Toksyny pochodzenia biologicznego jako potencjalna broń biologiczna

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

2. 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.

3. Produkcja toksyn biologicznych w Irackim Programie Biologicznym

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

5. Przykłady możliwości produkcyjnych i środków rozprzestrzeniania broni biologicznej w Programie Irackim

6. Porównanie toksyn biologicznych z środkami broni chemicznej

7. Porównanie wybranych toksyn biologicznych z przedstawicielami broni chemicznej /dane laboratoryjne/

8. 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).

9. 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.

10. 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.

11. 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;

12. 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.

13. 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).

14. 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.

15. 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.

16. Zatrucie T2 – mykotoksynamiobjawy 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.

17. 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”.

18. T2 – mykotoksynyOznaki dokonanego ataku

19. T2-mykotoksyny jako broń biologicznatoksyczność 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.

20. T2-mykotoksyny jako broń biologicznatoksyczność 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.

21. T2-mykotoksyny jako broń biologicznaleczenie 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.

22. 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

23. Mechanizm działania toksyny botulinowej JAMA. 2001;285:1059-1070

24. BotulizmPostacie 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

25. BotulizmObjawy 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

26. BotulizmObjawy kliniczne

27. BotulizmRóżnicowanie 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

28. 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)

29. Botulizm: Różnicowanie

30. Botulizm: Różnicowanie – c.d.

31. 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) Botulizm: Leczenie/Profilaktyka

32. 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.

33. 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.

34. RycynaPatogeneza • 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.

35. RycynaObraz 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.

36. RycynaObraz 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.

37. RycynaRozpoznanie 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.

38. RycynaRozpoznanie 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.

39. RycynaDiagnostyka • 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.

40. 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.

41. 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.

42. Aflatoksyna jako broń biologiczna • w 1995UNSCOM ( 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 laboratoriumw 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).

43. 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 Irakupozostają 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).