Toksyny pochodzenia biologicznego jako potencjalna bron biologiczna

1
Toksyny pochodzenia biologicznego jako
potencjalna bron biologiczna

• Dr n. med. Janusz Kocik

2
Niepewny status dyplomatyczny biotoksyn

• Czesciowa akceptacja biotoksyn jako
  przedstawicieli broni biologicznej
• Jednakze toksyny pochodzenia biologicznego
  spelniaja niekiedy kryteria toksyn chemicznych
• Saksytoksyna i rycyna sa objete Konwencja o
  Zakazie Broni Chemicznej
• Konwencja o Zakazie Broni Biologicznej i
  Toksynowej obejmuje toksyny pochodzenia
  biologicznego produkowane i skladowane w celu
  nieprawnego uzycia przeciwko ludziom, zwierzetom
  lub roslinom.

3
Produkcja toksyn biologicznych w Irackim
Programie Biologicznym
4
Rozmieszczenie irackich osrodków badawczych,
produkcyjnych i poligonów testowych w programie
biologicznym
5
Przyklady mozliwosci produkcyjnych i srodków
rozprzestrzeniania broni biologicznej w Programie
Irackim
6
Porównanie toksyn biologicznych
z srodkami broni chemicznej
7
Porównanie wybranych toksyn biologicznych
z
przedstawicielami broni chemicznej /dane
laboratoryjne/
8
Uzycie biotoksyn potencjalne korzysci
i ograniczenia

• Podstawowe cechy korzystne dla toksyn w aspekcie
  ich uzycia w ataku biologicznym
• duza toksycznosc (botulina)
• dzialanie przezskórne (T2 mykotoksyny)
• stalosc w srodowisku
• niskie koszty produkcji (rycyna)
• mozliwosc dezaktywacji (enterotoksyna
  gronkowcowa B).

9
Charakterystyka biotoksyn

• Bardziej toksyczne niz wyprodukowane przez
  czlowieka toksyny chemiczne (botulina, toksyna
  tezcowa, shigatoxin i abrin)
• Nie dzialaja przezskórnie (z wyjatkiem T-2
  mykotoksyn, lyngbyatoksyny i kilku toksyn
  produkowanych z niebiesko zielonych glonów)
• Wieksza sila dzialania po podaniu droga wziewna
  i
  parenteralnie niz w przypadku spozycia
• Moga byc uzyte przeciwko populacji ludzkiej w
  formie wziewnej.

10
Charakterystyka-streszczenie

• zagrozenie powtórna ekspozycja poprzez
  przemieszczanie sie skazonym terenie
  (re-aerozolizacja) wydaje sie niewielkie,
  przeciwnie do przedstawicieli broni chemicznej,
  gdzie ryzyko moze byc znaczne
• Teren w poblizu uwolnienia nie zawsze jest ciezko
  skazony.

11
Mykotoksyny

• wiekszosc z ponad 300 mykotoksyn produkowana jest
  z okolo 350 gatunków grzybów
• T-2 mykotoksyny, które sa sklasyfikowane jako
  trichothecene mycotoxin produkowane sa z
  grzybów z gatunku Fusaria
• sposród mykotoksyn,które moga byc uzyte jako bron
  biologiczna dobrze poznane sa tylko T-2
  mykotoksyny

12
T-2 mykotoksyny
jako bron biologiczna

• pierwsze podejrzenie uzycia w Laos, podczas wojny
  w Wietnamie
• raport dotyczacy uzycia tzw. zóltego deszczu w
  dzungli w Laosie (1975-81), którego skutki
  ocenianie sa na ponad 6300 zabitych,
• wnioslo to podejrzenie uzycia T-2 mykotoksyn w
  wojnie biologicznej
• w kwestii uzycia mykotoksyn w Laos tocza sie
  gorace debaty
• wg kilku autorów uzycie trichothecene
  mycotoxins jest bardzo prawdopodobne i poparte
  przez specjalistyczne badania epidemiologiczne.
  

13
T-2 - mykotoksyny jako
bron biologiczna

• Podwyzszone poziomy mykotoksyn i ich naturalnie
  rzadkie mieszaniny pozyskiwano ze skazonych
  powierzchni oraz znajdowano we krwi ocalalych, a
  takze w tkankach zmarlych.
• Niedostateczna liczba pozytywnych wyników w
  kierunku mykotoksyn podwaza przekonanie o ich
  ewentualnym uzyciu w ataku biologicznym (o tym,
  ze zdarzyl sie atak biologiczny swiadczy co
  najwyzej 10 dodatnich wyników z próbek)
• Ponadto zdarzaly sie naturalne zachorowania
  (skazona zywnosc) w Tajlandii
• Jednakze powyzej 98 kontroli w nie zaatakowanym
  polu bylo negatywnych, co moglo przemawiac co
  rzeczywistym atakiem
• Inne raporty uzycia T-2 mykotoksyn jako broni
  biologicznej dotycza Kampuczy (1979-81) i
  Afganistanu (1979-81).

14
T-2 - mykotoksyny jako bron biologiczna

• Ostatnio donoszono, ze T-2 mykotoksyny byly
  rozsiewane w poblizu obozowisk armii
  amerykanskiej podczas kampanii Pustynna Burza.
• W Iraku pociski mogly byc detonowane blisko
  obozowiska.
• Niektóre oddzialy bezposrednio z pola bitwy
  raportowaly objawy mogace sugerowac przezskórna
  ekspozycje na T2- mykotoksyny.
• Dowody srodowiskowe( pobrane próbki) na
  zaistnienie tego incydentu sa watpliwe.
• Niektóre zródla podaja, ze ekspozycja na
  T2-mykotoksyny mogla nastapic w Zatoce Perskiej.

15
T2 mykotoksyny
jako bron biologiczna

• T2-mykotoksyny moga byc przydatne do uzycia jako
  bron biologiczna.
• Jednakze ograniczenia produkcyjne dla
  wystarczajacej ilosci T2-mykotoksyn do uzycia w
  formie zmasowanej dyspersji powoduja, iz nie sa
  one dobrymi przedstawicielami broni biologicznej.
  
• T2-mykotoksyny sa skuteczniejszym srodkiem w
  przypadku zastosowania ograniczonych kubaturowo
  pomieszczeniach.
• T2-mykotoksyny moga byc uzyte do skazenia
  zywnosci lub wody.
• Niektóre tkanki, np. nablonek oddechowy, szpik
  kostny sa
  bardzo wrazliwe na dzialanie T2-mykotoksyny.

16
Zatrucie T2 mykotoksynamiobjawy kliniczne

• Spozycie mykotoksyn powoduje
• utrate wagi ciala
• wymioty
• zapalenie skóry
• podraznienie blon sluzowych
• krwiste biegunki
• rozlegle krwotoki
• Poczatek choroby nastepuje po ekspozycji i
  rozpoczyna sie w
  pierwszej godzinie. Charakteryzuje sie szybko
  narastajacym wstrzasem ze spadkiem cisnienia
  tetniczego narastajaca niewydolnoscia krazenia,
  zwiekszeniem poziomu kwasu mlekowego we krwi.
  Objawy powyzsze prowadza do smierci w ciagu 12
  godzin.

17
T2 mykotoksyny objawy swiadczace o ekspozycji

• T2-mykotoksyny moga byc uwalniane z samolotów,
  rakiet, pocisków, m.in. w postaci kropelkowej
  lub pylów, aerozoli i dymów.
• Pacjenci ze skórnymi objawami poddani ekspozycji
  na T2-mykotoksyny zglaszaja uprzednie pojawienie
  sie chmury koloru zóltego, dymu tej barwy lub
  aerozolu (czasem zglaszaja niebieski lub zólty
  kolor aerozolu).
• Pacjenci moga zglaszac wystepowanie na odziezy
  charakterystycznych zóltych kropelek.

18
T2 mykotoksynyOznaki dokonanego ataku
19
T2-mykotoksyny jako bron biologicznatoksycznosc
ostra

• Podczas uwolnienia malych dawek powstaja objawy
  skórne, oczne i z ukladu pokarmowego.
• Bezposrednio po ekspozycji pacjenci zglaszaja ból
  i pieczenie w obrebie eksponowanej powierzchni
  skóry (po ekspozycji na zólty deszcz
  obserwowano na powierzchni eksponowanej skóry
  wykwity pecherzykowe).
• W/w objawom moga towarzyszyc bóle i pieczenie
  spojówek oczu.
• W dawkach nanogramowych T2 mykotoksyny powoduja
  ostre podraznienie skóry (zaczerwienienie,
  obrzek, martwice skóry ).
• Dawki mikrogramowe powodowaly zapalenie spojówek,
  uszkodzenie rogówki oraz zaburzenia widzenia.
• Wymioty i biegunka obserwowane byly przy dawkach
  rzedu jednej dziesiatej dawki smiertelnej.

20
T2-mykotoksyny jako bron biologicznatoksycznosc
ostra

• Toksycznosc ekspozycji droga wziewna (LCt50
  200-5800 mgxmin/m3) podobna jest do obserwowanej
  przy uzyciu iperytu lub luizytu (LCt50 1500-1800
  mg/min/m3).
• Smiertelnosc przy ekspozycji przezskórnej
  na T2-mykotoksyny jest wyzsza
  w porównaniu z
  dzialaniem innych srodków powodujacych pecherzowe
  wykwity skórne.
• W zwiazku z powyzszym T2 mykotoksyny sa
  pierwszoplanowym przedstawicielem tej grupy.

21
T2-mykotoksyny jako bron biologicznaleczenie i
profilaktyka

• Nie ma skutecznej profilaktyki i leczenia
• szczepienia zbyt mala masa czasteczkowa toksyny
  - niski poziom przeciwcial ochronnych,
• Efekt uboczny - podraznienie skóry w miejscu
  podania szczepionki
• Opracowywane sa szczepionki oparte na
  przeciwcialach antyidiotypowych oraz antytoksyny
  oparte na przeciwcialach monoklonalnych.

22
Botulizm

• Powodowany przez toksyny Clostridium botulinum
• typy toksyn A, B, E, najczesciej powoduja
  zachorowania u ludzi
• najsilniejsza dla ludzi toksyna znana w
  przyrodzie (LD50 1ng/kg)
• Spory C. botulinum powszechne w glebie na calym
  swiecie
• Okolo 100 przypadków rocznie/rok w USA.
• Najczesciej u dzieci (72)
• zatrucia pokarmowe nie czeste
• Nie przenosi sie z czlowieka na czlowieka

23
Mechanizm dzialania toksyny botulinowej
JAMA. 20012851059-1070
24
BotulizmPostacie kliniczne

• Pokarmowy
• toksyna produkowana przez bakterie w warunkach
  beztlenowych w nieprawidlowo przyrzadzanej,
  puszkowanej, zywnosci, najczesciej o odczynie
  niskokwasnym
• Rana
• toksyna produkowana przez bakterie w
  zanieczyszczonej ranie
• Male dzieci
• toksyna produkowana przez bakterie w ukladzie
  pokarmowym
• Botulizm nabyty droga wziewna
• Nie wystepuje naturalnie, bron biologiczna

25
BotulizmObjawy kliniczne

• okres inkubacji 18 do 36 h (w zaleznosci od
  dawki)
• nie goraczkujacy, pobudzony, zorientowany, bez
  zaburzen czucia
• Wczesne nudnosci, wymioty, biegunka
• Objawy z zakresu nerwów czaszkowych
• Opadanie powiek (ptosis), niewyrazne/podwójne
  widzenie, zaburzenia polykania/mowy, zmniejszenie
  wydzielania sliny
• Zaburzenia motoryczne (postepujace)
• Obustronne zstepujace porazenie porazenie
  miesni oddechowych (obwodowa niewydolnosc
  oddechowa)
• smierc 60 nieleczonych lt5 leczonych

26
BotulizmObjawy kliniczne
27
BotulizmRóznicowanie

• Choroby nerwowo-miesniowe
• Udar
• Myasthenia gravis
• zespól Guillain-Barre
• Bioterroryzm
• Zatrucie atropina
• zespól paralityczny w zatruciu toksyna
  shellfish/puffer fish

JAMA. 20012851059-1070
28
Botulizm Leczenie/Profilaktyka

• Oddech wspomagany mechanicznie leczenie
  podtrzymujace
• Antytoksyna botulinowa trzywalentna, konska
  przeciw typom A, B i E - skuteczna, gdy podana
  wczesnie
• Postac dziecieca/zakazona rana - antybiotyki
  (pochodne penicyliny)
• Szczepionka w trakcie badan, niedostepna - Armia
  USA zaklada wdrozenie szczepionki przeciwko
  toksynie botulinowej -antygenom ABCEF - na rok
  FY14 (priorytet 20/72 na polaczonej liscie
  priorytetów obrony przeciw NBC Departamentu
  Obrony USA)

29
Botulizm Róznicowanie
30
Botulizm Róznicowanie c.d.
31
Botulizm Leczenie/Profilaktyka

• Niewydolnosc miesni oddechowych i konczyn wymaga
  specjalnych warunków pielegnacji i dlugotrwalego
  wspomagania oddechu
• Powrót do samodzielnosci oddechowej moze byc
  wybitnie opózniony -do 2-3 miesiecy co stwarza
  duze problemy logistyczne (dostepnosc sprzetu i
  personelu)

32
Rycyna jako bron biologiczna

• Duza dostepnosc. Na calym swiecie przerabia sie
  rocznie milion ton nasion Ricinus communis. Masa
  odpadkowa po procesie produkcyjnym zawiera 5
  rycyny.
• Toksyna jest dosyc stabilna i wysoce toksyczna
  dla czlowieka róznymi drogami.
• Moze byc stosowana do zatrucia zywnosci i wody,
  jak równiez wziewnie.
• Byla wielokrotnie uzywana w morderstwach.

33
Rycyna jako bron biologiczna c.d.

• Rycyna moze byc przygotowana w postaci cieklej,
  krystalicznej lub moze byc liofilizowana w
  postaci proszku.
• Jest ona stabilna w srodowisku, ale moze byc
  inaktywowana w temperaturze 800C w ciagu 10min.
  lub 500C w ciagu 1 godz. I proces chlorowania
  (roztwór 99,4). Roztwory chloru o nizszym
  stezeniu i jodyna sa nieaktywne.
• Toksycznosc rycyny w porównaniu z LD50 botuliny
  czy skutecznoscia (ED50) toksyny gronkowcowej
  jest niewielka.
• Aby wykonac udany atak terrorystyczny
  teoretycznie usmiercajacy polowe populacji na
  obszarze 100 km2, agresor musialby uzyc duzej
  ilosci (kilkadziesiat ton). Równie skuteczna
  dawka botuliny to ok. 80 kg.

34
RycynaPatogeneza

• Rycyna sklada sie z dwóch hemaglutynin i dwóch
  toksyn. Toksyny RCL III i RCL IV sa dimerami o
  masie czasteczkowej ok. 60 kDa.
• Rycyna jest bardzo toksyczna dla komórek w
  mechanizmie zahamowania biosyntezy bialek.
• Lancuch B przylacza sie do receptora
  powierzchniowego komórki, kompleks toksyna
  receptor jest wchlaniany do cytoplazmy. Lancuch A
  ma aktywnosc endonukleazy.
• W bardzo malym stezeniu hamuje replikacje DNA i
  synteze bialka.
• W zatruciu wziewnym patomorfologicznie obserwuje
  sie zapalenie i martwice górnych i dolnych dróg
  oddechowych, cechy sródmiazszowego zapalenia
  pluc, okolonaczyniowego i pecherzykowego obrzeku.

35
RycynaObraz kliniczny zatrucia w zaleznosci od
drogi ekspozycji

• Objawy zalezne od drogi ekspozycji.
• Po ekspozycji droga wziewna, w przypadku zatruc
  dawka subletalna po 4-8h - goraczka, ból w klatce
  piersiowej, kaszel, dusznosc, nudnosci i bóle
  stawów.
• Ustepowanie tych objawów polaczone jest z
  obfitym poceniem sie.
• Toksyczny obrzek pluc, ARDS.
• Obserwowane objawy nasuwalyby podejrzenie
  ciezkiego zapalenia pluc z intensywnym kaszlem,
  dusznoscia, sinica i rozwijajacymi sie objawami
  obrzeku pluc.
• W modelach zwierzecych zgon nastepuje po 36-72
  godzinach po ekspozycji.

36
RycynaObraz kliniczny zatrucia w zaleznosci od
drogi ekspozycji c.d.

• Przy ekspozycji inna droga rycyna nie drazni
  bezposrednio pluc, jednakze podanie dozylne moze
  spowodowac niewielki okolonaczyniowy obrzek,
  spowodowany uszkodzeniem sródblonka.
• Zatrucie doustne powoduje martwice i ogniskowe
  krwawienia z powierzchni nablonka przewodu
  pokarmowego, martwice watroby, sledziony i nerek.
  
• Podanie domiesniowe powoduje ciezka lokalna
  martwice miesnia i regionalnych wezlów chlonnych
  i niewielkie zmiany w narzadach wewnetrznych.

37
RycynaRozpoznanie zatrucia

• Atak aerozolem rycyny w pierwszej fazie moze byc
  rozpoznany jedynie na podstawie objawów
  klinicznych masowo zglaszajacych sie porazonych.
• Inne czynniki biologiczne toksyne gronkowcowa,
  goraczke Q, dzume tularemie i waglik przez
  czynniki broni chemicznej zwiazki duszace
  (fosgen, chlor) insektycydy (paraquat, ANTU) a
  takze przez trujace gazy wydzielajace sie w
  trakcie spalania toksycznych substancji
  przemyslowych (Teflon, Kevlar) w ataku
  konwencjonalnymi srodkami wybuchowymi.

38
RycynaRozpoznanie zatrucia

• Obrzek pluc spowodowany dzialaniem rycyny
  wystepuje duzo pózniej (po 13 dniach od
  ekspozycji) niz w przypadku toksyny gronkowcowej
  (ok. 12h) czy fosgenu (ok. 6h).
• Objawy beda sie poglebiac mimo antybiotykoterapii,
  przeciwnie do czynników zakaznych.

39
RycynaDiagnostyka

• Do potwierdzenia rozpoznania sluza testy ELISA w
  przypadku gdy material do badan stanowi wymazy z
  nosa, krew lub inne plyny ustrojowe.
• Toksyna jest silnym immunogenem, przeciwciala
  moga byc wykryte w surowicy krwi przez 2 tygodnie
  po ekspozycji.
• W wymazach z nosa toksyna moze byc
  zidentyfikowana do 24 h.
• Do bezposredniej analizy tkanek mozna wykorzystac
  barwienie immunohistochemiczne.

40
Rycyna Leczenie

• Pacjenci zatruci droga wziewna wymagaja
  intensywnej terapii ARDS tlen, intubacja,
  sztuczna wentylacja z dodatnim cisnieniem
  szczytowo- wydechowym PEEP, monitorowanie
  hemodynamiczne).
• W przypadku zatrucia droga pokarmowa nalezy
  zastosowac plukanie zoladka a nastepnie leki
  przeczyszczajace.
• Wegiel aktywowany jest malo aktywny wobec rycyny
  toksyny o duzej czasteczce.
• Nalezy dbac o prawidlowa gospodarke wodna i
  elektrolitowa.
• Badania nad lekami blokujacymi enzymatyczny efekt
  lancucha A rycyny pozostaja jak dotad bez sukcesu.

41
Rycyna Profilaktyka

• Poniewaz rycyna dziala szybko i nieodwracalnie
  leczenie po ekspozycji jest duzo trudniejsze niz
  w przypadku wolno dzialajacych toksyn jak
  botulina i czynników zakaznych, które mozna
  leczyc antybiotykiem.
• Wobec powyzszego immunizacja bierna lub czynna
  przed ekspozycja ma zasadnicze znaczenie, tym
  bardziej, ze obie metody sa wysoce skuteczne w
  zatruciu zarówno droga pozajelitowa, pokarmowa,
  jak i wziewna.
• Badania na zwierzetach wykazuja, ze 2-3 dawki
  toksoidu (3-5 µg) chroni przed smiercia w wyniku
  zastosowania letalnych dawek toksyny droga
  wziewna.
• Trwaja badania nad postacia toksoidu i
  adjuwantem.
• Badania sugeruja takze skutecznosc
  immunoglobuliny IgG podawanej droga wziewna przed
  ekspozycja.

42
Aflatoksyna jako bron biologiczna

• w 1995 UNSCOM ( United Nations Special Commission
  on Iraq) ustalila, ze Irak posiada produkcje
  duzej ilosci aflatoksyny .
• Zgodnie z ogloszonym w pazdzierniku 1995 roku
  przez UNSCOM raporcie, Irak potwierdza
  rozpoczecie prac badawczych nad aflatoksyna od
  maja 1988 w aspekcie wykorzystania jej jako broni
  biologicznej w laboratorium w poblizu miasta Al
  Salman.
• Notka z raportu U.N. Badania prowadzily do
  opracowania toksycznego efektu aflatoksyn w
  aspekcie wojny biologicznej i zwiekszenia ich
  skutecznosci poprzez wspóldzialanie z innymi
  przedstawicielami broni chemicznej.
• Naukowcy w Iraku opracowywali efekty tej toksyny
  na owcach, oslach, malpach i psach w warunkach
  laboratoryjnych, a takze wykorzystujac w tym celu
  specjalne komory inhalacyjne.
• Aflatoksyna to srodek letalny, którego skutki sa
  starannie opracowane i przewidziane. W skrajnych
  przypadkach uzycie aflatoksyny moze prowadzic do
  powstania raka watroby (proces kancerogenezy trwa
  od jednego miesiaca do roku po ekspozycji).

43
Aflatoksyna jako bron biologiczna c.d.

• Spozycie duzej dawki aflatoksyny moze powodowac
  ciezkie uszkodzenie watroby z ostrymi objawami,
  prowadzacymi zazwyczaj do smierci.
• Ten efekt dzialania aflatoksyny, pomimo
  udowodnionej skutecznosci, nie stanowi o jej
  atrakcyjnosci jako broni biologicznej, poniewaz
  objawy pojawiaja sie stosunkowo powoli.
• Powody dla których produkowano aflatoksyne w
  Iraku pozostaja niejasne.
• Jest mozliwe, ze Irak poszukiwal mozliwosci
  wywolywania przewleklych chorób w wojskach
  koalicyjnych, podobnie do irackiej strategii
  podczas wojny iransko-irackiej.
• Alternatywnie, aflatoksyna moze dzialac jako
  czynnik wywolujacy zamierzone kalectwo, a w
  duzych dawkach powodowac skutek smiertelny.
• Niektórzy zachodni eksperci spekuluja, iz Irak
  prowadzil badania naukowe na zwierzetach z
  uzyciem wysokich stezen aflatoksyny w formie
  aerozolowej, która wywolywala wiecej szkodliwych
  dzialan niz zamierzona powolna indukcja
  kancerogenezy w watrobie (po doustnym spozyciu
  malych dawek).