Rizin

Rizin oder Ricin ist ein äußerst giftiges Protein aus den Samen des Wunderbaums (auch Rizinus, Ricinus communis) aus der Familie der Wolfsmilchgewächse. Chemisch ist Rizin ein Lektin, das aus einer zellbindenden und einer giftigkeitsvermittelnden Komponente besteht. Seine Giftigkeit wird auf eine Hemmung der eukaryotischen Proteinbiosynthese zurückgeführt.

Gelangt das Gift in den menschlichen Organismus, bringt es die kontaminierten Zellen zum Absterben. Für eine tödliche Vergiftung eines Menschen genügen (bei oraler Aufnahme) 0,3–20 Milligramm isoliertes Rizin pro Kilogramm Körpergewicht, entsprechend etwa acht Samenkörnern, deren Größe und Gehalt jedoch stark schwanken. Bei Kindern kann, je nach Alter und Konstitution, schon ein halbes Samenkorn tödlich wirken. Allerdings wird auch berichtet, dass selbst nach Einnahme von 40 bis 60 Samen eine Überlebenschance besteht. Dabei kommt es darauf an, wann das Erbrechen einsetzt. Bei intravenöser, inhalativer oder subkutaner Aufnahme wirken wesentlich geringere Mengen letal, so bei subkutaner Gabe schon 43 μg/kg Körpergewicht.Acta Pharmacologica et Toxicologica. Band 41, Nr. 351, 1977, Supplement.

Rizin ist in der Kriegswaffenliste des deutschen Kriegswaffenkontrollgesetzes aufgeführt.

Vorkommen Rizin kommt im Endosperm der bohnenähnlichen Samen des Wunderbaums vor. Der Rizingehalt in den Samen liegt bei etwa 1 bis 5 Prozent des Proteingehalts.Manfred J. Schmitt, Raffael Schaffrath (Hrsg.): Microbial Protein Toxins. Springer, 2005, ISBN 978-3-540-23562-0, S. 218. In dem ebenfalls aus den Samen gewonnenen Rizinusöl ist Rizin durch Extraktion und Hitzeinaktivierung entfernt. Ebenfalls in den Samen enthalten ist das schwach giftige Ricinin, welches sich mehrheitlich in der Samenschale befindet.Marco Soave: Über Ricinin. In: Chemisches Zentralblatt, Vol. 66, Band I, 1895, S. 853; .

Gewinnung mini|Rizinussamen Rizin kann aus den Nebenprodukten der Rizinusölherstellung gewonnen werden. In der wässrigen Phase der Rizinusölextraktion liegt der Rizingehalt bei etwa fünf bis zehn Prozent.

Alternativ dazu kann vollständig biologisch aktives, rekombinantes Rizin mit Hilfe gentechnisch veränderter Tabakzellen gewonnen werden.

Biochemie mini|200px|Überlagerung der Strukturen von Rizin und Abrin (oben: B-Kette, unten: A-Kette)

Biochemische Eigenschaften Rizin ist ein fettabweisendes und hitzeempfindliches Protein. Strukturell ist es ein heterodimeres, globuläres Glycoprotein mit einer molaren Masse von 60 bis 65 kDa. Es besteht aus zwei verschiedenen Polypeptidketten, der A- und der B-Kette, mit Molmassen von etwa 32 bzw. 34 kDa, die durch eine Disulfidbrücke miteinander verbunden sind. Die A-Kette besitzt charakteristische α-Helix- und β-Faltblattstrukturen und fungiert als N-Glycosidase. Die B-Kette ist eine Lektineinheit ohne ausgeprägte Sekundärstrukturen.J. M. Lord, L. M. Roberts: Ricin: structure, synthesis, and mode of action. In: M. J. Schmitt, R. Schaffrath (Hrsg.): Microbial Protein Toxins (= Topics in Current Genetics. Band 11). Springer, Berlin/Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-23562-0. doi:10.1007/b100198. In seiner Struktur ähnelt Rizin dem Abrin der Paternostererbse.

Biosynthese Rizin wird im Endosperm der Samen des Wunderbaums gebildet. Das primäre Produkt der Proteinbiosynthese ist ein aus 576 Aminosäuren bestehendes Präkursorprotein, das aus einer Signalpeptidsequenz (Aminosäuren 1–35), der A-Kette (Aminosäuren 36–302), einem Linker (Aminosäuren 303–314) und der B-Kette (Aminosäuren 315–576) besteht. Die Signalpeptidsequenz sorgt für einen Transport ins Endoplasmatische Reticulum. Nach Abspaltung der Signalpeptidsequenz wird das Proprotein im Endoplasmatischen Reticulum glycosyliert. Zwischen den Cysteinen 294 und 318 wird mit Hilfe einer Disulfidisomerase eine Disulfidbrücke eingefügt. Eine weitere Glycosylierung erfolgt im Golgi-Apparat. Nach dem Weitertransport in die Vakuolen wird das Proprotein durch eine Endopeptidase zum fertigen Rizin gespalten.

Toxikologie Wirkungsweise (Toxikodynamik) Rizin gehört zur Gruppe der Ribosomeninaktivierenden Proteine (RIP) des Typs 2 (RIP-II). Seine toxische Wirkung ist auf einen mehrstufigen Prozess zurückzuführen, welcher eine Zellbindung, einen Transport durch die Zelle, eine Aktivierung im Endoplasmatischen Reticulum und letztlich eine fatale Hemmung der Proteinbiosynthese einschließt.

Die B-Kette des Rizins, welche die Lectinfunktion trägt, ermöglicht die Bindung an die Zelloberfläche. Die Bindung erfolgt unspezifisch an endständige N-Acetylgalactosaminreste oder 1,4-verknüpfte Galactoseeinheiten von Glycoproteinen und Glycolipiden. Zusätzlich kann Rizin über seine Glykanketten an Zellen, die den Mannoserezeptor tragen, binden. Unter experimentellen Bedingungen gelangen so bis zu 100 Millionen Rizinmoleküle an die Oberfläche einer Zelle. Das an der Zelloberfläche gebundene Rizin wird durch Endozytose in die Zelle aufgenommen. Über Endosomen, in denen es wegen seiner pH-Beständigkeit und seiner enzymalen Resistenz nicht abgebaut wird, gelangt die Einheit aus A- und B-Kette über den Golgi-Apparat rückläufig in das Endoplasmatische Reticulum. Die zunächst von der B-Kette in ihrer Funktion blockierte A-Kette wird im Endoplasmatischen Reticulum durch Spaltung der zwischen den beiden Ketten liegenden Disulfidbrücke unter Mithilfe einer Disulfidisomerase freigesetzt. Mit der Hilfe von Chaperonen gelangt die A-Kette schließlich ins Zytosol.

Die in das Zytoplasma eingedrungene A-Kette, oder Ricin A, ist eine Glycosidase, die Ribosomen inaktiviert. Die genaue Wirkung besteht in der Abspaltung des Adenin 4324 der 28S-RNA der Ribosomen. Diese Depurinierung bewirkt zum einen, dass die Bildung des Initiationskomplexes während der Translationsinitiation beeinträchtigt wird – es erfolgt eine starke Verlangsamung dieses Vorgangs der Translation auf ein Sechstel der sonst üblichen Geschwindigkeit. Adenin 4324 ist auch für die Bindung der Elongationsfaktoren notwendig. Daher wird zum anderen der Translokationsschritt während der Elongation unterbunden.

Wegen ihrer zytostatischen Eigenschaften, also einer wachstumshemmenden Wirkung auf Zellen, wurden Toxine vom Typ des Rizins auf ihre Eignung als Therapeutika bei bösartigen Tumoren untersucht. Es gibt kein zugelassenes Medikament auf der Basis von Ricin oder Teilen von Ricin, da die Risiken und Nebenwirkungen – insbesondere die hohe Unspezifität und Toxizität – zu groß sind.

Toxikokinetik Für Rizin liegen nur wenige, zumeist tierexperimentelle toxikokinetische Daten vor. Die Übertragbarkeit der Daten auf den Menschen ist nur zum Teil gegeben. Toxikologisch ist die Aufnahme von Rizin nach Injektion, nach Inhalation und nach oraler Aufnahme von Relevanz. Nach einer Injektion, sofern sie nicht zum Tod führt, wird der größte Teil des Rizins innerhalb von 24 Stunden über den Urin ausgeschieden. Als ein Protein verfügt Rizin über eine nur sehr geringe orale Bioverfügbarkeit. Daher liegt beispielsweise bei Mäusen die tödliche orale Dosis um den Faktor 1000 höher als die letale Dosis nach Injektion oder Inhalation. Die Toxizität von Rizin nach Inhalation hängt entscheidend von der Partikelgröße ab. Die toxischen Effekte sind nach Inhalation zudem auf die Atemwege beschränkt; eine Systemische Aufnahme nach Inhalation spielt keine Rolle.

Vergiftungsfolgen Da Rizin meist versehentlich durch den Verzehr von Rizinus-Samen aufgenommen wird, werden vor allem Zellen des Verdauungstraktes in Mitleidenschaft gezogen (Magen, Darm, Leber, Nieren). Letztlich führt eine Vergiftung mit Rizin auch zu einer Zerstörung der roten Blutkörperchen. Nach der Aufnahme einer tödlichen Dosis tritt der Tod nach 36 bis 72 Stunden ein.

Nach einer Latenzzeit von mehreren Stunden bis Tagen können folgende Symptome auftreten: Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Schwäche, Tachykardie, Abdominalschmerzen und akuter Flüssigkeitsverlust. In schweren Fällen kommen Mydriasis, Krämpfe an Händen und Beinen, Fieber sowie die Symptome einer Lebernekrose und eines akuten Nierenversagens dazu. Der Tod erfolgt durch Lähmung medullärer Zentren, besonders des Atemzentrums.

Das Gift kann auch inhaliert (als Aerosol eingeatmet) oder injiziert werden. Die Symptome ändern sich dementsprechend: Lungenödem und Atemstillstand beziehungsweise schwere Lähmungen sind die Folge.

Symptome Etwa vier bis acht Stunden nach dem Verzehr der Samen:

starke Schleimhautreizung (unter anderem Brennen in Mund und Rachen) nach Resorption Änderung der Syntheserate von essentiellen Enzymen Schädigung von Niere, Leber, Magen und Darm hohes Fieber Übelkeit Erbrechen bis blutiges Erbrechen blutiger Durchfall Kolik Kreislaufkollaps, Herzrhythmusstörungen, Blutdruckabfall Leukozytose (charakteristisch)

Ohne Behandlung tritt der Tod üblicherweise durch Kreislaufversagen etwa 48 Stunden nach der Vergiftung ein. Ein agglutinierendes Protein führt zum Verklumpen der roten Blutkörperchen. Es ist kein wirksames Gegengift bekannt. In der Fachliteratur gibt es 424 Fälle von Rizinvergiftungen, von denen unbehandelt 8 %, behandelt sogar nur 0,4 % tödlich endeten.K. R. Challoner, M. M. McCarron: Castor bean intoxication: review of reported cases. In: Ann. Emerg. Med. 19(10), 1990, S. 1177–1183, PMID 2221525.

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Gegen eine Vergiftung mit Rizin gibt es derzeit noch kein Antidot. Im Jahr 1891 war es Paul Ehrlich jedoch gelungen, Mäuse mit „Antiricin“ gegen dieses Gift zu immunisieren.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 48. In der Entwicklung befinden sich Substanzen, von denen eine bis zu 49 Prozent der dem tödlichen Gift ausgesetzten Mäuse schützte.Rizin-Gegenmittel gesucht: Neuer Schutz vor dem Supergift. In: n-tv. 20. April 2010.Ludger Johannes u. a.: Inhibition of Retrograde Transport Protects Mice from Lethal Ricin Challenge. In: Cell. 141, Nr. 2, 2010, S. 231–242, doi:10.1016/j.cell.2010.01.043. Die Substanz (Retro-2) muss allerdings vor der Aufnahme des Giftes verabreicht werden und kann daher nicht als Gegenmittel nach einer Vergiftung dienen.Matthew N. J. Seaman, Andrew A. Peden: Ricin Toxin Hits a Retrograde Roadblock. In: Cell. 141, Nr. 2, 2010, S. 222–224, doi:10.1016/j.cell.2010.03.044.

Entwicklung eines Impfstoffes gegen Rizinvergiftungen Anfang der 2000er Jahre wurde mit der Entwicklung verschiedener Impfstoffkandidaten gegen Ricin begonnen, die in präklinischen sowie ersten klinischen Studien in früher Phase getestet wurden. Die Studien der beiden Impfstoffkandidaten „RiVax“ und „RVEc“ wurden von der US Army finanziert.

Die Entwicklung dieser beiden Impfstoffkandidaten ist noch nicht abgeschlossen, so dass es aktuell keinen zugelassenen Impfstoff gegen eine Ricinvergiftung gibt.

Analytik Die zuverlässige Analytik von Rizin in unterschiedlichen Matrices setzt eine adäquate Probenvorbereitung voraus und kann sowohl durch spezifische Immunassays als auch durch den Einsatz der HPLC-Massenspektrometrie-Kopplung erfolgen.Feldberg L, Elhanany E, Laskar O, Schuster O: Rapid, Sensitive and Reliable Ricin Identification in Serum Samples Using LC-MS/MS., Toxins (Basel). 2021 Jan 22;13(2):79, PMID 33499033.S. M. Darby, M. L. Miller, R. O. Allen: Forensic determination of ricin and the alkaloid marker ricinine from castor bean extracts. In: J Forensic Sci. Band 46, Nr. 5, September 2001, S. 1033–1042. PMID 11569541. Eine weitere ergänzende Verfahrensweise in der Analytik ist der zuverlässige Nachweis von Ricinin als Biomarker durch die Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung.

Gebrauch als Biowaffe Forschungen und Überlegungen zur Verwendung