Scegli il tuo veleno. Può essere mortale per buone ragioni come proteggere i raccolti da insetti dannosi o combattere l'infezione da parassiti come medicina, o per il male come arma per il bioterrorismo. O, in quantità estremamente diluite, può essere usato per migliorare la bellezza.

Mentre gli attacchi chimici mirati ai civili tendono a fare notizia, i rapporti di avvelenamento più comuni negli Stati Uniti provengono dall'esposizione accidentale a prodotti chimici domestici come spray per insetti, soluzioni detergenti o frutta o verdura lavate in modo improprio. In ogni caso, il rimedio è un'azione rapida, composto di droga a caccia di veleno, e l'Oak Ridge National Laboratory è in prima linea nello sviluppo di una nuova generazione di antidoti salvavita.

In poche parole, "un veleno è qualcosa che degrada acutamente la tua salute, o il tuo stato di salute, " ha detto Andrey Kovalevsky, un cristallografo e biochimico all'ORNL. È un esperto nella comprensione a livello atomico della funzione enzimatica, legame ai farmaci e resistenza ai farmaci. Utilizzando neutroni e raggi X, studia come funzionano gli enzimi nel corpo e, a seconda delle specifiche, come inibirli o riattivarli utilizzando piccole molecole organiche.

"A seconda del veleno e della quantità, l'effetto può essere molto rapido, in pochi secondi, oppure può essere lento, " ha aggiunto. Il corpo innesca le proprie difese per contrastare una sostanza velenosa; tuttavia, di solito non basta. Qualsiasi livello di esposizione potrebbe essere mortale, soprattutto se il tipo di veleno non è immediatamente noto a un primo soccorritore o a un'équipe medica che si occupa di un paziente affetto.

Un antidoto deve agire rapidamente, prima che il veleno faccia danni irreversibili, per essere efficace e salvare vite umane.

Specchio il veleno

Kovalevsky fa parte di un team guidato da Zoran Radić dell'Università della California, San Diego, sviluppando una nuova famiglia di antidoti per i veleni chiamati organofosfati, che includono agenti nervini. La ricerca di Radić si rivolge unicamente alla causa principale dell'avvelenamento da organofosfati, andando oltre il semplice trattamento dei sintomi come con i rimedi esistenti.

La loro attenzione è sui complessi meccanismi biochimici che controllano e mantengono il sistema nervoso del corpo. Iniziano con acetilcolina, o ACh, che è un composto che si trova alla giunzione di muscoli e nervi e anche nel cervello. L'ACh funziona come un neurotrasmettitore che mantiene la normale comunicazione tra nervi e muscoli. Ma ACh non agisce da solo.

L'enzima chiamato acetilcolinesterasi, o AChE, è anche il punto in cui si incontrano muscoli e nervi. Il suo compito è quello di fornire un controllo specifico dei livelli di composto di ACh degradandolo, che assicura che i nervi funzionino correttamente.

Quando una persona è esposta a un agente nervino, o a abbondanti quantità di spray per insetti, ad esempio, il veleno passa rapidamente dai polmoni o dalla pelle nel flusso sanguigno e corre al sistema nervoso. Quando raggiunge le giunzioni muscolo-nervose, il veleno travolge e inibisce il lavoro dell'enzima AChE.

Poiché l'enzima AChE è sotto attacco e non è in grado di degradare l'ACh, i livelli del composto ACh aumentano, alterando l'equilibrio tra muscoli e nervi. Questo provoca il caos sul corpo.

"Invece di essere troppo poco di qualcosa, c'è troppo di questo neurotrasmettitore. Così, i recettori dei nervi sono sovraeccitati, e le persone possono andare in shock, hanno tremori e convulsioni e iniziano a sudare perché le loro ghiandole funzionano troppo, " ha spiegato Kovalevsky. Alla fine, la persona colpita probabilmente morirà perché ha smesso di respirare.

Radić ha detto che l'antidoto deve rispecchiare l'attività del veleno senza agire da inibitore, pure.

"Questi veleni, tipicamente composto da molecole non cariche o neutre, attraversano le membrane biologiche molto rapidamente nel sangue e vengono quindi distribuiti dal sangue ai tessuti, compreso il sistema nervoso centrale. E tutto questo accade in pochi minuti dopo l'esposizione, " Egli ha detto.

"Il veleno raggiunge rapidamente il suo obiettivo, quindi per trattare quel bersaglio e recuperare l'attività dell'enzima, dobbiamo avere un antidoto che faccia lo stesso".

Se fatto bene, l'antidoto allevierà l'enzima AChE dall'attacco del veleno, essenzialmente asportando la molecola del veleno attaccata all'enzima, e permettendogli di iniziare a livellare i neurotrasmettitori ACh e infine a calmare l'intero sistema nervoso. Il trucco consiste nell'assicurarsi che l'antidoto sia progettato per non rimanere troppo a lungo o rimanere troppo attaccato all'enzima e diventare parte del problema.

Al salvataggio

In uno studio finanziato dal programma CounterACT, National Institutes of Health Office del Direttore e dell'Istituto Nazionale di Malattie Neurologiche e Ictus e pubblicato nel Journal of Biological Chemistry , Il team di Radić ha progettato e testato farmaci ad azione rapida chiamati riattivatori su tre diversi agenti nervini e un pesticida con risultati iniziali positivi.

Il team ha iniziato con un composto farmacologico esistente (nome in codice RS194B), che è stato sviluppato da Radić e dal professore dell'UC San Diego Palmer Taylor circa 15 anni prima, perché aveva già mostrato risultati promettenti nel viaggiare attraverso la barriera emato-encefalica quando era stato testato su primati esposti ad avvelenamento da organofosfati.

Però, i riattivatori di nuova concezione si sono comportati meglio in vitro, o al di fuori di un organismo vivente, rispetto a RS194B, e il team di ricerca ha capito perché.

A livello atomico, RS194B non è riuscito a raggiungere il sito dell'attività del veleno all'interno della molecola AChE con la stessa efficienza dei nuovi riattivatori.

Per questo studio, il team ha utilizzato l'analisi cristallografica a raggi X per esaminare il complesso RS194B con il solo enzima AChE e poi ha introdotto un analogo di un agente nervino chimico chiamato VX, una delle sostanze chimiche più letali mai prodotte. Sebbene RS194B non si sia vincolato come previsto, l'esperimento ha promosso idee su come ridisegnare "una sorta di complesso d'élite, " ha detto Kovalevskij.

"Dobbiamo migliorare la capacità del riattivatore di attraversare la barriera emato-encefalica, si legano liberamente all'enzima, strappare chimicamente il veleno e poi andarsene velocemente, " ha detto Kovalevsky. "Non vogliamo che rimanga dopo la riattivazione, come facciamo per molti farmaci standard che normalmente inibiscono una funzione enzimatica".

"Questo è il nostro obiettivo. Ecco perché progettare riattivatori è uno sforzo completamente diverso e molte regole della progettazione di farmaci convenzionali non si applicano, " Ha aggiunto.

Dopo alcune modifiche al design del farmaco, il team ha ideato un nuovo paradigma che può cambiare completamente il modo in cui i ricercatori pensano al progetto di un riattivatore. Hanno eseguito simulazioni al computer e successivamente sintetizzato diversi composti più promettenti delle opzioni di progettazione alterate, che ha fornito dettagli sulle loro proprietà e indizi su come ciascun composto potrebbe funzionare.

Hanno analizzato l'impatto di ogni variazione del design del farmaco, più l'originale RS194B, con agenti nervini Sarin, ciclosarina, VX e un pesticida Paraoxon. Anche, il team includeva 2PAM (chiamato anche Pralidoxime), l'unico antidoto per l'avvelenamento da organofosfati approvato dalla Federal Drug Administration degli Stati Uniti per l'uso in adulti e bambini, che fungeva da controllo per gli esperimenti.

"Volevamo che i nostri progetti di riattivatori fossero buoni come, o meglio di, 2PAM in questi studi, " ha detto Kovalevsky. Tuttavia, 2PAM non è in grado di attraversare la barriera ematoencefalica. Può viaggiare in altre aree del corpo colpite dal veleno per agire sul sistema nervoso periferico, ma non si riattiva nel sistema nervoso centrale.

Sulla base dei primi risultati dello studio, molte delle varianti di progettazione dei farmaci del team hanno funzionato meglio di RS194B e 2PAM, che Kovalevsky ha detto che è un risultato molto incoraggiante per le loro nuove idee di design del riattivatore.

"Una delle distinzioni del nostro antidoto è che possono coinvolgere diversi veleni organofosfati in modo più efficace, perché le loro strutture di riattivazione possono cambiare con la loro protonazione, " ha detto Radić. "A differenza dei raggi X, la diffrazione dei neutroni è una tecnica sperimentale che può dirci sulla posizione dei protoni sia nell'antidoto che nell'enzima avvelenato."

Grande, piccoli cristalli

Per avere un quadro migliore del nuovo design del riattivatore, il team ha utilizzato la cristallografia di neutroni presso l'High Flux Isotope Reactor dell'ORNL, una struttura utente dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento di energia. Kovalevsky utilizza lo strumento chiamato IMAGINE, che utilizza tecniche di diffrazione di neutroni per osservare la struttura di un singolo cristallo su scala atomica.

La struttura molecolare della proteina è complessa, che richiede la crescita di grandi cristalli singoli - una forza di ORNL - per la diffrazione di neutroni. I neutroni sono molto sensibili agli elementi leggeri come l'idrogeno, e sono particolarmente adatti per trovare singoli atomi di idrogeno in cristalli proteici che i raggi X non possono rilevare. I dati raccolti da IMAGINE, insieme alle informazioni provenienti da un esperimento sui neutroni eseguito presso l'Institut Laue-Langevin in Francia, confermato che è possibile individuare la posizione e la distribuzione di ciascun atomo di idrogeno nella proteina.

Il team continuerà a coltivare cristalli più grandi per l'analisi, che dovrebbe produrre set di dati a risoluzione più elevata e informare gli adeguamenti al promettente, nuovi modelli di farmaci. La loro continua ricerca potrebbe in definitiva confermare una nuova classe di farmaci ad azione rapida, antidoti salvavita per l'avvelenamento da organofosfati.