Toksyny pochodzenia biologicznego jako potencjalna broń biologiczna Dr n. med. Janusz Kocik

Niepewny „ status dyplomatyczny” biotoksyn Częściowa akceptacja biotoksyn jako przedstawicieli broni biologicznej; Jednakże toksyny pochodzenia biologicznego spełniają niekiedy kryteria toksyn chemicznych; Saksytoksyna i rycyna są objęte Konwencją o Zakazie Broni Chemicznej; Konwencja o Zakazie Broni Biologicznej i Toksynowej obejmuje toksyny pochodzenia biologicznego produkowane i składowane w celu nieprawnego użycia przeciwko ludziom, zwierzętom lub roślinom.

Produkcja toksyn biologicznych w Irackim Programie Biologicznym Iracki Program Biologiczny odkryty przez UNSCOM (UN Special Commission on Iraq) w 1995, (głównie dzięki informacjom ujawnionym przez Hussajna Kamela, zbiegłego irackiego generała, zięcia Saddama Hussajna) i opisany przez Irakijczyków szczegółowo w kolejnym z wielu „pełnych, ostatecznych i końcowych ujawnień” (Full Final and Complete Disclosure) w 1996r. obejmował m.in. produkcję wielu tysięcy toksyny botulinowej i aflatoksyny.

Rozmieszczenie irackich ośrodków badawczych, produkcyjnych i poligonów testowych w programie biologicznym

Przykłady możliwości produkcyjnych i środków rozprzestrzeniania broni biologicznej w Programie Irackim

Porównanie toksyn biologicznych z środkami broni chemicznej Produkcja niektórych toksyn biologicznych (z reguły białek) jest bardziej wymagająca niż dość prostych cząsteczek chemicznych Bojowych Środków Trujących. Toksyny biologiczne charakteryzują się mniejszą lotnością. Większość tych naturalnych toksyn jest o wiele bardziej toksyczna niż związki chemiczne stworzone przez człowieka. Toksyny biologiczne, z nielicznymi wyjątkami (T2 mykotoksyny) nie są aktywne przezskórnie (nie mają działania parzącego i nie wchłaniają się przez skórę). Dlatego są skuteczne jedynie w postaci „wdychalnego” aerozolu. Wiele z nich ma silne działanie alergiczne i immunogenne.

Porównanie wybranych toksyn biologicznych z przedstawicielami broni chemicznej /dane laboratoryjne/ Toksyczność wielu toksyn pochodzenia biologicznego jest często o kilka rzędów wielkości wyższa niż związków chemicznych wytworzonych przez człowieka i uznanych za najskuteczniejsze bojowe środki trujące.

Użycie biotoksyn – potencjalne korzyści i ograniczenia Podstawowe cechy korzystne dla toksyn w aspekcie ich użycia w ataku biologicznym: duża toksyczność (botulina) działanie przezskórne (T2 mykotoksyny) stałość w środowisku niskie koszty produkcji (rycyna) możliwość dezaktywacji (enterotoksyna gronkowcowa B).

Charakterystyka biotoksyn Bardziej toksyczne niż wyprodukowane przez człowieka toksyny chemiczne (botulina, toksyna tężcowa, shigatoxin i abrin); Nie działają przezskórnie (z wyjątkiem T-2 mykotoksyn, lyngbyatoksyny i kilku toksyn produkowanych z niebiesko – zielonych glonów); Większa siła działania po podaniu drogą wziewną i parenteralnie niż w przypadku spożycia; Mogą być użyte przeciwko populacji ludzkiej w formie wziewnej.

Charakterystyka-streszczenie zagrożenie powtórną ekspozycją poprzez przemieszczanie się skażonym terenie (re-aerozolizacja) wydaje się niewielkie, przeciwnie do przedstawicieli broni chemicznej, gdzie ryzyko może być znaczne; Teren w pobliżu uwolnienia nie zawsze jest ciężko skażony.

Mykotoksyny większość z ponad 300 mykotoksyn produkowana jest z około 350 gatunków grzybów; T-2 mykotoksyny, które są sklasyfikowane jako „trichothecene mycotoxin” produkowane są z grzybów z gatunku Fusaria; spośród mykotoksyn,które mogą być użyte jako broń biologiczna dobrze poznane są tylko T-2 mykotoksyny;

T-2 mykotoksyny jako broń biologiczna pierwsze podejrzenie użycia w Laos, podczas wojny w Wietnamie; raport dotyczący użycia tzw. „żółtego deszczu„ w dżungli w Laosie (1975-81), którego skutki ocenianie są na ponad 6300 zabitych, wniosło to podejrzenie użycia T-2 mykotoksyn w wojnie biologicznej; w kwestii użycia mykotoksyn w Laos toczą się gorące debaty; wg kilku autorów użycie „trichothecene mycotoxins” jest bardzo prawdopodobne i poparte przez specjalistyczne badania epidemiologiczne.

T-2 - mykotoksyny jako broń biologiczna Podwyższone poziomy mykotoksyn i ich naturalnie rzadkie mieszaniny pozyskiwano ze skażonych powierzchni oraz znajdowano we krwi ocalałych, a także w tkankach zmarłych. Niedostateczna liczba pozytywnych wyników w kierunku mykotoksyn podważa przekonanie o ich ewentualnym użyciu w ataku biologicznym (o tym, że zdarzył się atak biologiczny świadczy co najwyżej 10% dodatnich wyników z próbek); Ponadto zdarzały się naturalne zachorowania (skażona żywność) w Tajlandii; Jednakże powyżej 98 % kontroli w nie zaatakowanym polu było negatywnych, co mogło przemawiać co rzeczywistym atakiem; Inne raporty użycia T-2 mykotoksyn jako broni biologicznej dotyczą Kampuczy (1979-81) i Afganistanu (1979-81).

T-2 - mykotoksyny jako broń biologiczna Ostatnio donoszono, że T-2 mykotoksyny były rozsiewane w pobliżu obozowisk armii amerykańskiej podczas kampanii „Pustynna Burza”. W Iraku pociski mogły być detonowane blisko obozowiska. Niektóre oddziały bezpośrednio z pola bitwy raportowały objawy mogące sugerować przezskórną ekspozycję na T2- mykotoksyny. Dowody środowiskowe( pobrane próbki) na zaistnienie tego incydentu są wątpliwe. Niektóre źródła podają, że ekspozycja na T2-mykotoksyny mogła nastąpić w Zatoce Perskiej.

T2 – mykotoksyny jako broń biologiczna T2-mykotoksyny mogą być przydatne do użycia jako broń biologiczna. Jednakże ograniczenia produkcyjne dla wystarczającej ilości T2-mykotoksyn do użycia w formie zmasowanej dyspersji powodują, iż nie są one dobrymi przedstawicielami broni biologicznej. T2-mykotoksyny są skuteczniejszym środkiem w przypadku zastosowania ograniczonych kubaturowo pomieszczeniach. T2-mykotoksyny mogą być użyte do skażenia żywności lub wody. Niektóre tkanki, np. nabłonek oddechowy, szpik kostny są bardzo wrażliwe na działanie T2-mykotoksyny.

Zatrucie T2 – mykotoksynami objawy kliniczne Spożycie mykotoksyn powoduje : utratę wagi ciała wymioty zapalenie skóry podrażnienie błon śluzowych krwiste biegunki rozległe krwotoki Początek choroby następuje po ekspozycji i rozpoczyna się w pierwszej godzinie. Charakteryzuje się szybko narastającym wstrząsem ze spadkiem ciśnienia tętniczego narastającą niewydolnością krążenia, zwiększeniem poziomu kwasu mlekowego we krwi. Objawy powyższe prowadzą do śmierci w ciągu 12 godzin.

T2 – mykotoksyny objawy świadczące o ekspozycji T2-mykotoksyny mogą być uwalniane z samolotów, rakiet, pocisków, m.in. w postaci kropelkowej lub pyłów, aerozoli i dymów. Pacjenci ze skórnymi objawami poddani ekspozycji na T2-mykotoksyny zgłaszają uprzednie pojawienie się chmury koloru żółtego, dymu tej barwy lub aerozolu (czasem zgłaszają niebieski lub żółty kolor aerozolu). Pacjenci mogą zgłaszać występowanie na odzieży charakterystycznych „żółtych kropelek”.

T2 – mykotoksyny Oznaki dokonanego ataku

T2-mykotoksyny jako broń biologiczna toksyczność ostra Podczas uwolnienia małych dawek powstają objawy skórne, oczne i z układu pokarmowego. Bezpośrednio po ekspozycji pacjenci zgłaszają ból i pieczenie w obrębie eksponowanej powierzchni skóry (po ekspozycji na „żółty deszcz” obserwowano na powierzchni eksponowanej skóry wykwity pęcherzykowe). W/w objawom mogą towarzyszyć bóle i pieczenie spojówek oczu. W dawkach nanogramowych T2 –mykotoksyny powodują ostre podrażnienie skóry (zaczerwienienie, obrzęk, martwicę skóry ). Dawki mikrogramowe powodowały zapalenie spojówek, uszkodzenie rogówki oraz zaburzenia widzenia. Wymioty i biegunka obserwowane były przy dawkach rzędu jednej dziesiątej dawki śmiertelnej.

T2-mykotoksyny jako broń biologiczna toksyczność ostra Toksyczność ekspozycji drogą wziewną (LCt50 200-5800 mgxmin/m3) podobna jest do obserwowanej przy użyciu iperytu lub luizytu (LCt50 1500-1800 mg/min/m3). Śmiertelność przy ekspozycji przezskórnej na T2-mykotoksyny jest wyższa w porównaniu z działaniem innych środków powodujących pęcherzowe wykwity skórne. W związku z powyższym T2 –mykotoksyny są pierwszoplanowym przedstawicielem tej grupy.

T2-mykotoksyny jako broń biologiczna leczenie i profilaktyka Nie ma skutecznej profilaktyki i leczenia: szczepienia – zbyt mała masa cząsteczkowa toksyny - niski poziom przeciwciał ochronnych, Efekt uboczny - podrażnienie skóry w miejscu podania szczepionki Opracowywane są szczepionki oparte na przeciwciałach antyidiotypowych oraz antytoksyny oparte na przeciwciałach monoklonalnych.

Botulizm Powodowany przez toksyny Clostridium botulinum typy toksyn A, B, E, najczęściej powodują zachorowania u ludzi najsilniejsza dla ludzi toksyna znana w przyrodzie (LD50 1ng/kg) Spory C. botulinum powszechne w glebie na całym świecie Około 100 przypadków rocznie/rok w USA. Najczęściej u dzieci (72%) zatrucia pokarmowe nie częste Nie przenosi się z człowieka na człowieka

Mechanizm działania toksyny botulinowej Toksyna botulinowa rozkłada białka SNARE, które w normalnych warunkach tworzą kompleks promujący połączenie pęcherzyka synaptycznego z błoną presynaptyczną i uwolnienie neuroprzekaźnika (acetylocholiny) do przestrzeni synaptycznej. Dochodzi do braku transmisji sygnału na płytce nerwowo-mięśniowej i przez to m.in. porażenia mięśni poprzecznie prążkowanych. Związki chemiczne z grupy paralityczno-drgawkowych (soman, sarin, VX - z ang. nerve agents), mimo podobnego obrazu końcowej fazy zatrucia (paraliż mięśni poprzecznie prążkowanych, w tym szczególnie mięśni oddechowych – przepony), jest odmienny. Blokada enzymu rozkładającego acetylocholinesterazę, enzym rozkładający neuroprzekaźnik acetylocholinę. Nadmiar przekaźnika w synapsie prowadzi do ciągłego pobudzenia na płytce nerwowo-mięśniowej, a przez to do wyczerpania energetycznego mięśnia i wynikającego z tego jego porażenia. JAMA. 2001;285:1059-1070

Botulizm Postacie kliniczne Pokarmowy toksyna produkowana przez bakterie w warunkach beztlenowych w nieprawidłowo przyrządzanej, puszkowanej, żywności, najczęściej o odczynie niskokwaśnym Rana toksyna produkowana przez bakterie w zanieczyszczonej ranie Małe dzieci toksyna produkowana przez bakterie w układzie pokarmowym Botulizm nabyty drogą wziewną Nie występuje naturalnie, broń biologiczna

Botulizm Objawy kliniczne okres inkubacji: 18 do 36 h (w zależności od dawki) nie gorączkujący, pobudzony, zorientowany, bez zaburzeń czucia Wczesne nudności, wymioty, biegunka Objawy z zakresu nerwów czaszkowych: Opadanie powiek (ptosis), niewyraźne/podwójne widzenie, zaburzenia połykania/mowy, zmniejszenie wydzielania śliny Zaburzenia motoryczne (postępujące) Obustronne zstępujące porażenie porażenie mięśni oddechowych (obwodowa niewydolność oddechowa) śmierć 60% nieleczonych; <5% leczonych

Botulizm Objawy kliniczne Paraliż stępujący. W pierwszej kolejności dochodzi do porażenia drobnych mięśni mimicznych (twarz maskowata, charakterystyczny wyraz twarzy przy próbie uśmiechu, opadanie powiek).

Botulizm Różnicowanie Choroby nerwowo-mięśniowe Udar Myasthenia gravis zespół Guillain-Barre Bioterroryzm: Zatrucie atropiną zespół paralityczny w zatruciu toksyną shellfish/puffer fish JAMA. 2001;285:1059-1070

Botulizm: Leczenie/Profilaktyka Oddech wspomagany mechanicznie + leczenie podtrzymujące Antytoksyna botulinowa trzywalentna, końska przeciw typom A, B i E - skuteczna, gdy podana wcześnie Postać dziecięca/zakażona rana - antybiotyki (pochodne penicyliny) Szczepionka w trakcie badań, niedostępna - Armia USA zakłada wdrożenie szczepionki przeciwko toksynie botulinowej -antygenom ABCEF - na rok FY14 (priorytet 20/72 na połączonej liście priorytetów obrony przeciw NBC Departamentu Obrony USA)

Botulizm: Różnicowanie

Botulizm: Różnicowanie – c.d.

Botulizm: Leczenie/Profilaktyka Niewydolność mięśni oddechowych i kończyn wymaga specjalnych warunków pielęgnacji i długotrwałego wspomagania oddechu Powrót do samodzielności oddechowej może być wybitnie opóźniony -do 2-3 miesięcy – co stwarza duże problemy logistyczne (dostępność sprzętu i personelu)

Rycyna jako broń biologiczna Duża dostępność. Na całym świecie przerabia się rocznie milion ton nasion Ricinus communis. Masa odpadkowa po procesie produkcyjnym zawiera 5% rycyny. Toksyna jest dosyć stabilna i wysoce toksyczna dla człowieka różnymi drogami. Może być stosowana do zatrucia żywności i wody, jak również wziewnie. Była wielokrotnie używana w morderstwach.

Rycyna jako broń biologiczna – c.d. Rycyna może być przygotowana w postaci ciekłej, krystalicznej lub może być liofilizowana w postaci proszku. Jest ona stabilna w środowisku, ale może być inaktywowana w temperaturze 800C w ciągu 10min. lub 500C w ciągu 1 godz. I proces chlorowania (roztwór 99,4%). Roztwory chloru o niższym stężeniu i jodyna są nieaktywne. Toksyczność rycyny w porównaniu z LD50 botuliny czy skutecznością (ED50) toksyny gronkowcowej jest niewielka. Aby wykonać udany atak terrorystyczny teoretycznie uśmiercający połowę populacji na obszarze 100 km2, agresor musiałby użyć dużej ilości (kilkadziesiąt ton). Równie skuteczna dawka botuliny to ok. 80 kg.

Rycyna Patogeneza Rycyna składa się z dwóch hemaglutynin i dwóch toksyn. Toksyny RCL III i RCL IV są dimerami o masie cząsteczkowej ok. 60 kDa. Rycyna jest bardzo toksyczna dla komórek w mechanizmie zahamowania biosyntezy białek. Łańcuch B przyłącza się do receptora powierzchniowego komórki, kompleks toksyna receptor jest wchłaniany do cytoplazmy. Łańcuch A ma aktywność endonukleazy. W bardzo małym stężeniu hamuje replikację DNA i syntezę białka. W zatruciu wziewnym patomorfologicznie obserwuje się zapalenie i martwicę górnych i dolnych dróg oddechowych, cechy śródmiąższowego zapalenia płuc, okołonaczyniowego i pęcherzykowego obrzęku.

Rycyna Obraz kliniczny zatrucia w zależności od drogi ekspozycji Objawy zależne od drogi ekspozycji. Po ekspozycji drogą wziewną, w przypadku zatruć dawką subletalną po 4-8h - gorączka, ból w klatce piersiowej, kaszel, duszność, nudności i bóle stawów. Ustępowanie tych objawów połączone jest z obfitym poceniem się. Toksyczny obrzęk płuc, ARDS. Obserwowane objawy nasuwałyby podejrzenie ciężkiego zapalenia płuc z intensywnym kaszlem, dusznością, sinicą i rozwijającymi się objawami obrzęku płuc. W modelach zwierzęcych zgon następuje po 36-72 godzinach po ekspozycji.

Rycyna Obraz kliniczny zatrucia w zależności od drogi ekspozycji –c.d. Przy ekspozycji inną drogą rycyna nie drażni bezpośrednio płuc, jednakże podanie dożylne może spowodować niewielki okołonaczyniowy obrzęk, spowodowany uszkodzeniem śródbłonka. Zatrucie doustne powoduje martwicę i ogniskowe krwawienia z powierzchni nabłonka przewodu pokarmowego, martwicę wątroby, śledziony i nerek. Podanie domięśniowe powoduje ciężką lokalną martwicę mięśnia i regionalnych węzłów chłonnych i niewielkie zmiany w narządach wewnętrznych.

Rycyna Rozpoznanie zatrucia Atak aerozolem rycyny w pierwszej fazie może być rozpoznany jedynie na podstawie objawów klinicznych masowo zgłaszających się porażonych. Inne czynniki biologiczne: toksynę gronkowcową, gorączkę Q, dżumę tularemię i wąglik; przez czynniki broni chemicznej – związki duszące (fosgen, chlor); insektycydy (paraquat, ANTU) a także przez trujące gazy wydzielające się w trakcie spalania toksycznych substancji przemysłowych (Teflon, Kevlar) w ataku konwencjonalnymi środkami wybuchowymi.

Rycyna Rozpoznanie zatrucia Obrzęk płuc spowodowany działaniem rycyny występuje dużo później (po 1–3 dniach od ekspozycji) niż w przypadku toksyny gronkowcowej (ok. 12h) czy fosgenu (ok. 6h). Objawy będą się pogłębiać mimo antybiotykoterapii, przeciwnie do czynników zakaźnych.

Rycyna Diagnostyka Do potwierdzenia rozpoznania służą testy ELISA w przypadku gdy materiał do badań stanowi wymazy z nosa, krew lub inne płyny ustrojowe. Toksyna jest silnym immunogenem, przeciwciała mogą być wykryte w surowicy krwi przez 2 tygodnie po ekspozycji. W wymazach z nosa toksyna może być zidentyfikowana do 24 h. Do bezpośredniej analizy tkanek można wykorzystać barwienie immunohistochemiczne.

Rycyna Leczenie Pacjenci zatruci drogą wziewną wymagają intensywnej terapii ARDS: tlen, intubacja, sztuczna wentylacja z dodatnim ciśnieniem szczytowo- wydechowym PEEP, monitorowanie hemodynamiczne). W przypadku zatrucia drogą pokarmową należy zastosować płukanie żołądka a następnie leki przeczyszczające. Węgiel aktywowany jest mało aktywny wobec rycyny – toksyny o dużej cząsteczce. Należy dbać o prawidłową gospodarkę wodną i elektrolitową. Badania nad lekami blokującymi enzymatyczny efekt łańcucha A rycyny pozostają jak dotąd bez sukcesu.

Rycyna Profilaktyka Ponieważ rycyna działa szybko i nieodwracalnie leczenie po ekspozycji jest dużo trudniejsze niż w przypadku wolno działających toksyn jak botulina i czynników zakaźnych, które można leczyć antybiotykiem. Wobec powyższego immunizacja bierna lub czynna przed ekspozycją ma zasadnicze znaczenie, tym bardziej, że obie metody są wysoce skuteczne w zatruciu zarówno drogą pozajelitową, pokarmową, jak i wziewną. Badania na zwierzętach wykazują, że 2-3 dawki toksoidu (3-5 μg) chroni przed śmiercią w wyniku zastosowania letalnych dawek toksyny drogą wziewną. Trwają badania nad postacią toksoidu i adjuwantem. Badania sugerują także skuteczność immunoglobuliny IgG podawanej drogą wziewną przed ekspozycją.

Aflatoksyna jako broń biologiczna w 1995 UNSCOM ( United Nations Special Commission on Iraq) ustaliła, że Irak posiada produkcję dużej ilości aflatoksyny . Zgodnie z ogłoszonym w październiku 1995 roku przez UNSCOM raporcie, Irak potwierdza rozpoczęcie prac badawczych nad aflatoksyną od maja 1988 w aspekcie wykorzystania jej jako broni biologicznej w laboratorium w pobliżu miasta Al Salman. Notka z raportu U.N. : „Badania prowadziły do opracowania toksycznego efektu aflatoksyn w aspekcie wojny biologicznej i zwiększenia ich skuteczności poprzez współdziałanie z innymi przedstawicielami broni chemicznej”. Naukowcy w Iraku opracowywali efekty tej toksyny na owcach, osłach, małpach i psach w warunkach laboratoryjnych, a także wykorzystując w tym celu specjalne komory inhalacyjne. Aflatoksyna to środek letalny, którego skutki są starannie opracowane i przewidziane. W skrajnych przypadkach użycie aflatoksyny może prowadzić do powstania raka wątroby (proces kancerogenezy trwa od jednego miesiąca do roku po ekspozycji).

Aflatoksyna jako broń biologiczna –c.d. Spożycie dużej dawki aflatoksyny może powodować ciężkie uszkodzenie wątroby z ostrymi objawami, prowadzącymi zazwyczaj do śmierci. Ten efekt działania aflatoksyny, pomimo udowodnionej skuteczności, nie stanowi o jej atrakcyjności jako broni biologicznej, ponieważ objawy pojawiają się stosunkowo powoli. Powody dla których produkowano aflatoksynę w Iraku pozostają niejasne. Jest możliwe, że Irak poszukiwał możliwości wywoływania przewlekłych chorób w wojskach koalicyjnych, podobnie do irackiej strategii podczas wojny irańsko-irackiej. Alternatywnie, aflatoksyna może działać jako czynnik wywołujący zamierzone kalectwo, a w dużych dawkach powodować skutek śmiertelny. Niektórzy zachodni eksperci spekulują, iż Irak prowadził badania naukowe na zwierzętach z użyciem wysokich stężeń aflatoksyny w formie aerozolowej, która wywoływała więcej szkodliwych działań niż zamierzona powolna indukcja kancerogenezy w wątrobie (po doustnym spożyciu małych dawek).