Epibatidin ist ein hochgiftiges chlorsubstiuiertes Alkaloid, das im Sekret der Hautdrüsen von Baumsteigerfröschen der Gattung Epipedobates in Ecuador vorkommt.
Eigenschaften mini|links|Dreistreifen-Baumsteiger Epibatidin wird von Baumsteigerfröschen durch die Nahrung (Insekten) aufgenommen und in der Haut eingelagert (sequestriert). Dadurch werden Fressfeinde abgehalten.D. R. Dos Santos Arraes, A. B. Rodrigues, P. R. Sanches, C. E. Costa Campos, S. S. Moreira da Silva de Almeida, J. Reis Ferreira Lima, J. Dias Lima, G. A. da Silva: Bioactive alkaloids from the venom of Dendrobatoidea Cope, 1865: a scoping review. In: Journal of Toxicology and Environmental Health. Part B, Critical Reviews. Band 27, Nummer 1, Januar 2024, S. 1–20, doi:10.1080/10937404.2023.2270408, PMID 37889647. Strukturell ist Epibatidin – wie das Nicotin – ein Derivat des Pyridins, genauer ausgedrückt ein Pyrrolidinylpyridin.
Epibatidin hat drei asymmetriesch substituierte Kohlenstoffatome, wobei die an den beiden Brückenköpfen vorkommenden H-Atome des Azabicyclo-Rings in der cis-Position fixiert sind, so dass nur über das α-Kohlenstoffatom des Pyridylrings chirale Formen möglich sind. Natürlich vorkommend ist das (1R,2R,4S)-Epibatidin, eines der beiden Enantiomere der exo-Form des Moleküls. Die natürliche Form ist als Base mit negativer Drehung und ihr Enantiomer mit positiver Drehung optisch aktiv. Die Salze – beispielsweise Epibatidinoxalat – zeigen jeweils entgegengesetzte Vorzeichen bei den Drehwerten im Vergleich zu den freien Basen. Beide Enantiomere unterscheiden sich nur wenig in der biologischen Aktivität. Das endo-Isomer ist unwirksam und hat ebenfalls am C-2 ein Stereozentrum.
Im Tierversuch zeigte sich Epibatidin wirksam nach subkutaner, intrathekaler, intraperitonealer und intracerebroventrikularer Verabreichung. Die maximale Konzentration im Gehirn wurde im Versuch an der Maus nach etwa 30 Minuten erreicht. Epibatidin wird kaum mikrosomal verstoffwechselt.
Wirkung Die Giftwirkung Epibatidins liegt an der Aktivierung verschiedener nicotinischer Acetylcholinrezeptoren (nAChR), insbesondere die Varianten α4β2F. I. Carroll: Epibatidine structure-activity relationships. In: Bioorganic & medicinal chemistry letters. Band 14, Nummer 8, April 2004, S. 1889–1896, doi:10.1016/j.bmcl.2004.02.007, PMID 15050621. (Ki = 40 pM),J. Boyle: Molecular biology of the cell von B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Biochem. Mol. Biol. Educ. (2008), Band 36, S. 317–318. doi:10.1002/bmb.20192. α3β4 und α7 (Ki = 20 nM). Durch die Aktivierung des nAChR auf der Postsynapse wird die Nervenzelle depolarisiert und leitet das Signal weiter. Epibatidin bindet an nicotinische Acetylcholinrezeptoren in Muskeln mit der Reihenfolge αε > αγ > αδ. Während Nicotin stärker im mesolimbischen System wirkt, zeigt Epibatidin eine stärkere Wirkung im nigrostriatalen System.S. Janhunen, L. Ahtee: Differential nicotinic regulation of the nigrostriatal and mesolimbic dopaminergic pathways: implications for drug development. In: Neuroscience and biobehavioral reviews. Band 31, Nummer 3, 2007, S. 287–314, , PMID 17141870.
Epibatidin übertrifft die analgetische Wirkung von Morphin etwa um das 200-fache und die Affinität des Nicotins zu nicotinischen Acetylcholinrezeptoren um das 120-fache. Epibatidin ist ein potentes Analgetikum, jedoch für die Anwendung am Menschen zu toxisch. Es ähnelt in seiner Wirkung anderen nicotinergen Acetylcholinrezeptor-Agonisten wie beispielsweise Nicotin des Tabaks,M. N. Romanelli, P. Gratteri, L. Guandalini, E. Martini, C. Bonaccini, F. Gualtieri: Central nicotinic receptors: structure, function, ligands, and therapeutic potential. In: ChemMedChem. Band 2, Nummer 6, Juni 2007, S. 746–767, doi:10.1002/cmdc.200600207, PMID 17295372. Cytisin des Goldregens, Anatoxin A einiger Cyanobakterien,John W. Daly: Nicotinic agonists, antagonists, and modulators from natural sources. In: Cell Mol Neurobiol. (2005), Band 25, Heft 3–4, S. 513–552. doi:10.1007/s10571-005-3968-4. PMID 16075378, . Ferruginin, Anabasein, Epiquinamid und Arecolin der Betelnüsse.
Sowohl das (+)- als auch das (−)-Enantiomer des Epibatidins hat pharmakologische Wirkungen mit ähnlicher Affinität zum nAChR. Nur das (+)-Enantiomer ist – anders als Opioid-Schmerzmittel – nicht toleranzbildend, jedoch limitiert die in Nagetieren gezeigte Giftigkeit eine Verwendung als Schmerzmittel.
Symptome Die Giftwirkung äußert sich durch cholinerge Effekte wie erhöhter arterieller Blutdruck, Bradykardie und Lähmungen. Die schmerzstillende Wirkung tritt bei niedrigen Konzentrationen von Epibatidin ein (5 μg/kg, in der Maus). Bei höheren Konzentrationen erzeugt Epibatidin Lähmungen (einschließlich Atemlähmung) und Bewusstlosigkeit bis hin zum Tod.
Antidot Mecamylamin ist ein unselektiver nichtkompetitiver Hemmer von nAChR und vermochte experimentell einige Wirkungen des Epibatidins zu blockieren. Dabei zeigte sich mit Bezug auf die Hemmung nikotininduzierter Abnahmen der Spontanaktivität und der antinozizeptiven Wirkungen im Mausmodell kein Unterschied in der Wirksamkeit von racemischem Mecamylamin, (+)-Mecamylamin oder (−)-Mecamylamin.
Synthese mini|hochkant=1.5|Synthese nach E. J. Corey Es existieren über 100 verschiedene Synthesen des Epibatidins.Ronaldo E. de Oliveira Filho, Alvaro T. Omori: Recent Syntheses of Frog Alkaloid Epibatidine. In: Journal of the Brazilian Chemical Society (2015). doi:10.5935/0103-5053.20150045. Die Erstsynthese mit einer Ausbeute von etwa 40 % wurde 1993 beschrieben, produziert aber ein Racemat.Chris Allen Broka: Total synthesis of epibatidine. In: Tetrahedron Lett. (1993), Band 34, Heft 20, S. 3251–3254. doi:10.1016/S0040-4039(00)73674-4. Beide Enantiomere haben ähnliche pharmakologische und toxikologische Eigenschaften. Weitere Synthesen stammen vom Nobelpreisträger Elias James Corey und Kollegen,E. J. Corey, Teck Peng Loh, Sidduri AchyuthaRao, Donnette C. Daley, Sepehr Sarshar: Stereocontrolled total synthesis of (+)- and (-)-epibatidine. In: The Journal of Organic Chemistry (1993), Band 58, Heft 21, S. 5600–5602. doi:10.1021/jo00073a013. Huang und Shen, Clayton und Regan, Olivo und Hemenway sowie Semtschenko und Kollegen.
Analytik Der Nachweis kann mittels Gaschromatografie oder per HPLC (teilweise mit Massenspektrometrie als Detektionsmethode) geführt werden.M. A. Javors, J. J. Sanchez, T. S. King, A. R. Rohde, S. G. Wilson, C. M. Flores: Extraction and quantification of epibatidine in plasma. In: Journal of Chromatography B, Biomedical Sciences and Applications. Band 755, Nummer 1–2, Mai 2001, S. 379–382, doi:10.1016/s0378-4347(01)00120-7, PMID 11393730.Y. Shiraishi, T. Ogawa, T. Suzuki, M. Iwai, M. Kusano, K. Zaitsu, F. Kondo, A. Ishii, H. Seno: Simultaneous quantification of batrachotoxin and epibatidine in plasma by ultra-performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry. In: Legal medicine. Band 25, März 2017, S. 1–5, doi:10.1016/j.legalmed.2016.12.008, PMID 28457503.A. P. Watt, L. Hitzel, D. Morrison, K. L. Locker: Determination of the in vitro metabolism of (+)- and (-)-epibatidine. In: Journal of Chromatography A. Band 896, Nummer 1–2, Oktober 2000, S. 229–238, doi:10.1016/s0021-9673(00)00597-5, PMID 11093658. Im Jahr 2015 konnte eine Arbeitsgruppe des Staatlichen Forschungsinstituts für Organische Chemie und Technologie aus Moskau nachweisen, dass selbst kleinste Spuren von Epibatidin im Blut (10−3 bis 10−5 mg/ml) per Gaschromatografie bestimmt werden können.
Derivate mini|228x228px|Strukturformel des Nichtopioid-Analgetikums Tebaniclin (ABT-594) Ausgehend vom Epibatidin wurde 1996 das nur gering toxische Nichtopioid-Analgetikum Tebaniclin (ABT-594) entwickelt, das zu den Azetidinen zählt.Zin Sig Kim: Asymmetrische Synthese von 1,3-Aminoalkoholen und deren Anwendung zur Synthese von Azetidinen und 1-Azabicyclen, TH Aachen, Dissertation, 2006. Es hat weniger cholinerge Wirkungen, aber ist schmerzstillend. Aufgrund gastro-intestinaler Nebenwirkungen wurden die Versuche in der Phase II gestoppt;V. V. Uteshev: The therapeutic promise of positive allosteric modulation of nicotinic receptors. In: European Journal of Pharmacology. Band 727, März 2014, S. 181–185, doi:10.1016/j.ejphar.2014.01.072, PMID 24530419, .M. C. Rowbotham, R. W. Duan, J. Thomas, W. Nothaft, M. M. Backonja: A randomized, double-blind, placebo-controlled trial evaluating the efficacy and safety of ABT-594 in patients with diabetic peripheral neuropathic pain. In: Pain. Band 146, Nummer 3, Dezember 2009, S. 245–252, doi:10.1016/j.pain.2009.06.013, PMID 19632048. die Forschung an ähnlichen Substanzen wird aber fortgeführt.
Weitere Analoga sind ABT-418, Epiboxidin und ihre Derivate.
Geschichte Biochemische und pharmakologische Forschung Epibatidin wurde 1974 von John W. Daly und Kollegen entdeckt.Salehi B, Sestito S, Rapposelli S, Peron G, Calina D, Sharifi-Rad M, Sharopov F, Martins N, Sharifi-Rad J. Epibatidine: A Promising Natural Alkaloid in Health. Biomolecules. 2018 Dec 23;9(1):6. doi:10.3390/biom9010006. PMID 30583611; PMCID: . Zu dieser Zeit war Daly mit seinem Kollegen Charles Myers auf Exkursion in Equador, wo sie einige wenige der seinerzeit der Art Epipedobates anthonyi zugeschriebene, später als Epipedobates tricolor identifizierte Baumsteigerfrösche (Dendrobatidae) sammelten. Ein Extrakt aus der Haut der Tiere bewirkte an der Maus nach Injektion winziger Mengen das Straubsche Mäuseschwanzphänomen, einen charakteristischen Effekt für Opiate, und legte die Entdeckung eines bislang unbekannten Opioids nahe. Im Hot-Plate-Test mit der Maus zeigte sich eine starke analgetische Wirkung. Anlässlich einer nachfolgenden Exkursion 1976 vermochten die Forscher weitere Froschhäute zu sammeln. Aus 750 Häuten gewannen sie 60 mg einer komplexen Mischung aus Alkaloiden, darunter auch knapp 500 µg des die Mäuseschwanzreaktion auslösenden Alkaloids. 1978 hatte man mithilfe der HPLC nahezu reine Proben und anhand der Massenspektrometrie schlüssige Spektren erhalten. Die empirische Summenformel wurde zu C11H13N2Cl ermittelt. Die analgetische Wirkung entpuppte sich als 200 mal stärker als die des Morphins und war durch den Opioid-Antagonisten Naloxon nicht aufzuheben, ebenso wenig wie die Mäuseschwanzreaktion. Erst im Zuge der verbesserten Leistungsfähigkeit der NMR-Spektrometer wurde 1992 die chemische bicyclische Struktur aufgeklärt,Spande T.F., Garraffo H.M., Edwards M.W., Yeh H.J.C., Pannell L., Daly J.W.: Epibatidine: A novel (chloropyridyl)azabicycloheptane with potent analgesic activity from an Ecuadoran poison frog. In: J. Am. Chem. Soc. (1992), S. 3475. doi:10.1021/ja00035a048 wofür nahezu der gesamte Rest der Substanzprobe verbraucht wurde. Nach der Strukturaufklärung wurde für das Alkaloid der Name Epibatidin verwendet, der sich von dem Namen für die Gattung der Frösche Epipedobates ableitet. Über die Entdeckung und Strukturaufklärung berichtete auch die Laienpresse wie in Deutschland etwa Der Spiegel.
Die 1993 erstmals beschriebene Totalsynthese führte zu racemischen Epibatidin, wenig später wurden auch stereoselektive Synthesen entwickelt.
Verwendung als Gift Der Entdecker Daly gab an, dass die Haut der Frösche keine traditionelle Verwendung hatte, und die Tiere in Equador als unbedeutender Bestandteil der Fauna galten. Dem Kulturwissenschaftler Klaus Angerer zufolge, der zur Nutzung von biologischen Materialien vor dem Hintergrund eventueller „Biopiraterie“ publizierte, gab es widersprüchliche Aussagen zur traditionellen Nutzung von E. anthonyi als Pfeilgift.