerically pure forms. These enantiomerically pure cyclic compounds can be used as chiral inductors in some reactions. The two racemic routes disclosed herein have the advantages of high overall yield and mild reaction conditions. Both routes proceed through an intermediate 2,3-diaminoacid - an important synthetic scaffold - with good yields. Furthermore, the N,N-dimethyl-2(tosylimino)imidazolidine-4-carboxamide might be obtained from 2-(tosylimino)imidazolidine-4-carboxylic acid followed by selective reduction of the carbonyl functionality. All synthesized compounds were analyzed by mass spectrometry and (1)H NMR and (13)C NMR spectroscopy.

Methods for detection of anatoxin-a(s) by liquid chromatography coupled to electrospray ionization-tandem mass spectrometry

Anatoxin-a(s) is a potent irreversible inhibitor of the enzyme acetylcholinesterase with a unique N-hydroxyguanidine methylphosphate ester chemical structure. Determination of this toxin in environmental samples is hampered by the lack of specific methods for its detection. Using the toxic strain of Anabaena lemmermani PH-160 B as positive control, the fragmentation characteristics of anatoxin-a(s) under collision-induced dissociation conditions have been investigated and new LC-MS/MS methods proposed. Recommended ion transitions for correct detection of this toxin are 253 > 58, 253 > 159, 235 > 98 and 235 > 96. Chromatographic separation is better achieved under HILIC conditions employing a ZIC-HILIC column. This method was used to confirm for the first time the production of anatoxin-a(s) by strains of Anabaena oumiana ITEP-025 and ITEP-026. Considering no standard solutions are commercially available, our results will be of significant use for the correct identification of this toxin by LC-MS/MS. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of a cyanobacterial extract containing-anatoxin-a(s) on the cardiac rhythm of Leurolestes circunvagans

This work presents the effects of an anatoxin-a(s)-containing extract on a cockroach semi-isolated heart preparation and the results supporting the extract s biological activity on acetylcholinesterase (purified from ell). The presence of the toxin in cyanobacterial strains Anabaena spiroides (ITEP-024, ITEP-025 and ITEP-026) isolated from the Tapacurá reservoir in Pernambuco, Brazil, was confirmed by means of liquid chromatography coupled to an ion-trap mass spectrometer. The anticholinesterase activity was assessed biochemically by the Ellman test and was confirmed by measuring the cockroach s heart rate. The concentration of the extract containing the tested anatoxin-a(s) (antx-a(s)) (10, 16 and 100 μg.μL-1) inhibited the eel acetylcholinesterase (AChE) by more than 90%. The cockroach cardiac frequency increased by a maximum of about 20% within 29 min after the addition of 2.5x10³ μg of extract containing antxa (s).g-1 bw (n=9, p<0.05). Our results strongly indicate that antx-a(s) is capable of exerting biological effects on cockroach, indicating that more research might be conducted to determine its role in the environment, especially on insects.

Cyanobacteria and Cyanotoxin in the Billings Reservoir (Sao Paulo, SP, Brazil)

The Billings Complex and the Guarapiranga System are important strategic reservoirs for the city of Sao Paulo and surrounding areas because the water is used among other things, for the public water supply. They produce 19,000 liters of water per second and Supply water to 5.4 million people. Crude water is transferred from the Taquacetuba branch of the Billings Complex to the Guarapiranga Reservoir to regulate the water level of the reservoir. The objective of this study was to evaluate the water quality in the Taquacetuba branch, focusing on cyanobacteria and cyanotoxins. Surface water samples were collected in February (summer) and July (winter) of 2007. Analyses were conducted of physical, chemical, and biological variables of he water, cyanobacteria richness and density, and the presence of cyanotoxins. The water was classified as eutrophic-hypereutrophic. Cyanobacteria blooms were observed in both collection periods. The cyanobacteria bloom was most significant in July, reflecting lower water transparency and higher levels of total solids, suspended organic matter, chlorophyll-a, and cyanobacteria density in the surface water. Low richness and elevated dominance of the cyanobacteria were found in both periods. Cylindrospermopsis raciborskii was dominant in February, with 352 661.0 cel mL(-1), and Microcystis panniformis was dominant in July, with 1 866 725.0 cel mL(-1). Three variants of microcystin were found in February (MC-RR, MC-LR, MC-YR), as well as saxitoxin. The same variants of microcystin were found in July, but no saxitoxin was detected. Anatoxin-a and cylindropermopsin were not detected in either period. These findings are of great concern because the water in the Taquacetuba branch, which is transferred into the Guarapiranga Reservoir, is not treated nor managed. It is recommended that monitoring be intensified and more effective measures be taken by the responsible agencies to prevent the process of eutrophication and the consequent development of the cyanobacteria and their toxins.

Deteção do potencial cianotóxico em águas superficiais do Arquipélago dos Açores através de métodos moleculares

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, 12 de Fevereiro de 2016, Universidade dos Açores.

Aspectos toxicológicos e químicos da Anatoxina-a e seus análogos

Anatoxin-a and its analogues are azabicyclic alkaloids that represent one of the most powerful nicotinic agonists known for the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR). Because of this potent mechanism of action, anatoxin-a and its derivatives represent a target for the discovery of novel drugs. Their syntheses are useful for environmental monitoring and also for pharmacokinetic/pharmacodynamic and toxicological studies. Some strategies for the synthesis of anatoxin-a and analogous compounds are described herein, covering the period from 1996 to the present date. In this review, emphasis is given to the chemical and toxicological aspects of some variants of anatoxin-a, including homoanatoxin-a and anatoxin-a(s).

Determination of low tetanus or diphtheria antitoxin titers in sera by a toxin neutralization assay and a modified toxin-binding inhibition test

A method for the screening of tetanus and diphtheria antibodies in serum using anatoxin (inactivated toxin) instead of toxin was developed as an alternative to the in vivo toxin neutralization assay based on the toxin-binding inhibition test (TOBI test). In this study, the serum titers (values between 1.0 and 19.5 IU) measured by a modified TOBI test (Modi-TOBI test) and toxin neutralization assays were correlated (P < 0.0001). Titers of tetanus or diphtheria antibodies were evaluated in serum samples from guinea pigs immunized with tetanus toxoid, diphtheria-tetanus or triple vaccine. For the Modi-TOBI test, after blocking the microtiter plates, standard tetanus or diphtheria antitoxin and different concentrations of guinea pig sera were incubated with the respective anatoxin. Twelve hours later, these samples were transferred to a plate previously coated with tetanus or diphtheria antitoxin to bind the remaining anatoxin. The anatoxin was then detected using a peroxidase-labeled tetanus or diphtheria antitoxin. Serum titers were calculated using a linear regression plot of the results for the corresponding standard antitoxin. For the toxin neutralization assay, L+/10/50 doses of either toxin combined with different concentrations of serum samples were inoculated into mice for anti-tetanus detection, or in guinea pigs for anti-diphtheria detection. Both assays were suitable for determining wide ranges of antitoxin levels. The linear regression plots showed high correlation coefficients for tetanus (r² = 0.95, P < 0.0001) and for diphtheria (r² = 0.93, P < 0.0001) between the in vitro and the in vivo assays. The standardized method is appropriate for evaluating titers of neutralizing antibodies, thus permitting the in vitro control of serum antitoxin levels.

Analyse quantitative des cyanotoxines d'eau douce par LDTD-APCI-MS/MS

Avec la hausse mondiale de la fréquence des floraisons de cyanobactéries (CB), dont certaines produisent des cyanotoxines (CT), le développement d’une méthode de détection/quantification rapide d’un maximum de CT s’impose. Cette méthode permettrait de faire un suivi quotidien de la toxicité de plans d’eau contaminés par des CB et ainsi d’émettre rapidement des avis d’alerte appropriés afin de protéger la santé publique. Une nouvelle technologie utilisant la désorption thermique induite par diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique sous pression atmosphérique (APCI) et reliée à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) a déjà fait ses preuves avec des temps d'analyse de l’ordre de quelques secondes. Les analytes sont désorbés par la LDTD, ionisés en phase gazeuse par APCI et détectés par la MS/MS. Il n’y a donc pas de séparation chromatographique, et la préparation de l’échantillon avant l’analyse est minimale selon la complexité de la matrice contenant les analytes. Parmi les quatre CT testées (microcystine-LR, cylindrospermopsine, saxitoxine et anatoxine-a (ANA-a)), seule l’ANA-a a généré une désorption significative nécessaire au développement d’une méthode analytique avec l’interface LDTD-APCI. La forte polarité ou le poids moléculaire élevé des autres CT empêche probablement leur désorption. L’optimisation des paramètres instrumentaux, tout en tenant compte de l’interférence isobarique de l’acide aminé phénylalanine (PHE) lors de la détection de l’ANA-a par MS/MS, a généré une limite de détection d’ANA-a de l’ordre de 1 ug/L. Celle-ci a été évaluée à partir d’une matrice apparentée à une matrice réelle, démontrant qu’il serait possible d’utiliser la LDTD pour effectuer le suivi de l’ANA-a dans les eaux naturelles selon les normes environnementales applicables (1 à 12 ug/L). Il a été possible d’éviter l’interférence isobarique de la PHE en raison de sa très faible désorption avec l’interface LDTD-APCI. En effet, il a été démontré qu’une concentration aussi élevée que 500 ug/L de PHE ne causait aucune interférence sur le signal de l’ANA-a.

Nouvelles stratégies pour l’analyse des cyanotoxines par spectrométrie de masse

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles.

Cyanobacteria and Cyanotoxin in the Billings Reservoir (São Paulo, SP, Brazil)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Bakterielle Überexpression und Renaturierung der Ligandenbindungsdomäne der alpha-Untereinheit des nikotinischen Acetylcholinrezeptors aus Torpedo marmorata

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die 209 Aminosäuren umfassende N-terminale Ligandenbindungsdomäne (alpha nAChR1-209) der alpha-Untereinheit des nikotinischen Acetylcholinrezeptors aus Torpedo marmorata durch Expression der cDNA in Escherichia coli als Einschlusskörper hergestellt. Durch die Anwendung eines speziell optimierten Rückfaltungsprotokolls, bei dem auf den Einsatz von Detergentien verzichtet wurde, konnte die Ligandenbindungsdomäne in ein wasserlösliches, 25 kDa großes Protein überführt werden, das mit 15% alpha-Helix und 45% beta-Struktur Sekundärstrukturmerkmale trägt, die mit experimentellen und theoretischen Daten für die Ligandenbindungsdomäne der alpha-Untereinheit des nativen Rezeptors übereinstimmen. Das alpha nAChR1-209 Fragment liegt in einer homogenen Konformation vor und zeigt dem Rezeptor vergleichbare Eigenschaften, was die Bindung von alpha-Bungarotoxin und die kleiner Liganden (Nikotin, Anatoxin, Methyllycaconitin, Acetylcholin und Tubocurare) angeht. Das gilt sowohl für die Gleichgewichts- als auch für die Kintetikdaten. Die Affinitäten des Fragments für diese Liganden waren, verglichen mit denen für die solubilisierte alpha-Untereinheit, meist um ein bis zwei Größenordnungen besser. Es ist somit gelungen, die Ligandenbindungsdomäne so zu exprimieren und zu renaturieren, dass sie ohne Detergentien in löslicher Form vorliegt und die Funktionalität und die Eigenschaften der Ligandenbindungsdomäne des nikotinischen Acetylcholinrezeptors aufweist.

Cyanobacteria and Cyanotoxin in the Billings Reservoir (São Paulo, SP, Brazil)

The Billings Complex and the Guarapiranga System are important strategic reservoirs for the city of São Paulo and surrounding areas because the water is used among other things, for the public water supply. They produce 19,000 liters of water per second and Supply water to 5.4 million people. Crude water is transferred from the Taquacetuba branch of the Billings Complex to the Guarapiranga Reservoir to regulate the water level of the reservoir. The objective of this study was to evaluate the water quality in the Taquacetuba branch, focusing on cyanobacteria and cyanotoxins. Surface water samples were collected in February (summer) and July (winter) of 2007. Analyses were conducted of physical, chemical, and biological variables of he water, cyanobacteria richness and density, and the presence of cyanotoxins. The water was classified as eutrophic-hypereutrophic. Cyanobacteria blooms were observed in both collection periods. The cyanobacteria bloom was most significant in July, reflecting lower water transparency and higher levels of total solids, suspended organic matter, chlorophyll-a, and cyanobacteria density in the surface water. Low richness and elevated dominance of the cyanobacteria were found in both periods. Cylindrospermopsis raciborskii was dominant in February, with 352 661.0 cel mL(-1), and Microcystis panniformis was dominant in July, with 1 866 725.0 cel mL(-1). Three variants of microcystin were found in February (MC-RR, MC-LR, MC-YR), as well as saxitoxin. The same variants of microcystin were found in July, but no saxitoxin was detected. Anatoxin-a and cylindropermopsin were not detected in either period. These findings are of great concern because the water in the Taquacetuba branch, which is transferred into the Guarapiranga Reservoir, is not treated nor managed. It is recommended that monitoring be intensified and more effective measures be taken by the responsible agencies to prevent the process of eutrophication and the consequent development of the cyanobacteria and their toxins.