Соматическая генная терапия и предотвращение токсического действия фосфорорганических отравляющих веществ и токсичных химикатов

Медицинское вмешательство при поражениях фосфорорганическими отравляющими веществами (ФОВ) с использованием сульфата атропина, 2-пиридинальдоксимметилхлорида (2-ПАМ), диазепама и других аналогичных препаратов способно предотвратить смертельный исход отравления. Однако эти средства не защищают от внезапного химического нападения и от постконтактных осложнений, связанных с необратимым повреждением головного мозга. Военное ведомство США финансирует исследования, способные в будущем значительно упростить защиту военнослужащих от поражения ФОВ. Их суть заключается в использовании технологий генной терапии, в ходе которой организм экспериментальных животных вырабатывает собственные белки, разрушающие ФОВ, что обеспечивает защиту на несколько месяцев. Цель работы – выявить достигнутый уровень исследований, использующих технологии генной терапии для создания устойчивых к ФОВ живых объектов. Метод исследования – аналитический. Источниковая база исследования – публикации в научных журналах и описания к патентам. Обсуждение результатов. В качестве фермента, расщепляющего ФОВ в таких экспериментах, наибольшую эффективность показала генно-модифицированная параоксаназа 1 (PON1). PON1 обладает способностью гидролизовать ФОВ G-типа, параоксон, хлорпирифосоксон, диазоксон и ряд других органофосфатов. Для введения в организм животного гена, кодирующего PON1, используются векторы на основе аденоассоциированного вируса (AAV8 и др.). Однократное введение AAV8, несущего рекомбинантный ген PON1-IF11 (AAV8-PON1-IF11), приводило к высокой экспрессии и секреции рекомбинантного белка PON1-IF11 в кровеносное русло и давало бессимптомную защиту от нескольких смертельных доз ФОВ G-типа в течение как минимум 5 мес. Эти исследования пока находятся на ранней стадии. Анализ аффиляции авторов публикаций и патентов показал, что в таких исследованиях активно участвуют военное ведомство США и сотрудничающие с ним организации (DTRA и др.). Заключение. Учитывая интерес на Западе к идеям модификации человека методами генной терапии, можно предположить, что это направление будет интенсивно развиваться в военных целях. В то же время сама идея заблаговременно созданной устойчивости к ФОВ востребована и в гражданской сфере в связи с широким применением органофосфатов в сельском хозяйстве. Автор считает, что более безопасным будет использование аллогенных мезенхимальных стволовых клеток, генетически модифицированных различными вариантами PON1. Эта устойчивость к ФОВ может защитить здоровье и спасти жизнь военнослужащих в реальном бою в случае использования противником ФОВ. Однако такие способы защиты от органофосфатов должны основываться на серьезных экспериментальных исследованиях, гарантирующих безопасность их применения. Дверь на новый уровень защиты от ФОВ открыта, технологии доступны.

1. Betapudi V, Goswami R, Silayeva L, Doctor DM, Chilukuri N. Gene therapy delivering a paraoxonase 1 variant offers long-term prophylactic protection against nerve agents in mice. Sci Transl Med. 2020;12(527):eaay0356. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aay0356

2. Mukherjee S, Gupta RD. Organophosphorus Nerve Agents: Types, Toxicity, and Treatments. J Toxicol. 2020;2020:3007984. https://doi.org/10.1155/2020/3007984

3. Timperley CM, Abdollahi M, Al-Amri AS, Baulig A, Benachour D, Borrett V, et al. Advice on assistance and protection from the Scientific Advisory Board of the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons: Part 2. On preventing and treating health effects from acute, prolonged, and repeated nerve agent exposure, and the identification of medical countermeasures able to reduce or eliminate the longer term health effects of nerve agents. Toxicology. 2019;413:13–23. https://doi.org/10.1016/j.tox.2018.11.009

4. Costanzi S, Machado JH, Mitchell M. Nerve Agents: What They Are, How They Work, How to Counter Them. ACS Chem Neurosci. 2018;9(5):873–85. https://doi.org/10.1021/acschemneuro.8b00148

5. Eddleston M, Buckley NA, Eyer P, Dawson AH. Management of acute organophosphorus pesticide poisoning. Lancet. 2008;371(9612):597–607. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(07)61202-1

6. Moshiri M, Darchini-Maragheh E, Balali-Mood M. Advances in toxicology and medical treatment of chemical warfare nerve agents. Daru. 2012;20(1):81. https://doi.org/10.1186/2008-2231-20-81

7. Jokanović M. Medical treatment of acute poisoning with organophosphorus and carbamate pesticides. Toxicol Lett. 2009;190(2):107–15. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2009.07.025

8. Gorecki L, Korabecny J, Musilek K, Nepovimova E, Malinak D, Kucera T, et al. Progress in acetylcholinesterase reactivators and in the treatment of organophosphorus intoxication: a patent review (2006–2016). Expert Opin Ther Pat. 2017;27(9):971–85. https://doi.org/10.1080/13543776.2017.1338275

9. White RF, Steele L, O'Callaghan JP, Sullivan K, Binns JH, Golomb BA, et al. Recent research on Gulf War illness and other health problems in veterans of the 1991 Gulf War: Effects of toxicant exposures during deployment. Cortex. 2016;74:449–75. https://doi.org/10.1016/j.cortex.2015.08.022

10. Iyengar AR, Pande AH. Organophosphate-Hydrolyzing Enzymes as First-Line of Defence Against Nerve Agent-Poisoning: Perspectives and the Road Ahead. Protein J. 2016;35(6):424–39. https://doi.org/10.1007/s10930-016-9686-6

11. Ashani Y, Leader H, Aggarwal N, Silman I, Worek F, Sussman JL, Goldsmith M. In vitro evaluation of the catalytic activity of paraoxonases and phosphotriesterases predicts the enzyme circulatory levels required for in vivo protection against organophosphate intoxications. Chem Biol Interact. 2016;259(Pt B):252–56. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2016.04.039

12. Mukherjee S, Gupta RD. Organophosphorus Nerve Agents: Types, Toxicity, and Treatments. J Toxicol. 2020;2020:3007984. https://doi.org/10.1155/2020/3007984

13. Reed BA, Sabourin CL, Lenz DE. Human butyrylcholinesterase efficacy against nerve agent exposure. J Biochem Mol Toxicol. 2017;31(5). https://doi.org/10.1002/jbt.21886

14. Lushchekina SV, Schopfer LM, Grigorenko BL, Nemukhin AV, Varfolomeev SD, Lockridge O, Masson P. Optimization of Cholinesterase-Based Catalytic Bioscavengers Against Organophosphorus Agents. Front Pharmacol. 2018;9:211. https://doi.org/10.3389/fphar.2018.00211

15. Smirnov IV, Vorobiev II, Belogurov AA, Genkin DD, Deyev SM, Gabibov AG. Chemical Polysialylation of Recombinant Human Proteins. Methods Mol Biol. 2015;1321:389–404. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2760-9_26

16. Rajkovic MG, Rumora L, Barisic K. The paraoxonase 1, 2 and 3 in humans. Biochem Med (Zagreb). 2011;21(2):122–30. https://doi.org/10.11613/bm.2011.020

17. Mackness B, Durrington PN, Mackness MI. Human serum paraoxonase. Gen Pharmacol. 1998;31(3): 329–36. https://doi.org/10.1016/s0306-3623(98)00028-7

18. Taler-Verčič A, Goličnik M, Bavec A. The Structure and Function of Paraoxonase-1 and Its Comparison to Paraoxonase-2 and -3. Molecules. 2020;25(24):5980. https://doi.org/10.3390/molecules25245980

19. Primo-Parmo SL, Sorenson RC, Teiber J, La Du BN. The human serum paraoxonase/arylesterase gene (PON1) is one member of a multigene family. Genomics. 1996;33(3):498–507. https://doi.org/10.1006/geno.1996.0225

20. Deakin SP, Bioletto S, Bochaton-Piallat ML, James RW. HDL-associated paraoxonase-1 can redistribute to cell membranes and influence sensitivity to oxidative stress. Free Radic Biol Med. 2011;50(1):102–9. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2010.09.002

21. Grzegorzewska AE, Adamska P, Iwańczyk-Skalska E, Ostromecka K, Niepolski L, Marcinkowski W, et al. Paraoxonase 1 concerning dyslipidaemia, cardiovascular diseases, and mortality in haemodialysis patients. Sci Rep. 2021;11(1):6773. https://doi.org/10.1038/s41598-021-86231-0

22. Shunmoogam N, Naidoo P, Chilton R. Paraoxonase (PON)-1: a brief overview on genetics, structure, polymorphisms and clinical relevance. Vasc Health Risk Manag. 2018;14:137–43. https://doi.org/10.2147/VHRM.S165173

23. Draganov DI, Teiber JF, Speelman A, Osawa Y, Sunahara R, La Du BN. Human paraoxonases (PON1, PON2, and PON3) are lactonases with overlapping and distinct substrate specificities. J Lipid Res. 2005;46(6):1239–47. https://doi.org/10.1194/jlr.M400511-JLR200

24. Gupta RD, Goldsmith M, Ashani Y, Simo Y, Mullokandov G, Bar H, et al. Directed evolution of hydrolases for prevention of G-type nerve agent intoxication. Nat Chem Biol. 2011;7(2):120–5. https://doi.org/10.1038/nchembio.510

25. Li WS, Lum KT, Chen-Goodspeed M, Sogorb MA, Raushel FM. Stereoselective detoxification of chiral sarin and soman analogues by phosphotriesterase. Bioorg Med Chem. 2001;9(8):2083–91. https://doi.org/10.1016/s0968-0896(01)00113-4

26. Goldsmith M, Tawfik DS. Enzyme engineering: reaching the maximal catalytic efficiency peak. Curr Opin Struct Biol. 2017;47(12):140-150. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2017.09.002

27. Goldsmith M, Ashani Y, Simo Y, Ben-David M, Leader H, Silman I, et al. Evolved stereoselective hydrolases for broad-spectrum G-type nerve agent detoxification. Chem Biol. 2012;19(4):456–66. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2012.01.017

28. Mata DG, Sabnekar P, Watson CA, Rezk PE, Chilukuri N. Assessing the stoichiometric efficacy of mammalian expressed paraoxonase-1 variant I-F11 to afford protection against G-type nerve agents. Chem Biol Interact. 2016;259(B):233–41. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2016.04.013

29. Haider K.H. Handbook of Stem Cell Therapy, Springer Nature Singapore, 1st ed. 2022. ISBN 978-981-19-2654-9. https://doi.org/10.1007/978-981-19-2655-6

30. Pawitan JA, Bui TA, Mubarok W, Antarianto RD, Nurhayati RW, Dilogo IH, Oceandy D. Enhancement of the Therapeutic Capacity of Mesenchymal Stem Cells by Genetic Modification: A Systematic Review. Front Cell Dev Biol. 2020;8:587776. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.587776

31. Lakota J. Fate of human mesenchymal stem cells (MSCs) in humans and rodents-Is the current paradigm obtained on rodents applicable to humans? J Cell Mol Med. 2018;22(44):2523–4. https://doi.org/10.1111/jcmm.13561

32. Nathwani AC, Tuddenham EG, Rangarajan S, Rosales C, McIntosh J, Linch DC, et al. Adenovirusassociated virus vector-mediated gene transfer in hemophilia B. N Engl J Med. 2011;365(25):2357–65. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1108046

33. Dhungel BP, Winburn I, Pereira CDF, Huang K, Chhabra A, Rasko JEJ. Understanding AAV vector immunogenicity: from particle to patient. Theranostics. 2024;14(3):1260–88. https://doi.org/10.7150/thno.89380

34. Lakota J, Gocarova K, Spanik S. Treatment of metastatic head and neck cancer with mesenchymal stem cells combined with prodrug gene therapy. Exp Oncol. 2015;37(4):298. PMID: 26710845.