Giftkontrol:Jagter modgiften

Vælg din gift. Det kan være dødeligt af gode grunde, såsom at beskytte afgrøder mod skadelige insekter eller bekæmpe parasitinfektion som medicin - eller for ondskab som et våben til bioterrorisme. Eller, i ekstremt fortyndede mængder, det kan bruges til at forbedre skønheden.

Mens målrettede kemiske angreb på civile har en tendens til at lave overskrifter, de mest almindelige forgiftningsrapporter i USA er fra utilsigtet udsættelse for husholdningskemikalier såsom insektspray, rengøringsopløsninger eller forkert vasket frugt eller grønt. Under alle omstændigheder, midlet er hurtigtvirkende, giftjagende lægemiddelforbindelse, og Oak Ridge National Laboratory er på forkant med at udvikle en ny generation af livreddende modgift.

Kort fortalt, "en gift er noget, der akut forringer dit helbred, eller din sundhedstilstand, "sagde Andrey Kovalevsky, en krystallograf og biokemiker ved ORNL. Han er ekspert i forståelse på atomniveau af enzymfunktion, lægemiddelbinding og lægemiddelresistens. Ved hjælp af neutroner og røntgenstråler, han studerer, hvordan enzymer virker i kroppen, og afhængigt af detaljerne, hvordan man hæmmer eller reaktiverer dem ved hjælp af små organiske molekyler.

"Afhængig af gift og mængde, effekten kan være meget hurtig - inden for få sekunder - eller den kan være langsom, "tilføjede han. Kroppen udløser sit eget forsvar for at modvirke et giftigt stof; det er normalt ikke nok. Ethvert eksponeringsniveau kan være dødeligt, især hvis giftformen ikke umiddelbart er kendt af en førstehjælper eller et medicinsk team, der behandler en berørt patient.

En modgift skal handle hurtigt - før giften gør irreversibel skade - for at være effektiv og redde liv.

Spejl giften

Kovalevsky er en del af et team ledet af Zoran Radić fra University of California, San Diego, udvikle en ny familie af modgift mod giftstoffer kaldet organophosphater, som omfatter nervemidler. Radićs forskning retter sig unikt mod hovedårsagen til organofosfatforgiftning, går ud over bare at behandle symptomerne som med eksisterende midler.

Deres fokus er på de komplekse biokemiske mekanismer, der styrer og vedligeholder kroppens nervesystem. De starter med acetylcholin, eller ACh, som er en forbindelse, der findes ved krydset mellem muskler og nerver og også i hjernen. ACh fungerer som en neurotransmitter, der opretholder normal kommunikation mellem nerver og muskler. Men ACh handler ikke alene.

Enzymet kaldet acetylcholinesterase, eller AChE, er også, hvor muskler og nerver mødes. Dens opgave er at give specifik kontrol af niveauerne af ACh -forbindelse ved at nedbryde det, hvilket sikrer, at nerverne fungerer korrekt.

Når en person udsættes for et nervemiddel, eller til store mængder af en insektspray, for eksempel, giften passerer hurtigt fra lungerne eller huden ind i blodbanen og løb til nervesystemet. Når det når muskel-nervekrydsene, giften overvælder og hæmmer arbejdet i AChE -enzymet.

Da AChE -enzymet er under angreb og ude af stand til at nedbryde ACh, niveauerne af ACh -forbindelsen stiger, forstyrrer balancen mellem muskler og nerver. Dette ødelægger kroppen.

"I stedet for at være for lidt af noget, der er for meget af denne neurotransmitter. Så, nervernes receptorer er overopspændte, og folk kan gå i chok, har rysten og anfald og begynder at svede, fordi deres kirtler arbejder for meget, "Forklarede Kovalevsky. Til sidst den berørte person vil sandsynligvis dø, fordi han holdt op med at trække vejret.

Radić sagde, at modgiften skal spejle giftens aktivitet uden at virke som en hæmmer, også.

"Disse giftstoffer, typisk består af uladede eller neutrale molekyler, krydser biologiske membraner meget hurtigt ind i blodet og fordeles derefter fra blod til væv, herunder centralnervesystemet. Og alt dette sker på få minutter efter eksponering, " han sagde.

"Giften når hurtigt sit mål, så for at behandle det mål og gendanne enzymets aktivitet, vi skal have en modgift, der gør det samme. "

Hvis det gøres rigtigt, modgiften vil lindre AChE -enzymet fra giftens angreb, i det væsentlige udskille giftens molekyle bundet til enzymet, og lade det begynde at udjævne ACh -neurotransmitterne og i sidste ende berolige hele nervesystemet. Tricket er at sikre, at modgiften er designet til ikke at blive for lang eller blive for knyttet til enzymet - og blive en del af problemet.

Til undsætning

I en undersøgelse finansieret af CounterACT -programmet, National Institutes of Health Office of the Director og National Institute of Neurological Disorders and Stroke og offentliggjort i Journal of Biological Chemistry , Radićs team designede og testede hurtigtvirkende lægemidler kaldet reaktivatorer på tre forskellige nervemidler og et pesticid med positive indledende resultater.

Teamet startede med en eksisterende lægemiddelforbindelse (kodenavn RS194B), som blev udviklet af Radić og UC San Diego professor Palmer Taylor cirka 15 år tidligere, fordi den allerede havde vist løfte om at rejse gennem blod-hjerne-barrieren, når den blev testet på primater udsat for forgiftning med organofosfat.

Imidlertid, de nydesignede reaktivatorer klarede sig bedre in vitro, eller uden for en levende organisme, end RS194B, og forskergruppen fandt ud af hvorfor.

På atomniveau, RS194B kunne ikke nå stedet for giftens aktivitet i AChE -molekylet lige så effektivt som de nye reaktivatorer.

Til denne undersøgelse, teamet brugte røntgenkrystallografisk analyse til at se på RS194B-komplekset med AChE-enzymet alene og introducerede derefter en analog af et kemisk nervemiddel kaldet VX-en af ​​de dødeligste kemikalier, der nogensinde er fremstillet. Mens RS194B ikke binder som forventet, eksperimentet fremmede ideer til, hvordan man redesign "en slags elitesammensætning, "Sagde Kovalevsky.

"Vi er nødt til at forbedre reaktiveringens evne til at krydse blod-hjerne-barrieren, binde løst til enzymet, kemisk rive giften og derefter gå hurtigt, "Sagde Kovalevsky." Vi ønsker ikke, at det skal forblive ved genaktivering, som vi gør for mange standardlægemidler, der normalt hæmmer en enzymfunktion. "

"Det er vores mål. Derfor er design af reaktivatorer en helt anden opgave, og mange regler for konventionelt lægemiddeldesign gælder ikke, " han tilføjede.

Efter nogle tweaks til lægemiddeldesignet, holdet kom med et nyt paradigme, der fuldstændigt kan ændre, hvordan forskere tænker om et reaktiveringsdesign. De kørte computersimuleringer og syntetiserede senere flere mest lovende forbindelser af de ændrede designmuligheder, som gav detaljer om deres egenskaber og spor om, hvordan hver forbindelse kunne fungere.

De analyserede virkningen af ​​hver variation i lægemiddeldesign, plus den originale RS194B, med nervestoffer Sarin, Cyclosarin, VX og et pesticid Paraoxon. Også, holdet inkluderede 2PAM (også kaldet Pralidoxime) - den eneste modgift mod organofosfatforgiftning, der er godkendt af den amerikanske føderale lægemiddeladministration til brug hos voksne og børn - som tjente som kontrol for forsøgene.

"Vi ville have, at vores reaktiveringsdesign var så godt som, eller bedre end, 2PAM i disse undersøgelser, sagde Kovalevsky. 2PAM er ikke i stand til at krydse blod-hjerne-barrieren. Det kan rejse til andre giftvirkede områder af kroppen for at virke på det perifere nervesystem, men det genaktiveres ikke i centralnervesystemet.

Baseret på undersøgelsens første resultater, flere af teamets variationer i lægemiddeldesign fungerede bedre end RS194B og 2PAM, som Kovalevsky sagde er et meget opmuntrende resultat for deres nye ideer til reaktiveringsdesign.

"En af sondringerne ved vores modgift er, at de mere effektivt kan engagere forskellige organofosfatgifte, fordi deres reaktiveringsstrukturer kan ændre sig med deres protonation, "Sagde Radić." I modsætning til røntgenstråler, diffraktion af neutroner er en eksperimentel teknik, der kan fortælle os om protonernes position i både modgiften og i det forgiftede enzym. "

Stor, små krystaller

For at få et bedre billede af det nye reaktiveringsdesign, holdet brugte neutronkrystallografi ved ORNL's High Flux Isotope Reactor, en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet. Kovalevsky driver instrumentet IMAGINE, som bruger neutrondiffraktionsteknikker til at se på strukturen af ​​en enkelt krystal i atomskala.

Proteinets molekylære struktur er kompleks, som kræver dyrkning af store enkeltkrystaller - en styrke af ORNL'er - for neutrondiffraktion. Neutroner er meget følsomme over for lette elementer som brint, og de er særligt velegnede til at finde individuelle hydrogenatomer i proteinkrystaller, som røntgenstråler ikke kan detektere. Data indsamlet fra IMAGINE, sammen med oplysninger fra et neutronforsøg udført på Institut Laue – Langevin i Frankrig, bekræftet, at det er muligt at fastslå placeringen og fordelingen af ​​hvert brintatom i proteinet.

Teamet vil fortsætte med at dyrke større krystaller til analyse, som skulle producere datasæt med højere opløsning og informere om tilpasninger til de lovende, nye lægemiddeldesign. Deres fortsatte forskning kunne i sidste ende bekræfte en ny klasse af hurtigtvirkende, livreddende modgift mod forgiftning af organophosphat.