LA STORIA DELLA TOSSINA BOTULINICA: DA MORTALE A EFFICACE

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Come può la tossina botulinica essere allo stesso tempo un veleno mortale e una cura efficace e sicura in molte terapie mediche? 

Scopriamo insieme la storia del botulino: come è stato scoperto, quali medici l’hanno studiato e le sue attuali applicazioni cliniche. 

 

La Storia della Tossina Botulinica: da mortale a efficace 

 

Negli ultimi cinquant’anni, il Clostridium botulinum è diventato famoso per la sua capacità di produrre le mortali neurotossine botuliniche.  

Mentre la tossina botulinica A, meglio conosciuta come Botox™, è universalmente riconosciuta dal pubblico come uno strumento di medicina estetica, le neurotossine botuliniche sono comunemente utilizzate off-label per molte terapie mediche in oftalmologia, neurologia e dermatologia. 

La versatilità di queste tossine botuliniche ha reso il Clostridium botulinum uno dei batteri patogeni più ampiamente conosciuti nella storia della medicina.  

Questo articolo racconta dalla scoperta delle tossine botuliniche fino alle applicazioni in medicina dei giorni nostri. 

 

Le Tossine Botuliniche

 

Il Clostridium botulinum è un batterio anaerobico (non richiede per il proprio metabolismo la presenza di ossigeno) Gram-positivo, a forma di bastoncello.  

Ciascuno dei sette sierotipi di questo batterio (A, B, C, D, E, F e G) produce una forma unica di neurotossina botulinica (anch’essa designata da A a G).1,2 

I tipi A, B ed E sono comunemente coinvolti nel botulismo umano3 e si trovano in ambienti terrestri, ambienti marini e di acqua dolce. 

La tossina botulinica A, prodotta dal ceppo ad alto rendimento Hall di Clostridium botulinum, è la forma più potente di neurotossina botulinica.4 

La tossina botulinica è una proteina dall’alto peso molecolare di 150.000 dalton, con proteine ​​non covalenti che la proteggono dagli enzimi dell’apparato digerente, rendendola così un veleno alimentare altamente pericoloso. La tossina viene distrutta riscaldandola a 80°C per almeno un minuto. 

La tossina botulinica A è ampiamente distribuita e commercialmente disponibile come Botox™ (Allergen, Inc) in Nord America, mentre Dysport™ (Speywood, Regno Unito) domina i mercati europei. La tossina botulinica B è commercializzata come Myobloc (Elan Pharmaceuticals) negli USA e come Neurobloc (Elan Pharmaceuticals) in Europa. 

Entrambi i farmaci sono attualmente in fase di revisione da parte degli Stati Uniti Food and Drug Administration (FDA).5,6 La FDA specifica che il Botox™ venga distribuito in fiale di 100±30 unità mouse (U), con 1 U uguale alla quantità media necessaria per uccidere metà del campione di topi (LD50).2,4 

Ulteriore nota, 1 U di Botox™ è equivalente a 3 ng di tossina botulinica A o 2–5 U di Dysport™.2 

A seconda della condizione medica, sono necessarie iniezioni di Botox™ da 30–300 U (1–10 ng), da due a sei volte l’anno, la somministrazione della tossina a concentrazioni più elevate o più frequenti crea il rischio di sviluppare anticorpi che annullano qualsiasi effetto benefico.2 

Come farmaco, la tossina botulinica A ha un ampio margine di sicurezza con somministrazione di 3.000 U (100 ng) nell’uomo e gli effetti collaterali del trattamento sono minimi. 

Tutte le tossine botuliniche hanno una modalità d’azione simile, ovvero interferiscono con la trasmissione di impulsi nervosi, inibendo il rilascio dell’acetilcolina: un neurotrasmettitore che trasferisce gli impulsi nervosi dal sistema centrale a quello periferico. L’effetto è duraturo ma anche reversibile, poiché nuovi terminali nervosi germogliano a sostituire quelli precedentemente inibiti.7,8  

 

Intossicazione alimentare da tossine botuliniche  

 

Alla fine del 1700, il botulismo, la malattia causata dall’ingestione da parte dell’uomo di tossine botuliniche, sviluppatesi in ambienti alimentari contaminati, porta a molti decessi in Europa.  

La povertà causata dalla guerra napoleonica (1795-1813) genera trascuratezza nelle misure sanitarie per la produzione alimentare nelle campagne. La fonte primaria di botulismo sono le salsicce di sanguinaccio affumicate. Nel 1811, il Dipartimento di Affari interni del Regno di Württemberg attribuisce l’‘avvelenamento da salsiccia’ ad una sostanza denominata ‘acido prussico’ e da qui seguono ulteriori studi.9 

Nel 1871 viene dato a questa malattia il nome ‘botulus’, dalla parola latina per ‘salsiccia’.10 

Anche all’inizio del 1900, le epidemie di botulismo si verificano di frequente negli Stati Uniti.3 

A causa di questi problemi, durante gli anni ‘20 la Dole Food Company Inc. sviluppa nuove tecnologie per l’inscatolamento degli alimenti, che hanno reso questa azienda, oggi, una dei maggiori distributori mondiali di cibi in scatola.  

I sintomi del botulismo comprendono:  

• disturbi della vista,  
• della parola, 
• della deglutizione.3 

Asfissia e morte si verificano comunemente 18-36 ore dopo l’ingestione della tossina.  

Senza trattamento, il tasso di mortalità varia dal 10 al 65%. 

 

Dottor Justinus Kerner (1786-1862)  

 

Justinus Kerner è un medico e poeta tedesco. È anche noto anche come ‘Würst’ (termine tedesco per “salsiccia”) Kerner, a causa del suo lavoro con il misterioso “veleno della salsiccia”. 

Tra il 1817 e il 1820 pubblica i primi casi studio sull’intossicazione da botulino e nel 1822 scrive la prima  monografia completa sulla “tossina grassa” delle salsicce acide.9  

Basandosi su eroici esperimenti condotti su se stesso e in laboratorio sugli animali, il Dott. Kerner arriva a formulare diverse importanti osservazioni sulla tossina: 

• Si sviluppa in salsicce acide in condizioni anaerobiche
• Interrompe la trasmissione del segnale motorio nel sistema periferico ed in quello autonomo  
• È letale a piccole dosi.

Il Dott. Kerner descrive anche accuratamente tutti i sintomi neurologici di botulismo, riconosciuti anche nella medicina moderna, compresi: vomito, spasmi intestinali, midriasi, ptosi, difficoltà nel deglutire e nel respirare.9,11 

Inoltre, propone che la tossina sia usata per scopi terapeutici, quali: 

• la riduzione dell’attività del sistema nervoso simpatico associata a disturbi del movimento (es. “Veitstanz” o corea minore), 
• l’ipersecrezione di fluidi corporei (ad es. sudore, muco),  
• ulcere da malattie maligne,  

• deliri,  
• rabbia,  
• tubercolosi polmonare,  
• febbre gialla.12  

Sebbene molti tentativi di riprodurre artificialmente la tossina falliscono, il Dott. Kerner ipotizza che il veleno sia di origine zoonotica (origine animale), un’affermazione audace in un momento storico in cui gli agenti patogeni microscopici non sono ancora stati scoperti. 

 

Dottor Emile Pierre van Ermengem (1851-1922)

 

Il microbiologo Emile van Ermengem si forma a Berlino sotto la guida del Dott.Robert Koch (1843-1910) che è il primo ricercatore a dimostrare che alcuni microrganismi possono causare le malattie negli animali.  

Le scoperte più note di Koch includono l’antrace (1880), la tubercolosi (1882) e il colera (1883).  

Nel 1895, un focolaio di botulismo si verifica dopo un funerale in Belgio, presso il villaggio di Elezelles, e  van Ermengem è il primo a correlare il botulismo con un batterio che si trovava nel maiale crudo e salato, che era stato servito durante la celebrazione, e nel tessuto post mortem delle vittime che avevano consumato la carne contaminata. 

Dopo che van Ermengem isola con successo questo batterio, lo chiama Bacillus botulinus,14 che viene poi  ribattezzato Clostridium botulinum negli anni successivi. 

 

Tossina botulinica e guerra biologica 

 

I primi tentativi di sviluppare armi biologiche e chimiche iniziano in Germania durante la Prima Guerra Mondiale. Senza, però, risultati soddisfacenti.  

Con l’inizio della Seconda Guerra Mondiale, il governo americano avvia un’intensa ricerca sulle armi biologiche.  

L’Ufficio dei Servizi Strategici degli Stati Uniti escogita un piano per assassinare alcuni alti ufficiali giapponesi, attraverso una dose letale di tossina botulinica, contenuta in una capsula in gelatina, da inserire nel cibo o nelle bevande. Un grande lotto di queste capsule viene preparato e inviato al distaccamento della Marina degli Stati Uniti a Chunking, Cina, per dei  test. Le capsule vengono usate su alcuni asini, ma poiché gli animali sopravvivono, il progetto viene abbandonato.15 Continua ancora oggi la discussione sul fatto che gli asini siano immuni al botulismo. 

Le armi biologiche ideali si nascondono facilmente e causano malattie trasmissibili e alti tassi di mortalità, creando panico e disgregazione nella società.16 

Una volta si pensava che la tossina botulinica fosse un’arma ideale perché aveva molte di queste proprietà. Ancora oggi la tossina botulinica è considerata la sostanza più  velenosa al mondo: un grammo può potenzialmente uccidere un milione di persone. Tuttavia, la tossina botulinica è in realtà una scelta sbagliata come arma biologica perché: 

• Deve essere ingerita in quantità sufficienti
• I tassi di mortalità per ingestione sono variabili
• È rapidamente inattivata dai protocolli standard di sanificazione dell’acqua 
• Non è trasmissibile da persona a persona
• Il botulismo può essere trattato efficacemente con l’antitossina del botulino, laciproflaxinao altri antibiotici ad ampio spettro.16 

La moderna guerra biologica si è sviluppata con armi più efficaci, tra cui antrace, vaiolo, peste e infezioni virali. 

 

Fort Detrick – una struttura di ricerca per le armi biologiche e la tossina botulinica

 

Durante la Seconda Guerra Mondiale, l’Accademia delle Scienze degli Stati Uniti crea un laboratorio chiamato Fort Detrick nel Maryland, per fare ricerche su pericolosi batteri infettivi e tossine, che possano essere utilizzati in guerra.  

La struttura è fondata dai professori EB Fred e Ira Baldwin, dell’Università del Wisconsin, e Stanhope Bayne-Jones dell’Università di Yale. Per la stessa ragione, molti altri batteriologi e anche medici sono di stanza a Fort Detrick.4  

Molti anni prima, negli anni ’20, il Dott. Herman Sommer e alcuni colleghi, dell’Università della California, avevano ottenuto un concentrato grezzo di tossina botulinica di tipo A, dal liquido di coltura, mediante preparazione acida.17  

• Nel 1946, i ricercatori di Fort Detrick ottengono un forma cristallina della tossina botulinica A e il metodo è successivamente utilizzato dal Dott. Edward Schantz, per produrre il primo lotto di tossina botulinica per uso sull’uomo.4,18 

• Nel 1972, il presidente Nixon firma la Convenzione per le Armi Biologiche (BWC, Biological Weapons Convention), che mette fine a tutte le ricerche su agenti biologici da utilizzare in guerra e Fort Detrick viene formalmente chiuso, ma la ricerca sull’uso clinico del botulino continua presso l’Università del Wisconsin, sotto la guida del Dott. Edward Schantz.4 
• Nel 1979, il Dott. Schantz produce un lotto sufficientemente grande di botulino tossina A, denominata lotto 79-11, costituita da 200 mg  di tossina cristallizzata due volte, e approvata dalla FDA (Food and Drug Administration degli Stati Uniti) per l’uso sull’uomo. Questo preparato mantiene la sua tossicità e viene utilizzato fino al dicembre del 1997.18  
• Tra il 1980 e il 1990, viene scritto il Master Batch Record, il documento con le esatte istruzioni per la produzione della tossina botulinica per uso clinico, e nel 1991 diversi lotti di tossina botulinica A, così come i risultati della ricerca, sono acquistati da una società farmaceutica chiamata Allergen Inc. A questa sostanza è stato successivamente dato il nome Botox.4 

 

Usi attuali della tossina botulinica per la cura di malattie nell’uomo

 

Oftalmologia 

Il botulino è usato per la prima volta per il trattamento di malattie umane, nel 1968, dai dottori Alan Scott e Edward Schantz.  

Negli anni ’60, il Dott. Scott, oftalmologo presso la Smith-Kettlewell Eye Research Institute di San Francisco, inizia a indagare nuove sostanze da iniettare nei muscoli iperattivi coinvolti dallo strabismo, come alternativa alla chirurgia convenzionale.  

La sua intenzione è quella di trovare una sostanza che possa bloccare la neurotrasmissione e ridurre l’attività muscolare. Sebbene diverse soluzioni vengano testate nelle scimmie con strabismo indotto chirurgicamente, il Dott. Scott non trova nessun risultato di successo, fino a quando non si avvicina al Dott. Schantz e ai suoi studi sulla tossina botulinica.19 

Nel 1978, al Dott. Scott viene dato il permesso dalla FDA di iniettare la tossina botulinica per la cura dello strabismo, in volontari umani.18 

Ad oggi, le indicazioni terapeutiche circa la tossina botulinica A e l’uso in oftalmologia includono: blefarospasmo, strabismo e altre condizioni di iperattività muscoli extraoculari. Le dosi sono in genere inferiori a 30 U.4 

Neurologia 

Mentre gli oftalmologi di tutto il mondo iniziano a iniettare la tossina botulinica nei piccoli muscoli oculari, per lo strabismo, altri specialisti e chirurghi iniziano le proprie indagini sull’uso della tossina botulinica sull’uomo.  

I neurologi riconoscono che iniezioni di tossina botulinica possono essere efficaci anche nei gruppi di muscoli più grandi, per bloccare la neurochimica della contrazione muscolare involontaria.  

Negli anni ’80, la tossina botulinica è utilizzata per correggere i tremori e gli spasmi del viso, delle palpebre, del tronco e degli arti. Nel 1989, la FDA approva il trattamento con la tossina botulinica A per le contrazioni muscolari involontarie, lo strabismo, il blefarospasmo e lo spasmo emifacciale.  

Oggi le tossine botuliniche A e B vengono utilizzate anche off-label in neurologia per trattare il torcicollo, quasi tutte le forme di distonie, spasticità, tremori, disturbi vocali, paralisi cerebrale infantile, disturbi gastrointestinali, tensione ed emicrania, e sindromi dolorose.2,8,20,21  

Possono essere utilizzate dosi fino a 300 U, a seconda delle dimensioni dei gruppi muscolari e dell’area di trattamento.4 

Dermatologia 

Dagli anni ’90, il Botox diventa ben noto al pubblico come strumento di miglioramento cosmetico.  

La storia del suo utilizzo in dermatologia è familiare a molti canadesi.  

Nel 1987, l’oculista Jean Carruthers osserva che le rughe di espressione dei suoi pazienti scompaiono dopo l’uso della tossina botulinica A per il blefarospasmo.  

La dottoressa Carruthers condivide le sue osservazioni con il marito, il Dott. Alastair Carruthers, dermatologo. Insieme, i Carruther scoprono un trattamento cosmetico che rivoluziona il campo delle procedure di medicina estetica.  

Dal 1992, la coppia canadese promuove l’uso di Botox attraverso campagne educative e formative.  

Nel 1996, pubblicano il primo articolo sull’uso del Botox per scopi cosmetici,22 e anche un altro gruppo della Columbia University osserva applicazioni simili, sebbene i loro risultati siano pubblicati più tardi.23 

Oggi, la tossina botulinica è utilizzata in dermatologia per il trattamento del cipiglio glabellare verticale e delle linee orizzontali della fronte, rughe da danno attinico, linee cantali laterali (zampe di gallina), slargamento nasale, elevazione o modellatura delle sopracciglia, asimmetria facciale, pieghe del labbro superiore e fossette sul mento.  

Alcuni rapporti della metà degli anni ’90 hanno anche descritto il Botox come altamente efficace per iperidrosi dell’ascella, dei palmi delle mani e delle piante dei piedi,24 e come un utile farmaco aggiuntivo combinato con laser resurfacing per altre procedure cosmetiche.25 Le dosi vanno da 3 U per piccoli muscoli del viso e fino a 300 U per il trattamento di aree più ampie, come quelle dell’iperidrosi.26 

 

Conclusione

 

Le iniezioni di tossina botulinica A vengono eseguite milioni di volte all’anno in tutto il mondo.  

Un tempo veleno alimentare e poi sfruttato come arma biologica, la tossina botulinica è attualmente uno dei farmaci più versatili per il trattamento delle malattie umane in oftalmologia, neurologia e dermatologia. 

La tossina botulinica A è anche entrata a far parte della cultura popolare, come strumento di miglioramento cosmetico per la popolazione che invecchia.  

Sebbene il Clostridium botulinum e le sue tossine siano stati studiate per centinaia di anni, la ricerca sui suoi meccanismi di azione e sulle ulteriori applicazioni mediche, continuano ancora ai giorni nostri. 

 

Articolo tradotto da: The story of Clostridium botulinum:from food poisoning to Botox, Patricia T Ting and Anatoli Freiman. Clin Med 2004; 3(6). 

 

Bibliografia: 

1 – Aoki KR, Guyer B. Botulinum toxin type A and other botulinum toxin serotypes: a comparative review of biochemical and pharmacological actions. Eur J Neurol 2001;8 (Suppl 5):21–9. 

2 – Mahant N, Clouston PD, Lorentz IT. The current use of botulinum toxin. J Clin Neurosci 2000;7(5):389–94. 

3 – Shapiro RL, Hatheway C, Swerdlow DL. Botulism in the United States: a clinical and epidemiologic review. Ann Intern Med 1998;129(3):221–8. 

4 – Schantz EJ, Johnson EA. Botulinum toxin: the story of its development for the treatment of human disease. Perspect Biol Med 1997;40(3): 317–27. 

5 – Spencer JM. Botulinum toxin B: the new option in cosmetic injection. J Drugs Dermatol 2002;1(1):17–22. 

6 – Callaway JE, Arezzo JC, Grethlein AJ. Botulinum toxin type B: an overview of its biochemistry and preclinical pharmacology. Semin Cutan Med Surg 2001;20(2):127–36. 

7 – Setler PE. Therapeutic use of botulinum toxins: background and history. Clin J Pain 2002;18(Suppl 6):S119–24.  

8 – Jankovic J, Brin MF. Botulinum toxin: historical perspective and potential new indications. Muscle Nerve Suppl 1997;6:S129–45. 

9 – Erbguth FJ, Naumann M. Historical aspects of botulinum toxin: Justinus Kerner (1786-1862) and the ‘sausage poison’. Neurology 1999; 53(8):1850–3. 

10 – Torrens JK. Clostridium botulinum was named because of association with ‘sausage poisoning. BMJ 1998;316(7125):151. 

11 – Erbguth FJ, Naumann M. On the first systematic descriptions of botulism and botulinum toxin by Justinus Kerner (1786-1862). J Hist Neurosci 2000;9(2):218–20. 

12 – Erbguth FJ. Historical note on the therapeutic use of botulinum toxin in neurological disorders. J Neurol Neurosurg Psychiat 1996;60(2):151. 

13 – Gunn RA. Botulism: from van Ermengem to the present. A comment. Rev Infect Dis 1979;1(4):720–1. 

14 – van Ermengem E. Classics in infectious diseases. A new anaerobic bacillus and its relation to botulism. Rev Infect Dis 1979;1(4):701–19. (Originally published as ‘Ueber einen neuen anaeroben Bacillus und seine Beziehungen zum Botulismus’ in Zeitschrift fur Hygiene und Infektionskrankheiten 1897;26:1–56.) 

15 – Sotos JG. Botulinum toxin in biowarfare. JAMA 2001;285(21):2716. 

16 – Lamb A. Biological weapons: the facts not the fiction. Clin Med 2001;1(6):502–4. 

17 – Snipe PT, Sommer H. Studies on botulinus toxin. 3. Acid preparation of botulinus toxin. J Infect Dis 1928;43:152–60. 

18 – Klein AW. Cosmetic therapy with botulinum toxin, Anecdotal memoirs. Dermatol Surg 1996;22(9):757–9. 

19 – Scott AB, Rosenbaum A, Collins CC. Pharmacologic weakening of extraocular muscles. Invest Ophthalmol 1973;12(12):924–7. 

20 – Binder WJ, Brin MF, Blitzer A, Pogoda JM. Botulinum toxin type A (BOTOX) for treatment of migraine. Semin Cutan Med Surg 2001;20(2):93–100. 

21 – Verheyden J, Blitzer A, Brin MF. Other noncosmetic uses of BOTOX. Semin Cutan Med Surg 2001;20(2):121–6. 

22 – Carruthers A, Kiene K, Carruthers J. Botulinum A exotoxin use in clinical dermatology. J Am Acad Dermatol 1996;34(5 Pt 1):788–97. 

23 – Carruthers A, Carruthers J. History of the cosmetic use of Botulinum A exotoxin. Dermatol Surg 1998;24(11):1168–70. 

24 – Klein AW, Glogau RG. Botulinum toxin: beyond cosmesis. Arch Dermatol 2000;136(4):539–41. 

25 – Carruthers J, Carruthers A. The adjunctive usage of botulinum toxin. Dermatol Surg 1998;24(11):1244–7. 

26 – Carruthers A, Carruthers J. Clinical indications and injection technique for the cosmetic use of botulinum A exotoxin. Dermatol Surg 1998;24(11):1189–94.