Kies je gif. Het kan dodelijk zijn om goede redenen, zoals het beschermen van gewassen tegen schadelijke insecten of het bestrijden van parasitaire infecties als medicijn - of voor het kwaad als wapen voor bioterrorisme. Of, in extreem verdunde hoeveelheden, het kan worden gebruikt om schoonheid te verbeteren.

Terwijl gerichte chemische aanvallen op burgers de krantenkoppen halen, de meest voorkomende vergiftigingsmeldingen in de Verenigde Staten zijn van accidentele blootstelling aan huishoudelijke chemicaliën zoals insectensprays, schoonmaakmiddelen of verkeerd gewassen fruit of groenten. In elk geval, de remedie is een snelwerkend, gif-jagende drug verbinding, en Oak Ridge National Laboratory loopt voorop bij het ontwikkelen van een nieuwe generatie levensreddende tegengiffen.

Simpel gezegd, "een gif is iets dat je gezondheid acuut aantast, of uw gezondheidstoestand, " zei Andrey Kovalevsky, een kristallograaf en biochemicus bij ORNL. Hij is een expert in begrip op atomair niveau van de enzymfunctie, geneesmiddelbinding en geneesmiddelresistentie. Met behulp van neutronen en röntgenstralen, hij bestudeert hoe enzymen in het lichaam werken en, afhankelijk van de bijzonderheden, hoe ze te remmen of te reactiveren met behulp van kleine organische moleculen.

"Afhankelijk van het gif en de hoeveelheid, het effect kan heel snel zijn - binnen enkele seconden - of het kan langzaam zijn, " voegde hij eraan toe. Het lichaam activeert zijn eigen verdediging om een ​​giftige stof tegen te gaan; het is meestal niet genoeg. Elk niveau van blootstelling kan dodelijk zijn, vooral als het type gif niet onmiddellijk bekend is bij een eerstehulpverlener of medisch team dat een getroffen patiënt behandelt.

Een tegengif moet snel handelen - voordat het gif onomkeerbare schade aanricht - om effectief te zijn en levens te redden.

Spiegel het gif

Kovalevsky maakt deel uit van een team onder leiding van Zoran Radić van de Universiteit van Californië, San Diego, het ontwikkelen van een nieuwe familie van antidota voor vergiften genaamd organofosfaten, waaronder zenuwgassen. Radić's onderzoek richt zich op unieke wijze op de oorzaak van organofosfaatvergiftiging, verder gaan dan alleen het behandelen van de symptomen zoals bij bestaande remedies.

Hun focus ligt op de complexe biochemische mechanismen die het zenuwstelsel van het lichaam controleren en onderhouden. Ze beginnen met acetylcholine, of ACh, dat is een verbinding die wordt aangetroffen op de kruising van spieren en zenuwen en ook in de hersenen. ACh functioneert als een neurotransmitter die de normale communicatie tussen zenuwen en spieren in stand houdt. Maar ACh handelt niet alleen.

Het enzym acetylcholinesterase, of AChE, is ook waar spieren en zenuwen elkaar ontmoeten. Het is zijn taak om specifieke controle te geven over de niveaus van de ACh-verbinding door deze af te breken, die ervoor zorgt dat de zenuwen goed functioneren.

Wanneer een persoon wordt blootgesteld aan een zenuwgas, of grote hoeveelheden insectenspray, bijvoorbeeld, het gif gaat snel vanuit de longen of de huid in de bloedbaan en snelt naar het zenuwstelsel. Als het de spier-zenuwovergangen bereikt, het gif overweldigt en remt het werk van het AChE-enzym.

Omdat het AChE-enzym wordt aangevallen en niet in staat is om ACh af te breken, de niveaus van de ACh-verbinding stijgen, verstoring van de balans tussen spieren en zenuwen. Dit veroorzaakt schade aan het lichaam.

"In plaats van te weinig van iets te zijn, er is teveel van deze neurotransmitter. Dus, de receptoren van de zenuwen zijn overprikkeld, en mensen kunnen in shock raken, tremoren en epileptische aanvallen krijgen en gaan zweten omdat hun klieren te veel werken, " legde Kovalevsky uit. Op het einde, de getroffen persoon zal waarschijnlijk sterven omdat ze zijn gestopt met ademen.

Radić zei dat het tegengif de activiteit van het gif moet weerspiegelen zonder als een remmer te werken. te.

"Deze vergiften, meestal bestaande uit ongeladen of neutrale moleculen, doorkruisen biologische membranen zeer snel in het bloed en worden vervolgens van bloed naar weefsel gedistribueerd, inclusief het centrale zenuwstelsel. En dit alles gebeurt in minuten na blootstelling, " hij zei.

"Het gif bereikt snel zijn doel, dus om dat doelwit te behandelen en de activiteit van het enzym te herstellen, we moeten een tegengif hebben dat hetzelfde doet."

Als het goed is gedaan, het tegengif zal het AChE-enzym van de aanval van het gif verlichten, in wezen het gifmolecuul wegsnijden dat aan het enzym is gehecht, en het toestaan ​​om de ACh-neurotransmitters te egaliseren en uiteindelijk het hele zenuwstelsel te kalmeren. De truc is om ervoor te zorgen dat het tegengif zo is ontworpen dat het niet te lang blijft zitten of te gehecht raakt aan het enzym - en een deel van het probleem wordt.

Te hulp schieten

In een door het CounterACT-programma gefinancierde studie, National Institutes of Health Office van de directeur en het National Institute of Neurological Disorders and Stroke en gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie , Het team van Radić ontwierp en testte snelwerkende geneesmiddelen, reactivators genaamd, op drie verschillende zenuwgassen en één pesticide met positieve eerste resultaten.

Het team begon met een bestaande medicijnverbinding (codenaam RS194B), die ongeveer 15 jaar eerder werd ontwikkeld door Radić en UC San Diego-professor Palmer Taylor, omdat het al veelbelovend was geweest om door de bloed-hersenbarrière te reizen toen het werd getest op primaten die waren blootgesteld aan organofosfaatvergiftiging.

Echter, de nieuw ontworpen reactivators presteerden beter in vitro, of buiten een levend organisme, dan RS194B, en het onderzoeksteam ontdekte waarom.

Op atomair niveau, RS194B kon de plaats van de gifactiviteit in het AChE-molecuul niet zo efficiënt bereiken als de nieuwe reactivators.

Voor deze studie is het team gebruikte röntgenkristallografische analyse om naar het RS194B-complex te kijken met alleen het AChE-enzym en introduceerde vervolgens een analoog van een chemisch zenuwagens genaamd VX - een van de dodelijkste chemicaliën ooit gemaakt. Hoewel RS194B niet bindt zoals verwacht, het experiment heeft ideeën aangewakkerd over het herontwerpen van "een soort elite-compound, ' zei Kovalevsky.

"We moeten het vermogen van de reactivator om de bloed-hersenbarrière te passeren verbeteren, losjes binden aan het enzym, grijp het gif chemisch en ga dan snel weg, " zei Kovalevsky. "We willen niet dat het blijft bij reactivering, zoals we doen voor veel standaardgeneesmiddelen die normaal gesproken een enzymfunctie remmen."

"Dat is ons doel. Daarom is het ontwerpen van reactivators een heel andere onderneming en zijn veel regels van conventioneel medicijnontwerp niet van toepassing, " hij voegde toe.

Na wat aanpassingen aan het medicijnontwerp, het team kwam met een nieuw paradigma dat de manier waarop onderzoekers denken over een reactivatorontwerp volledig kan veranderen. Ze voerden computersimulaties uit en synthetiseerden later verschillende veelbelovende verbindingen van de gewijzigde ontwerpopties, die details gaf over hun eigenschappen en aanwijzingen over hoe elke verbinding zou kunnen werken.

Ze analyseerden de impact van elke variatie in het medicijnontwerp, plus de originele RS194B, met zenuwgassen Sarin, Cyclosarine, VX en een pesticide Paraoxon. Ook, het team omvatte 2PAM (ook wel Pralidoxime genoemd) - het enige tegengif voor organofosfaatvergiftiging dat is goedgekeurd door de Amerikaanse Federal Drug Administration voor gebruik bij volwassenen en kinderen - dat diende als controle voor de experimenten.

"We wilden dat onze reactivatorontwerpen zo goed waren als of beter dan, 2PAM in deze onderzoeken, " zei Kovalevsky. Echter, 2PAM kan de bloed-hersenbarrière niet passeren. Het kan naar andere door gif aangetaste delen van het lichaam reizen om in te werken op het perifere zenuwstelsel, maar het wordt niet opnieuw geactiveerd in het centrale zenuwstelsel.

Op basis van de eerste resultaten van het onderzoek, verschillende varianten van het medicijnontwerp van het team werkten beter dan RS194B en 2PAM, waarvan Kovalevsky zei dat het een zeer bemoedigend resultaat is voor hun nieuwe ontwerpideeën voor reactivatoren.

"Een van de verschillen van ons tegengif is dat ze verschillende organofosfaatvergiften effectiever kunnen gebruiken, omdat hun reactiveringsstructuren kunnen veranderen met hun protonering, " zei Radić. "In tegenstelling tot röntgenstralen, diffractie van neutronen is een experimentele techniek die ons kan vertellen over de positie van protonen in zowel het tegengif als in het vergiftigde enzym."

Groot, kleine kristallen

Om een ​​beter beeld te krijgen van het nieuwe ontwerp van de reactivator, het team gebruikte neutronenkristallografie bij ORNL's High Flux Isotope Reactor, een Department of Energy Office of Science gebruikersfaciliteit. Kovalevsky bedient het instrument genaamd IMAGINE, die neutronendiffractietechnieken gebruikt om op atomaire schaal naar de structuur van een enkel kristal te kijken.

De moleculaire structuur van het eiwit is complex, waarvoor het nodig is om grote eenkristallen te laten groeien - een sterkte van ORNL - voor neutronendiffractie. Neutronen zijn zeer gevoelig voor lichte elementen zoals waterstof, en ze zijn bijzonder goed geschikt om individuele waterstofatomen te vinden in eiwitkristallen die röntgenstralen niet kunnen detecteren. De gegevens verzameld van IMAGINE, samen met informatie van een neutronenexperiment uitgevoerd aan het Institut Laue-Langevin in Frankrijk, bevestigde dat het mogelijk is om de locatie en verdeling van elk waterstofatoom in het eiwit te bepalen.

Het team zal doorgaan met het kweken van grotere kristallen voor analyse, die datasets met een hogere resolutie zouden moeten produceren en aanpassingen aan de veelbelovende, nieuwe medicijnontwerpen. Hun voortdurende onderzoek zou uiteindelijk een nieuwe klasse van snelwerkende, levensreddende antidota voor organofosfaatvergiftiging.