肉毒素是肉毒桿菌在生長繁殖過程中產生的一種細菌外毒素。根據肉毒素抗原性的不同，可將其分為A、B、C1、C2、D、E、F、G八個型。這些毒素的分子質量都在150kD左右，其中A型是毒力最強的。目前已開發應用於臨床的主要是A型和B型。
A型肉毒素是由二硫鍵結合的重鏈和輕鏈組成的多肽鏈，該鏈可以被蛋白酶裂解。A型肉毒素是通過對乙醯膽鹼釋放所必需的蛋白質的裂解而阻斷神經肌肉傳導，並引起鬆弛性麻痺。在正常情況下肌肉收縮過程是：神經衝動→乙醯膽鹼（Ach）→終板電位→肌肉動作電位→肌肉收縮，注射後的毒素結合在膽鹼能神經末梢的受體部位，毒素肽鏈的重鏈結合在神經末梢的無髓鞘區域，毒素本身進入神經膜，乙醯膽鹼被輕鏈阻斷在胞漿內，不能通過神經肌肉接點，神經不再傳遞介質，肌肉就發生麻痺，從而降低肌張力，緩解肌痙攣。A型肉毒素不阻斷神經興奮的傳播，神經和肌肉都沒有興奮性和傳導性的損傷，這種作用叫做化學去神經作用。
肉毒素治療皺紋的機理在於，面部表情肌止於面板，收縮時直接牽動面板，這些表情肌的反覆收縮是動力性面板皺紋產生的重要原因。肉毒素通過阻斷神經肌肉傳導、抑制肌肉的收縮而達到治療皺紋的作用。受注射的量影響，最早可在24h後，一般在注射毒素後48～72h出現目標肌肉的無力鬆弛，作用高峰通常在7～14天后到來。這種肌鬆弛時間是有限的，約維持3～6個月。
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