thumb|300px|right|Las neurotoxinas pueden ser encontradas en un gran número de organismos, incluyendo cepas de cianobacteriasSivonen, K. (1999) «Toxins produced by cyanobacteria.» Vesitalous, 5: 11-18. las cuales pueden ser encontradas en la proliferación de algas o varadas en la orilla de espuma verde.Scottish Government Blue-Green Algae (Cyanobacteria) in Inland Waters: Assessment and Control of Risks to Public Health. Consultado el 15 de diciembre de 2011.
Las neurotoxinas son una clase extensa de sustancias químicas exógenas neurológicamente dañinasSpencer PS, Schaumburg HH, Ludolph AC (Eds) (2000) Experimental and Clinical Neurotoxicology. Oxford University Press, Oxford, pp. 1310. que pueden causar efectos adversos en la función tanto del tejido nervioso en desarrollo como en el maduro.Olney, John W. (2002) "New Insights and New Issues in Developmental Neurotoxicology". NeuroToxicology, 23 (6): 659-68. El término neurotoxina deriva del griego antiguo νευρών (nevron) “nervio” y τοξικόν (toxikon) “toxina”. También puede ser usado para clasificar compuestos endógenos que cuando están presentes en concentraciones anormales pueden convertirse en neurológicamente tóxicos. Aunque las neurotoxinas suelen ser neurológicamente destructivas, su habilidad para tener como objetivo específico los componentes neurales es importante en el estudio de los sistemas nerviosos.Kiernan, Matthew C., Geoffrey K. Isbister, Cindy S.-Y. Lin, David Burke, and Hugh Bostock (2005) "Acute Tetrodotoxin-induced Neurotoxicity after Ingestion of Puffer Fish". Annals of Neurology, 57 (3): 339-48. Ejemplos comunes de neurotoxinas incluyen plomo,Lidsky, Theodore I. (2003) "Lead Neurotoxicity in Children: Basic Mechanisms and Clinical Correlates". Brain. 126 (1): 5-19. Online. etanol,Heaton, Marieta Barrow, J. Jean Mitchell, and Michael Paiva (2000) "Amelioration of Ethanol-Induced Neurotoxicity in the Neonatal Rat Central Nervous System by Antioxidant Therapy". Alcoholism: Clinical and Experimental Research, 24 (4): 512-18. glutamato,Choi, Dennis W (1987) "Ionic Dependence of Glutamate Neurotoxicity". The Journal of Neuroscience, 7 (2): 369-79. óxido nítrico (NO),Zhang, J., V. Dawson, T. Dawson, and S. Snyder (1994) "Nitric Oxide Activation of Poly(ADP-ribose) Synthetase in Neurotoxicity". Science, 263 (5147): 687-89. toxina botulínica,Rosales, Raymond L., Kimiyoshi Arimura, Satoshi Takenaga, and Mitsuhiro Osame (1996) "Extrafusal and Intrafusal Muscle Effects in Experimental Botulinum Toxin-A Injection". Muscle & Nerve, 19 (4): 488-96. toxina tetánicaSimpson, L. L. (1986) "Molecular Pharmacology of Botulinum Toxin and Tetanus Toxin". Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 26 (1): 427-53. y tetrodotoxina.
La actividad de las neurotoxinas puede ser caracterizada por la habilidad de inhibir el control neuronal sobre las concentraciones de iones a través de la membrana celular o la comunicación entre las neuronas a través de la sinapsis.Arnon, Stephen S., Robert Schechter, Thomas V. Inglesby, Donald A. Henderson, John G. Bartlett, Michael S. Ascher, Edward Eitzen, Anne D. Fine, Jerome Hauer, Marcelle Layton, Scott Lillibridge, Michael T. Osterholm, Tara O'Toole, Gerald Parker, Trish M. Perl, Philip K. Russell, David L. Swerdlow y Kevin Tonat (2001) "Botulinum Toxin as a Biological Weapon". The Journal of the Americal Medical Association, 285 (8): 1059-069.
Las patologías locales de la exposición a neurotoxinas suelen incluir excitotoxicidad o apoptosis neuronal,Dikranian, K (2001) "Apoptosis in the in Vivo Mammalian Forebrain". Neurobiology of Disease, 8 (3): 359-79. pero también puede incluir daño de las células gliales.Las manifestaciones macroscópicas de exposición a neurotoxinas pueden incluir daño extendido al sistema nervioso central como retraso mental, deficiencia de memoria persistente,Jevtovic-Todorovic, Vesna, Richard E. Hartman, Yukitoshi Izumi, Nicholas D. Benshoff, Krikor Dikranian, Charles F. Zorumski, John W. Olney y David F. Wozniak (2003) "Early Exposure to Common Anesthetic Agents Causes Widespread Neurodegeneration in the Developing Rat Brain and Persistent Learning Deficits". The Journal of Neuroscience, 23 (3): 876-82. epilepsia y demencia.Nadler, J. Victor, Bruce W. Perry y Carl W. Cotman (1978) "Intraventricular Kainic Acid Preferentially Destroys Hippocampal Pyramidal Cells". Nature, 271 (5646): 676-77. Adicionalmente, es común el daño del sistema nervioso periférico mediado por neurotoxinas como la neuropatía o la miopatía. Han sido demostrados tratamientos de ayuda frente a los daños causados por neurotoxinas tales como la administración de antioxidantes, antitoxinasThyagarajan, B., N. Krivitskaya, J. G. Potian, K. Hognason, C. C. Garcia y J. J. McArdle (2009) "Capsaicin Protects Mouse Neuromuscular Junctions from the Neuroparalytic Effects of Botulinum Neurotoxin A". Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics, 331 (2): 361-71. y etanol.Takadera, Tsuneo, Risa Suzuki y Tetsuro Mohri (1990 "Protection by Ethanol of Cortical Neurons from N-methyl-d-aspartate-induced Neurotoxicity Is Associated with Blocking Calcium Influx". Brain Research, 537(1-2): 109-14.
Antecedentes
thumb|upright=1.5|alt=Complete labeled neuron.|Ilustración de una típica neurona multipolar. La exposición a neurotoxinas en la sociedad no es nueva, pues las civilizaciones han estado expuestas a compuestos neurológicamente destructivos durante miles de años. Un ejemplo notable es la significativa exposición a plomo durante el Imperio Romano resultante del desarrollo de la extensa red de alcantarillado y del hábito de hervir vino avinagrado en cazuelas de plomo para endulzarlo, proceso que generaba acetato de plomo conocido como “azúcar de plomo”.Hodge, A. Trevor (2002) Roman Aqueducts and Water Supply. London: Duckworth. En parte, las neurotoxinas han sido parte de la historia de la humanidad debido a la frágil y susceptible naturaleza del sistema nervioso, creando una alta tendencia a la disrupción.
El tejido nervioso presente en el cerebro, en la médula espinal y en la periferia comprende un extraordinario y complejo sistema biológico que define en gran medida muchos de los rasgos únicos de los individuos. Al igual que cualquier sistema muy complejo, incluso pequeñas perturbaciones en su entorno pueden provocar alteraciones funcionales significativas. Entre las propiedades que conducen a la susceptibilidad de los tejidos nerviosos se incluyen: la presencia de una gran superficie de neuronas, un alto contenido de lípidos que retiene toxinas lipofílicas, un alto flujo de sangre hacia el cerebro lo que induce una mayor exposición efectiva a la toxina, y la persistencia de las neuronas a través de la vida del individuo, lo que agrava los daños y perjuicios.Dobbs, Michael R (2009) Clinical Neurotoxicology. Philadelphia: Saunders-Elsevier. Como resultado, el sistema nervioso tiene numerosos mecanismos diseñados para protegerlo frente a ataques internos y externos, incluyendo la barrera hematoencefálica.
La barrera hematoencefálica es un ejemplo crítico de protección el cual previene que toxinas y otros compuestos adversos alcancen el cerebro.Widmaier, Eric P., Hershel Raff, Kevin T. Strang, and Arthur J. Vander (2008) Vander's Human Physiology: the Mechanisms of Body Function. Boston: McGraw-Hill Higher Education. Como el cerebro requiere la entrada de nutrientes y la salida de residuos, es prefundido por el flujo sanguíneo. La sangre puede transportar un gran número de tóxicos ingeridos, que inducirían una significativa muerte de neuronas si ellas alcanzaran el tejido nervioso. Por consiguiente, las células protectoras denominadas astrocitos rodean los capilares del cerebro y absorben los nutrientes de la sangre para posteriormente transportarlos a las neuronas, aislando con eficiencia al cerebro de un gran número de potenciales agentes químicos nocivos. thumb|left|upright=1.5|alt=Blood Brain Barrier.|Astrocitos rodeando los capilares del cerebro para formar la barrera hematoencefálica.
Esta barrera crea una capa hidrófoba alrededor de los capilares del cerebro inhibiendo el trasporte de compuestos grandes o hidrófilos. Además de la barrera hematoencefálica, el plexo coroideo proporciona una capa de protección contra la absorción de toxinas en el cerebro. Los plexos coroideos son capas de tejido vascularizado que se encuentran en los ventrículos tercero, cuarto, ventrículos laterales del cerebro, que a través de la función de sus células ependimarias, son responsables de la síntesis de líquido cefalorraquídeo.Martini, Frederic, Michael J. Timmons, and Robert B. Tallitsch (2009) Human Anatomy. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings. Es importante destacar que, a través del paso selectivo de iones y nutrientes y la captación de metales pesados tales como el plomo, los plexos coroideos mantienen un entorno estrictamente regulado que contiene al cerebro y la médula espinar debido a que están rodeados de líquido cefalorraquídeo. thumb|alt=Choroid plexus.|<center>Plexo coroideo.<center>
Al ser hidrofóbicos y pequeños, o inhibir la función de los astrocitos, algunos compuestos entre los que se incluyen ciertas neurotoxinas son capaces de penetrar en el cerebro e inducir daños significativos. Actualmente, a los científicos y los médicos se les ha presentado el reto de identificar y tratar a las neurotoxinas, lo que ha dado lugar a un creciente interés en la investigación de la Neurotoxicología y los estudios clínicos.Costa, Lucio G., Gennaro Giordano, and Marina Guizzetti (2011) In Vitro Neurotoxicology: Methods and Protocols. New York: Humana. La neurotoxicología clínica es en gran parte un campo floreciente, se han realizado extensos avances en la identificación de muchas neurotoxinas ambientales que han conducido a la clasificación de 750 a 1000 compuestos conocidos como potencialmente neurotóxicos. Debido a la gran importancia de encontrar de neurotoxinas en ambientes comunes, diversos protocolos específicos han sido desarrollados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) para probar y determinar los efectos neurotóxicos de los compuestos (USEPA 1998). Además, el uso de sistemas in vitro ha aumentado, ya que proporcionan mejoras significativas frente a los sistemas in vivo del pasado. Ejemplos de mejoras incluyen ambientes uniformes manejables, y la eliminación de la contaminación de los efectos del metabolismo sistémico. Sin embargo, los sistemas in vitro han presentado problemas, ya que ha sido difícil replicar adecuadamente las complejidades del sistema nervioso, tales como las interacciones entre los astrocitos y las neuronas de apoyo en la creación de la barrera hematoencefálica.Harry, G. J., Melvin Billingsley, Arendd Bruinink, Iain L. Campbell, Werner Classen, David C. Dorman, Corrado Galli, David Ray, Robert A. Smith, and Hugh A. Tilson (1998) "In Vitro Techniques for the Assessment of Neurotoxicity". Environmental Health Perspectives, 106: 131–58. Para complicar aun más el proceso de la determinación de neurotoxinas cuando se prueba in vitro, podría no distinguirse bien la citotoxicidad o la neurotoxicidad, ya que exponer a las neuronas directamente a las neurotoxinas podría no ser posible in vivo, y sí que lo es in vitro. Además, la respuesta de las células a productos químicos no puede transmitir con precisión una distinción entre neurotoxinas y citotoxinas, ya que síntomas como el estrés oxidativo o las modificaciones del citoesqueleto podrían ocurrir en respuesta a ambas.Gartlon, J., A. Kinsner, A. Balprice, S. Coecke, and R. Clothier (2006) "Evaluation of a Proposed in Vitro Test Strategy Using Neuronal and Non-neuronal Cell Systems for Detecting Neurotoxicity". Toxicology in Vitro, 20 (8): 1569-581.