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Examination of effectiveness of chemical scavengers as therapeutics in organophosphate poisoning
Examination of effectiveness of chemical scavengers as therapeutics in organophosphate poisoning
Cholinergic crisis triggered by inhibition of cholinesterases via organophosphorus nerve agents (OP) and pesticides is treated with atropine and a reactivator of inhibited cholinesterase, called oxime. Multiple in vitro and in vivo studies demonstrated that this standard therapy may secure survival, but is insufficient in preventing incapacitation and lacks efficacy against several nerve agents and pesticides. Over the years, novel therapy approaches have been closely investigated with promising candidates being non-oxime reactivators and scavengers based on enzymes (bioscavengers) or small molecules. The low efficacy and immunological compatibility are main disadvantages of bioscavengers, thus the focus of the presented thesis is on a small molecule scavenger and a non-oxime reactivator. Detoxification of OP by cyclodextrins (CD), a macrocycle, was recognized early and optimized by inserting a nucleophilic group at the rim of the CD cavity. But the development of a more potent scavenger with a broad spectrum activity is closely linked to gathering information about inclusion complexes in cyclodextrins and their influencing factors. For that reason a structure-activity study with a 6-pyridinium oximate substituted β-cyclodextrin and alkyl methylphosphonofluoridates (sarin derivatives) was performed. Therefore, it can be concluded that the oxime substituted β-cyclodextrin better detoxifies sarin derivatives than native β-cyclodextrin, conforming involvement of the nucleophilic group in OP degradation. Good inclusion of OP in the CD cavity is correlated with a higher stability constant and improved degradation. Data imply efficient detoxification of alkyl methylphosphonofluoridates, thus the oxime substituent β-cyclodextrin is a promising small molecule scavenger for poisoning with G-type nerve agents. Another novel approach for the treatment of OP poisoning could be the use of small molecules as non-oxime reactivators. The antimalarial drug amodiaquine was identified as a promising candidate without further investigating its potential against a broad range of OP. Therefore amodiaquine’s interaction with human acetylcholinesterase (AChE) and butyrylcholinesterase (BChE) in presence or absence of OP was investigated and revealed a reversible inhibition of cholinesterases by amodiaquine and a mixed competitive-non-competitive inhibition type with AChE. Amodiaquine inhibited AChE more potently than BChE, wherefore a dose escalation was not possible. Reactivation of cyclosarin-, sarin-, and VX-inhibited cholinesterases by amodiaquine occurred, whereas reactivation of tabun-inhibited cholinesterase was insufficient. In a dynamic model, amodiaquine was administered prior to soman poisoning, but no significant beneficial effect on cholinesterases or reactivation of inhibited cholinesterases was observed. However, amodiaquine’s mode of action in reactivating OP-inhibited cholinesterases is not fully understood, but research efforts should continue in order to generate a more potent non-oxime reactivator. In summary, small molecules as scavengers and non-oxime reactivators have a promising potential as novel therapeutics for the treatment of OP poisoning. Still, further investigations are necessary and should progress on existing experiences., Eine cholinerge Krise, die durch Cholinesterasehemmung auf Grund einer Vergiftung mit phosphororganischen Nervenkampfstoffen (OP) und Pestiziden ausgelöst wird, wird mit Atropin, und einem Cholinesterase-Reaktivator, welcher als Oxim bezeichnet wird, behandelt. Viele in vitro und in vivo Studien bestätigen, dass diese Standardtherapie das Überleben sichern kann, aber nur unzureichend vor den Vergiftungssymptomen schützt und unwirksam bei einigen Nervenkampfstoffen und Pestiziden ist. In den letzten Jahren wurden neue Therapieansätze eingehend untersucht, wobei Nicht-Oxim Reaktivatoren und Scavenger, basierend auf Enzymen (Bioscavenger) oder kleinen Molekülen („small molecule scavenger“) aussichtsreiche Kandidaten sind. Die geringe Wirksamkeit und immunologische Verträglichkeit sind die größten Nachteile von Bioscavengern, weshalb der Fokus in der vorliegenden Arbeit auf einen small molecule scavenger und ein Nicht-Oxim Reaktivator liegt. Frühzeitig wurde OP-Bindung und -Abbau durch Cyclodextrine (CD), einem Makrozyklus, erkannt und durch das Einfügen einer nukleophilen Gruppe am Rand des CD-Hohlraumes optimiert. Aber die Entwicklung von einem hoch wirksamen Scavenger mit einem breiten Wirkungsspektrum ist eng mit der Gewinnung von Informationen über Einschlusskomplexe in CD und deren Einflussfaktoren verbunden. Aus diesem Grund wurde eine Struktur-Aktivitätsuntersuchung mit einem 6-Pyridiniumoximat substituiertem β-CD und Alkylmethylfluorphosphonaten (Sarin-Derivate) durchgeführt. Daraus ergab sich, dass das Oxim-substituierte β-CD die Sarin-Derivate besser entgiftete als das native β-CD, wodurch die Beteiligung der nukleophilen Gruppe am OP-Abbau bestätigt wurde. Ein guter Einschluss des OP in den CD-Hohlraum korrelierte mit einer hohen Stabilitätskonstante und verbessertem Abbau. Die Daten zeigen eine effiziente Entgiftung von Sarin-Derivaten an und dass das Oxim-substituierte β-CD ein vielversprechender small molecule scavenger bei Vergiftungen mit G-Kampfstoffen sein könnte. Ein weiterer therapeutischer Ansatz bei OP-Vergiftungen kann der Einsatz von kleinen Molekülen als sogenannte Nicht-Oxim Reaktivatoren sein. Das Antimalaria-Medikament Amodiaquin wurde als ein vielversprechender Kandidat identifiziert, ohne dessen Potenzial gegenüber einem breiten Spektrum von OP weiter zu untersuchen. Daher wurden Interaktionen zwischen Amodiaquin mit humaner Acetylcholinesterase (AChE) und Butyrylcholinesterase (BChE) in Gegenwart und Abwesenheit von Nervenkampfstoffen untersucht und dabei festgestellt, dass Amodiaquin Cholinesterasen reversibel hemmt und für die AChE wurde ein gemischter kompetitiv-nichtkompetitiver Hemmtyp identifiziert. Amodiaquin hemmte AChE stärker als BChE, weshalb eine Dosissteigerung nicht möglich war. Reaktivierung von Cyclosarin-, Sarin- und VX-gehemmter Cholinesterase durch Amodiaquin trat auf, wohingegen die Reaktivierung von Tabun-gehemmter Cholinesterase unzureichend war. In einem dynamischen Modell wurde Amodiaquin vor einer Somanvergiftung verabreicht, jedoch konnte kein deutlicher Schutzeffekt mit Cholinesterasen oder Reaktivierung von gehemmter Cholinesterase beobachtet werden. Obwohl der Wirkmechanismus von Amodiaquin bei der Reaktivierung von OP-gehemmten Cholinesterasen nicht vollständig verstanden wurde, sollte weiter geforscht werden, damit ein wirksamerer und weniger toxischer Nicht-Oxim Reaktivator gefunden werden kann. Zusammenfassend stellen kleine Moleküle als Scavenger und Nicht-Oxim Reaktivatoren einen potenziell neuen Therapieansatz für die Behandlungen von OP-Vergiftungen dar. Dennoch sind weitere Untersuchungen nötig und sollten auf gewonnenen Erfahrungen aufbauen.
Organophosphate, Scavenger, Cyclodextrine, Oxime, Amodiaquin
Bierwisch, Anne
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bierwisch, Anne (2017): Examination of effectiveness of chemical scavengers as therapeutics in organophosphate poisoning. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Cholinergic crisis triggered by inhibition of cholinesterases via organophosphorus nerve agents (OP) and pesticides is treated with atropine and a reactivator of inhibited cholinesterase, called oxime. Multiple in vitro and in vivo studies demonstrated that this standard therapy may secure survival, but is insufficient in preventing incapacitation and lacks efficacy against several nerve agents and pesticides. Over the years, novel therapy approaches have been closely investigated with promising candidates being non-oxime reactivators and scavengers based on enzymes (bioscavengers) or small molecules. The low efficacy and immunological compatibility are main disadvantages of bioscavengers, thus the focus of the presented thesis is on a small molecule scavenger and a non-oxime reactivator. Detoxification of OP by cyclodextrins (CD), a macrocycle, was recognized early and optimized by inserting a nucleophilic group at the rim of the CD cavity. But the development of a more potent scavenger with a broad spectrum activity is closely linked to gathering information about inclusion complexes in cyclodextrins and their influencing factors. For that reason a structure-activity study with a 6-pyridinium oximate substituted β-cyclodextrin and alkyl methylphosphonofluoridates (sarin derivatives) was performed. Therefore, it can be concluded that the oxime substituted β-cyclodextrin better detoxifies sarin derivatives than native β-cyclodextrin, conforming involvement of the nucleophilic group in OP degradation. Good inclusion of OP in the CD cavity is correlated with a higher stability constant and improved degradation. Data imply efficient detoxification of alkyl methylphosphonofluoridates, thus the oxime substituent β-cyclodextrin is a promising small molecule scavenger for poisoning with G-type nerve agents. Another novel approach for the treatment of OP poisoning could be the use of small molecules as non-oxime reactivators. The antimalarial drug amodiaquine was identified as a promising candidate without further investigating its potential against a broad range of OP. Therefore amodiaquine’s interaction with human acetylcholinesterase (AChE) and butyrylcholinesterase (BChE) in presence or absence of OP was investigated and revealed a reversible inhibition of cholinesterases by amodiaquine and a mixed competitive-non-competitive inhibition type with AChE. Amodiaquine inhibited AChE more potently than BChE, wherefore a dose escalation was not possible. Reactivation of cyclosarin-, sarin-, and VX-inhibited cholinesterases by amodiaquine occurred, whereas reactivation of tabun-inhibited cholinesterase was insufficient. In a dynamic model, amodiaquine was administered prior to soman poisoning, but no significant beneficial effect on cholinesterases or reactivation of inhibited cholinesterases was observed. However, amodiaquine’s mode of action in reactivating OP-inhibited cholinesterases is not fully understood, but research efforts should continue in order to generate a more potent non-oxime reactivator. In summary, small molecules as scavengers and non-oxime reactivators have a promising potential as novel therapeutics for the treatment of OP poisoning. Still, further investigations are necessary and should progress on existing experiences.

Abstract

Eine cholinerge Krise, die durch Cholinesterasehemmung auf Grund einer Vergiftung mit phosphororganischen Nervenkampfstoffen (OP) und Pestiziden ausgelöst wird, wird mit Atropin, und einem Cholinesterase-Reaktivator, welcher als Oxim bezeichnet wird, behandelt. Viele in vitro und in vivo Studien bestätigen, dass diese Standardtherapie das Überleben sichern kann, aber nur unzureichend vor den Vergiftungssymptomen schützt und unwirksam bei einigen Nervenkampfstoffen und Pestiziden ist. In den letzten Jahren wurden neue Therapieansätze eingehend untersucht, wobei Nicht-Oxim Reaktivatoren und Scavenger, basierend auf Enzymen (Bioscavenger) oder kleinen Molekülen („small molecule scavenger“) aussichtsreiche Kandidaten sind. Die geringe Wirksamkeit und immunologische Verträglichkeit sind die größten Nachteile von Bioscavengern, weshalb der Fokus in der vorliegenden Arbeit auf einen small molecule scavenger und ein Nicht-Oxim Reaktivator liegt. Frühzeitig wurde OP-Bindung und -Abbau durch Cyclodextrine (CD), einem Makrozyklus, erkannt und durch das Einfügen einer nukleophilen Gruppe am Rand des CD-Hohlraumes optimiert. Aber die Entwicklung von einem hoch wirksamen Scavenger mit einem breiten Wirkungsspektrum ist eng mit der Gewinnung von Informationen über Einschlusskomplexe in CD und deren Einflussfaktoren verbunden. Aus diesem Grund wurde eine Struktur-Aktivitätsuntersuchung mit einem 6-Pyridiniumoximat substituiertem β-CD und Alkylmethylfluorphosphonaten (Sarin-Derivate) durchgeführt. Daraus ergab sich, dass das Oxim-substituierte β-CD die Sarin-Derivate besser entgiftete als das native β-CD, wodurch die Beteiligung der nukleophilen Gruppe am OP-Abbau bestätigt wurde. Ein guter Einschluss des OP in den CD-Hohlraum korrelierte mit einer hohen Stabilitätskonstante und verbessertem Abbau. Die Daten zeigen eine effiziente Entgiftung von Sarin-Derivaten an und dass das Oxim-substituierte β-CD ein vielversprechender small molecule scavenger bei Vergiftungen mit G-Kampfstoffen sein könnte. Ein weiterer therapeutischer Ansatz bei OP-Vergiftungen kann der Einsatz von kleinen Molekülen als sogenannte Nicht-Oxim Reaktivatoren sein. Das Antimalaria-Medikament Amodiaquin wurde als ein vielversprechender Kandidat identifiziert, ohne dessen Potenzial gegenüber einem breiten Spektrum von OP weiter zu untersuchen. Daher wurden Interaktionen zwischen Amodiaquin mit humaner Acetylcholinesterase (AChE) und Butyrylcholinesterase (BChE) in Gegenwart und Abwesenheit von Nervenkampfstoffen untersucht und dabei festgestellt, dass Amodiaquin Cholinesterasen reversibel hemmt und für die AChE wurde ein gemischter kompetitiv-nichtkompetitiver Hemmtyp identifiziert. Amodiaquin hemmte AChE stärker als BChE, weshalb eine Dosissteigerung nicht möglich war. Reaktivierung von Cyclosarin-, Sarin- und VX-gehemmter Cholinesterase durch Amodiaquin trat auf, wohingegen die Reaktivierung von Tabun-gehemmter Cholinesterase unzureichend war. In einem dynamischen Modell wurde Amodiaquin vor einer Somanvergiftung verabreicht, jedoch konnte kein deutlicher Schutzeffekt mit Cholinesterasen oder Reaktivierung von gehemmter Cholinesterase beobachtet werden. Obwohl der Wirkmechanismus von Amodiaquin bei der Reaktivierung von OP-gehemmten Cholinesterasen nicht vollständig verstanden wurde, sollte weiter geforscht werden, damit ein wirksamerer und weniger toxischer Nicht-Oxim Reaktivator gefunden werden kann. Zusammenfassend stellen kleine Moleküle als Scavenger und Nicht-Oxim Reaktivatoren einen potenziell neuen Therapieansatz für die Behandlungen von OP-Vergiftungen dar. Dennoch sind weitere Untersuchungen nötig und sollten auf gewonnenen Erfahrungen aufbauen.