Le genre Gambierdiscus est capable de synthétiser au moins deux familles de toxines : l’une liposoluble, les ciguatoxines (CTXs) et l’autre hydrosoluble, les maitotoxines (MTXs). Il est généralement admis que seules les CTXs sont responsables de l'intoxication de type ciguatéra, les MTXs n’intervenant pas a priori dans les intoxications humaines.

Chez l’homme, la dose de toxines susceptible de provoquer les symptômes chez 50% des consommateurs est estimée à 2 ng/kg de poids corporel ( soit 2/100 000 ^ème de gramme!), ce qui classe ces toxines parmi les plus puissantes.

D’autres molécules comme les acides gambiériques, qui montrent une activité antifongique, et le gambiérol ont également été isolées des cultures de la micro-algue, mais leur rôle dans les intoxications ciguatériques reste à être confirmé.

On peut s’interroger sur l’intérêt écologique pour Gambierdiscus de produire ces toxines. Une des hypothèses proposées est que ces métabolites procurent un avantage écologique (e.g. mécanisme de défense) vis à vis de compétiteurs potentiels ou de prédateurs.

Les ciguatoxines (CTXs) sont des molécules polyéthers polycycliques, liposolubles, de poids moléculaire compris entre 1.023 et 1.159 Da. Il existe 3 grandes familles de CTXs réparties dans les 3 grandes zones affectées par la ciguatéra: les ciguatoxines du Pacifique ou P-CTXs, celles des Caraïbes ou C-CTXs et celles de l’océan Indien ou I-CTXs. Les P-CTXs, composées de 13 cycles éthers, sont décrites selon deux types 1 et 2, dont la différence réside notamment au niveau du cycle E. Les C-CTXs possèdent, quant à elles, 14 éthers cycliques. A ce jour, la structure des I-CTXs n'est toujours pas connue. Au total, on dénombre plus d’une quarantaine de CTXs différentes isolées principalement à partir des cellules de Gambierdiscus et de poissons toxiques.

Le panel des CTXs présentes dans les poissons contaminés peut également varier significativement d’une espèce pisciaire à l’autre, une même espèce pouvant héberger plusieurs CTXs différentes. On  parle ainsi de « profil toxinique » pour un étage trophique donné.

Les CTXs algales produites par Gambierdiscus subissent en effet des transformations depuis leur accumulation au niveau des poissons herbivores jusqu’à leur passage dans les poissons carnivores. Ce faisant, elles acquièrent une polarité de plus en plus élevée qui s’accompagne parallèlement d’une augmentation de toxicité. Ainsi, la P-CTX-1B retrouvée uniquement chez les carnivores est, par exemple, 30 fois plus toxique que la P-CTX-4B présente chez Gambierdiscus. Ce phénomène de biotransformation est à l’origine de la très grande diversité des profils toxiniques observés selon les poissons et l’étage trophique considérés.

L’ensemble de ces données illustre, en partie, la complexité des mécanismes à l’origine des importantes variations observées au niveau de la sévérité des flambées de ciguatéra, d’une zone géographique à l’autre.

Les cibles moléculaires privilégiées des CTXs sont les canaux sodiques dépendant du potentiel (CSDPs) qui jouent un rôle fondamental dans la genèse et la propagation de l'influx nerveux. La fixation des CTXssur les cellules électriquement excitables, va entraîner l'ouverture prolongée des canaux même au potentiel membranaire de repos, ce qui se traduit par un flux entrant continu d'ions Na+ dans les cellules. Afin de pallier cette augmentation du sodium intracellulaire, des mécanismes cellulaires se mettent alors en place pour permettre la fuite du Na+ contre une entrée de Ca2+, d’où une augmentation du calcium intracellulaire. Cette fixation quasi irréversible des CTXs sur les CSDPs a pour conséquence une altération à la fois de la conduction nerveuse et de la morphologie des cellules nerveuses.Plus récemment, des travaux ont montré qu’une autre cible potentielle des CTXs était les canaux calciques de type L. La fixation des CTXs sur ces canaux calciques entraînerait une cascade d’évènements enzymatiques aboutissant notamment à une surproduction de radical libre NO.

Altération de la conduction nerveuse

Une des conséquences bien connues de la fixation des CTXs sur les CSDPs est l'apparition de décharges spontanées et/ou répétitives de potentiels d'action. Cette augmentation marquée de l’excitabilité nerveuse active à son tour une libération soutenue de neurotransmetteurs (jusqu’à épuisement) au niveau des terminaisons nerveuses, provoquant ainsi une modification de l’efficacité synaptique voire une déficience de la transmission des messages nerveux. Ce sont ces potentiels d’action « désordonnés » que l’on cherche à contrebalancer voire supprimer dans le traitement symptomatique de la ciguatéra, par l’administration d’anesthésiques locaux tels que la lidocaïne ou par des perfusions de solutions externes hyperosmotiques de D-mannitol ou de saccharose.

Altérations morphologiques cellulaires

Une autre conséquence de l’entrée permanente d’ions Na+ dans les cellules est l’augmentation importante du volume des nœuds de Ranvier des fibres nerveuses myélinisées et des terminaisons synaptiques, suite à un appel d’eau du secteur extracellulaire vers le secteur intracellulaire. C’est cet ensemble de modifications induites par les CTXs (phénomènes de dépolarisation et d’hyper-excitabilité, augmentation du Na+ et Ca2+ intracellulaires, libération anarchique de neuromédiateurs, gonflement lié à l’afflux d’eau…) qui est à l’origine de la diversité des signes cliniques observés dans les cas d’intoxication. Ainsi, au niveau neurologique, la multitude de symptômes rencontrés lors d’une intoxication ciguatérique tels que les atteintes motrices, sensitives, cérébelleuses, psychiatriques, est une conséquence directe de l’altération des fibres du système nerveux périphérique, central et autonome. Au niveau digestif, c’est le niveau élevé de Ca²⁺ intracellulaire qui serait à l’origine des diarrhées profuses. Au niveau cardiaque, l’action des CTXs s’effectue par l’intermédiaire du système nerveux autonome, la bradycardie et l’hypotension étant liés à une hyperstimulation parasympathique (d’où la grande efficacité de l’atropine dans le traitement symptomatique de la ciguatéra) et à un faible tonus sympathique. Au niveau musculaire enfin, l’augmentation intracellulaire en calcium génère une augmentation de la fréquence et de l’intensité des contractions musculaires, tandis que les décharges de potentiels d’action spontanés et répétitifs induisent, elles, des contractions musculaires désordonnées. Ces effets sont d’autant plus importants lorsqu’ils concernent le muscle cardiaque puisque ce sont à la fois les nerfs irriguant le cœur et le muscle cardiaque qui sont touchés.