Choisissez votre poison. Elle peut être mortelle pour de bonnes raisons telles que la protection des cultures contre les insectes nuisibles ou la lutte contre les infections parasitaires en tant que médicament, ou pour le mal en tant qu'arme du bioterrorisme. Ou, en quantités extrêmement diluées, il peut être utilisé pour rehausser la beauté.

Alors que les attaques chimiques ciblées contre les civils ont tendance à faire les gros titres, les rapports d'empoisonnement les plus courants aux États-Unis proviennent d'une exposition accidentelle à des produits chimiques ménagers tels que des sprays anti-insectes, des solutions de nettoyage ou des fruits ou légumes mal lavés. Dans tous les cas, le remède est une action rapide, composé médicamenteux anti-poison, et le Laboratoire national d'Oak Ridge est à l'avant-garde du développement d'une nouvelle génération d'antidotes vitaux.

Tout simplement, "un poison est quelque chose qui dégrade gravement votre santé, ou votre état de santé, " a déclaré Andrey Kovalevsky, cristallographe et biochimiste à l'ORNL. Il est un expert dans la compréhension au niveau atomique de la fonction enzymatique, liaison aux médicaments et résistance aux médicaments. En utilisant des neutrons et des rayons X, il étudie le fonctionnement des enzymes dans le corps et, selon les spécificités, comment les inhiber ou les réactiver à l'aide de petites molécules organiques.

"Selon le poison et la quantité, l'effet peut être très rapide - en quelques secondes - ou il peut être lent, " a-t-il ajouté. Le corps déclenche ses propres défenses pour contrer une substance toxique; cependant, ce n'est généralement pas suffisant. Tout niveau d'exposition peut être mortel, surtout si le type de poison n'est pas immédiatement connu d'un premier intervenant ou d'une équipe médicale s'occupant d'un patient affecté.

Un antidote doit agir rapidement, avant que le poison ne cause des dommages irréversibles, pour être efficace et sauver des vies.

Miroir le poison

Kovalevsky fait partie d'une équipe dirigée par Zoran Radić de l'Université de Californie, San Diego, développer une nouvelle famille d'antidotes aux poisons appelés organophosphorés, qui comprennent des agents neurotoxiques. La recherche de Radić cible de manière unique la cause profonde de l'empoisonnement aux organophosphorés, aller au-delà du simple traitement des symptômes comme avec les remèdes existants.

Ils se concentrent sur les mécanismes biochimiques complexes qui contrôlent et maintiennent le système nerveux du corps. Ils commencent par l'acétylcholine, ou ACh, qui est un composé trouvé à la jonction des muscles et des nerfs et aussi dans le cerveau. L'ACh fonctionne comme un neurotransmetteur qui maintient une communication normale entre les nerfs et les muscles. Mais ACh n'agit pas seul.

L'enzyme appelée acétylcholinestérase, ou AChE, c'est aussi là que les muscles et les nerfs se rencontrent. Son travail est d'assurer un contrôle spécifique des niveaux de composé ACh en le dégradant, qui assure le bon fonctionnement des nerfs.

Lorsqu'une personne est exposée à un agent neurotoxique, ou à de grandes quantités d'un spray anti-insectes, par exemple, le poison passe rapidement des poumons ou de la peau dans la circulation sanguine et se dirige vers le système nerveux. En atteignant les jonctions muscle-nerf, le poison submerge et inhibe le travail de l'enzyme AChE.

Comme l'enzyme AChE est attaquée et incapable de dégrader l'ACh, les niveaux du composé ACh augmentent, perturber l'équilibre entre les muscles et les nerfs. Cela fait des ravages sur le corps.

"Au lieu d'être trop peu de quelque chose, il y a trop de ce neurotransmetteur. Donc, les récepteurs des nerfs sont surexcités, et les gens peuvent entrer en état de choc, ont des tremblements et des convulsions et commencent à transpirer parce que leurs glandes fonctionnent trop, " a expliqué Kovalevsky. Au final, la personne affectée mourra probablement parce qu'elle a cessé de respirer.

Radić a dit que l'antidote doit refléter l'activité du poison sans agir comme un inhibiteur, trop.

« Ces poisons, généralement composé de molécules non chargées ou neutres, traversent très rapidement les membranes biologiques dans le sang et sont ensuite distribués du sang aux tissus, y compris le système nerveux central. Et tout cela se passe en quelques minutes après l'exposition, " il a dit.

"Le poison atteint sa cible rapidement, pour traiter cette cible et récupérer l'activité de l'enzyme, nous devons avoir un antidote qui fait la même chose."

Si c'est bien fait, l'antidote soulagera l'enzyme AChE de l'attaque du poison, en excisant essentiellement la molécule de poison attachée à l'enzyme, et lui permettre de commencer à niveler les neurotransmetteurs ACh et finalement de calmer l'ensemble du système nerveux. L'astuce consiste à s'assurer que l'antidote est conçu pour ne pas rester trop longtemps ou s'attacher trop à l'enzyme et devenir une partie du problème.

À la rescousse

Dans une étude financée par le programme CounterACT, National Institutes of Health Office of the Director and the National Institute of Neurological Disorders and Stroke et publié dans le Journal de chimie biologique , L'équipe de Radić a conçu et testé des médicaments à action rapide appelés réactivateurs sur trois agents neurotoxiques différents et un pesticide avec des résultats initiaux positifs.

L'équipe a commencé avec un composé médicamenteux existant (nom de code RS194B), qui a été développé par Radić et le professeur de l'UC San Diego Palmer Taylor environ 15 ans plus tôt, car il s'était déjà montré prometteur en traversant la barrière hémato-encéphalique lorsqu'il a été testé sur des primates exposés à une intoxication aux organophosphorés.

Cependant, les réactivateurs nouvellement conçus ont de meilleurs résultats in vitro, ou en dehors d'un organisme vivant, que RS194B, et l'équipe de recherche a compris pourquoi.

Au niveau atomique, Le RS194B n'a pas pu atteindre le site d'activité du poison au sein de la molécule d'AChE aussi efficacement que les nouveaux réactivateurs.

Pour cette étude, l'équipe a utilisé une analyse cristallographique aux rayons X pour examiner le complexe RS194B avec l'enzyme AChE seule, puis a introduit un analogue d'un agent neurotoxique appelé VX, l'un des produits chimiques les plus meurtriers jamais fabriqués. Alors que RS194B ne s'est pas lié comme prévu, l'expérience a suscité des idées sur la façon de reconcevoir "une sorte de composé d'élite, ", a déclaré Kovalevski.

"Nous devons améliorer la capacité du réactivateur à traverser la barrière hémato-encéphalique, se lier lâchement à l'enzyme, arracher chimiquement le poison puis partir rapidement, " a déclaré Kovalevsky. " Nous ne voulons pas qu'il reste lors de la réactivation, comme nous le faisons pour de nombreux médicaments standard qui inhibent normalement une fonction enzymatique."

"C'est notre objectif. C'est pourquoi la conception de réactivateurs est une entreprise complètement différente et de nombreuses règles de conception de médicaments conventionnels ne s'appliquent pas, " il ajouta.

Après quelques ajustements à la conception du médicament, l'équipe a proposé un nouveau paradigme qui peut complètement changer la façon dont les chercheurs envisagent la conception d'un réactivateur. Ils ont effectué des simulations informatiques et synthétisé plus tard plusieurs composés les plus prometteurs des options de conception modifiées, qui a fourni des détails sur leurs propriétés et des indices sur la façon dont chaque composé pourrait fonctionner.

Ils ont analysé l'impact de chaque variation de conception de médicament, plus le RS194B d'origine, avec des agents neurotoxiques Sarin, Cyclosarine, VX et un pesticide Paraoxon. Aussi, l'équipe comprenait du 2PAM (également appelé pralidoxime) - le seul antidote contre l'empoisonnement aux organophosphorés approuvé par la Federal Drug Administration des États-Unis pour une utilisation chez les adultes et les enfants - qui a servi de contrôle pour les expériences.

"Nous voulions que nos conceptions de réactivateur soient aussi bonnes que, ou mieux que, 2PAM dans ces études, " a déclaré Kovalevsky. Cependant, 2PAM n'est pas capable de traverser la barrière hémato-encéphalique. Il peut se déplacer vers d'autres zones du corps affectées par le poison pour agir sur le système nerveux périphérique, mais il ne se réactive pas dans le système nerveux central.

Sur la base des premiers résultats de l'étude, plusieurs des variantes de conception de médicaments de l'équipe ont mieux fonctionné que RS194B et 2PAM, ce qui, selon Kovalevsky, est un résultat très encourageant pour leurs nouvelles idées de conception de réactivateur.

"L'une des distinctions de nos antidotes est qu'ils peuvent engager plus efficacement différents poisons organophosphorés, car leurs structures de réactivation peuvent changer avec leur protonation, " a dit Radić. " Contrairement aux rayons X, la diffraction des neutrons est une technique expérimentale qui peut nous renseigner sur la position des protons à la fois dans l'antidote et dans l'enzyme empoisonnée."

Gros, petits cristaux

Pour obtenir une meilleure image de la nouvelle conception du réactivateur, l'équipe a utilisé la cristallographie neutronique au réacteur à isotope à haut flux de l'ORNL, une installation utilisateur du ministère de l'Énergie du Bureau des sciences. Kovalevsky exploite l'instrument nommé IMAGINE, qui utilise des techniques de diffraction des neutrons pour examiner la structure d'un monocristal à l'échelle atomique.

La structure moléculaire de la protéine est complexe, ce qui nécessite la croissance de gros monocristaux - une force des ORNL - pour la diffraction des neutrons. Les neutrons sont très sensibles aux éléments légers tels que l'hydrogène, et ils sont particulièrement bien adaptés pour trouver des atomes d'hydrogène individuels dans des cristaux de protéines que les rayons X ne peuvent pas détecter. Les données collectées auprès d'IMAGINE, ainsi que les informations d'une expérience neutronique réalisée à l'Institut Laue-Langevin en France, a confirmé qu'il est possible d'identifier l'emplacement et la distribution de chaque atome d'hydrogène dans la protéine.

L'équipe continuera à faire pousser des cristaux plus gros pour analyse, qui devrait produire des ensembles de données à plus haute résolution et éclairer les ajustements aux prometteurs, nouvelles conceptions de médicaments. Leurs recherches continues pourraient finalement confirmer une nouvelle classe de médicaments à action rapide, des antidotes vitaux pour l'empoisonnement aux organophosphorés.