Wasserverunreinigungen durch toxische Cyanobakterien sind ein weltweit wachsendes Problem, das ein ernstes Risiko für Menschen darstellt. Am wahrscheinlichsten sind humane Vergiftungen möglich durch chronische Vergiftungen mit niedrigen Toxinkonzentrationen, zum Beispiel durch Kontaminationen von Trinkwasser, Nahrung (Fisch, Garnelen, Nahrungsergänzungsmittel auf Blau-Grün Algen Basis) oder durch Freizeitaktivitäten in Gewässern, die ein Massenvorkommen von toxischen Cyanobakterien aufweisen. Microcystine (MC) repräsentieren die am häufigsten vorkommende Gruppe von zyklischen Heptapeptiden mit mehr als 80 verschiedenen strukturellen Varianten (Kongenere). Es konnte gezeigt werden, dass MC-LR im Vergleich zu anderen Kongeneren sowohl in vitro als auch in vivo toxisch ist, wobei momentan vermutet wird, dass der Mechanismus der Toxizität hauptsächlich von der spezifischen und irreversiblen Inhibition von Serin/Threonin Protein Phosphatasen (PP) herrührt. Durch ihre chemische Struktur und Größe ist es MC nicht möglich, durch Zellmembranen hindurch zu diffundieren, sondern sie benötigen hierfür Transporter, sogenannte organic anion transporting polypeptides (Nager Oatp / Mensch OATP). Des Weiteren besitzen nicht alle Oatps/OATPs dieselbe Affinität und Kapazität für all diejenigen MC Kongenere, die während einer Cyanoblüte auftreten können. Deshalb ist die Verteilung, d.h. die Toxikokinetik von einzelnen bzw. mehreren Kongeneren, absolut abhängig von der spezifischen Expression von Oatps/OATPs im Gewebe und in dessen Zellen. Erste Anhaltspunkte nach humanen und tierischen (Wild- und Haustiere) MC Intoxikationen deuten auf eine Hepato-, Nephro- und Neurotoxizität hin. Tatsächlich findet man Oatps/OATPs in Hepatozyten und kortikalen Epithelzellen der Niere, die auch einzelne MC Kongenere transportieren können. Um eine Neurotoxizität induzieren zu können, sollten daher Oatps/OATPs nicht nur in der Blut-Hirn-Schranke, sondern auch in neuronalen Membranen exprimiert werden.
Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob MC potente Neurotoxine darstellen. Hauptaugenmerk wurde auf eine Neuronen spezifische sowie MC Kongener abhängige Toxizität gelegt. In ersten in vitro Versuchen mit primären murinen Whole Brain Cells (mWBCs) sollten Anhaltspunkte gesammelt werden, die auf eine generelle MC Kongener abhängige Neurotoxizität hindeuten. Für eine genauere Abschätzung sollte in weiteren Versuchen mit primären murinen Cerebellar Granule Neurons (mCGNs), d.h. primäre Neurone, die Präsenz von mOatps, ein MC Kongener abhängiger Transport, PP Inhibition sowie eine in Folge auftretende Neuritendegradation und Cytotoxizität (Nekrose/Apoptose) untersucht werden. Abschließend sollte ein erster in vivo Versuch mit Mäusen die beobachteten in vitro Effekte bestätigen.
Zusammengefaßt zeigen die Daten eine mOatp abhängige Verteilung von MCs in mWBCs und mCGNs sowie einen MC Kongener anhängigen Cytotoxizitäts-Mechanismus, der MC-LF als den potentesten neurotoxischen MC Kongener darstellt. Da einzelne MC Kongenere sehr stark in ihrem neurotoxischen Potential variierten, sollte die momentane Risikobewertung, die nur auf MC-LR beruht, neu überarbeitet werden. Dies ist von höchster Wichtigkeit, da MC-LF häufig in Oberflächengewässern einer auftretenden Cyanoblüte zu finden ist. Folglich zeigen die Daten dieser Studie das Vorkommen eines neuen bis jetzt noch nicht in Betracht gezogenen Risikos durch MC für Mensch und Tier.

Contamination of natural waters by toxic cyanobacteria is a growing worldwide problem, representing serious risks to public health. Human poisonings have been associated with chronic exposure to low toxin concentrations via drinking water, contaminated food (e.g. fish, prawns, Blue-Green Algae Supplements) or as a result of recreational water activities in surface waters with toxic cyanobacteria blooms. Microcystins (MCs) are the most commonly found group of cyclic heptapeptide cyanotoxins with more than 80 structural variants (congeners). MC-LR, in comparison to other MC congeners, was demonstrated to be toxic in vitro and in vivo, whereby the mechanism of toxicity (toxicodynamics) is currently assumed to primarily stem from the specific and irreversible inhibition of serine/threonine protein phosphatases (PPs). However, due to their structure and size, MCs cannot penetrate cell membranes by simple diffusion but rather require organic anion transporting polypeptides (rodent Oatp / human OATP) for an active uptake. Moreover, not all Oatps/OATPs have an identical affinity and capacity for MC congeners present in an actual cyanobacterial bloom situation. Therefore, the distribution i.e. toxicokinetics of an individual MC congener(s) appear to entirely depend on the tissue and cell-type inherent expression of specific Oatp/OATP transporters. Initial evidence from human and animal (wild and domestic) MC intoxications suggests that MCs can elicit hepato-, nephro- as well as neurotoxicity. Indeed, the presence of Oatp/OATP in hepatocytes and renal cortical epithelial cells have been demonstrated and also shown to transport some of the MC congeners. Consequently, OATPs/Oatps should be present not only at the blood-brain barrier, but also within the neuronal membrane in order that MCs can induce the assumed neurotoxicity.
The overall goal of this work was to investigate whether or not MCs represent potent neurotoxins in vitro and in vivo with a focus on neuron-specific toxicity induced by three different MC congeners. During initial in vitro experiments using primary murine Whole Brain Cells (mWBCs) preliminary evidence for single MC congener dependent general neurotoxicity should be assessed. For a more refined assessment of neurotoxicity, primary murine Cerebellar Granule Neurons (mCGNs), i.e. primary neurons, should allow determination of the presence of mOatps, MC congener- dependent uptake, and ensuing PP inhibition, neurite degeneration and cytotoxicity (necrosis/apoptosis). Finally, a first in vivo experiment with mice should allow confirmation of the effects observed in vitro.
In summary the data suggest a mOatp dependent distribution of MCs in mWBCs and mCGNs as well as a MC congener dependent mechanism of cytotoxicity, pointing to MC-LF as being the most potent MC for potential neurotoxic effects. As individual MC congeners differ strongly in their potential neurotoxicity, the current risk assessment, based solely on MC-LR, may need a revision. The latter is of utmost importance, as the most potent potential neurotoxic MC, MC-LF, occurs with regularly in cyanobacterial blooms of surface waters. Thus, the results of these studies suggest the presence of a new and not yet carefully considered hazard for humans and animals.