Nowitschok - Nervengift aus der Sicht eines Chemikers

Do, 03.05.2018 - 22:06 — Inge Schuster

Inge SchusterIcon ChemieZwei Monate nach dem Anschlagmit einem Nervengift im englischen Salisbury ist es um die ganze Affäre relativ ruhig geworden. Nach Analysen durch zwei unabhängige Institutionen soll es sich um eine Verbindung aus der Gruppe der sogenannten Nowitschok-Substanzen handeln, die ursprünglich als Kampfstoffe in der UdSSR entwickelt worden waren. Nähere Details zu diesem Gift und zur offensichtlich erfolgreichen Behandlung der Opfer wurden nicht bekannt. Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über derartige Verbindungen und deren Wirkmechanismus gegeben werden.Wirkmechanismus gegeben werden.

Man sieht es nicht, spürt es nicht, riecht es nicht und es ist dennoch unvorstellbar giftig. Als vor zwei Monaten von einem Anschlag mit einem synthetischen Nervengift in Salisbury berichtet wurde, löste dies weltweit Entsetzen aus. Die Empörung kochte hoch und es wurden Szenarien Wirklichkeit, die an die des kalten Krieges erinnerten.

Labors des britischen DSTL (Defence Science and Technology Laboratory ) im nahegelegenen Porton Down und zu einem späteren Zeitpunkt der Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW) haben das Blut (und andere Körperflüssigkeiten) der beiden Opfer des Anschlags und Proben von Stellen, mit denen diese vermutlich in Kontakt gekommen waren, analysiert.

Die Analysen ergaben, dass die Proben ein Nervengift enthielten, das aus einer mit Nowitschok bezeichneten Gruppe phosphororganischer Verbindungen stammte. Es hieß, es handle sich dabei um eine besonders stabile Verbindung , deren hohe Reinheit nicht auf die (ansonsten auf Grund von Verunreinigungen nachweisbare) Herkunft schließen lasse. Struktur und Bezeichnung wurden der Allgemeinheit nicht mitgeteilt.

Was aber bedeutet Nowitschok?

Während des kalten Krieges hatten viele Länder noch intensiv an chemischen Waffen gearbeitet mit dem Ziel deren Toxizität zu erhöhen und die Nachweisbarkeit und die Möglichkeit sich davor zu schützen zu reduzieren.. In den Militärlabors der damaligen UDSSR wurden in den 1970 - 1980-Jahren phosphororganische Substanzen produziert (Code: Foliant-Programm), die strukturelle Ähnlichkeit mit den seit den 30er und 40er Jahren bekannten Giften Sarin und Soman aufwiesen, jedoch eine vielfach höhere Toxizität hatten. Abbildung 1. Allerdings herrscht über Strukturen und Eigenschaften dieser Verbindungen ziemliche Unklarheit.

Abbildung 1.Toxizität repräsentativer chemischer Nervengifte bei Hautkontakt (logarithmische Skala; LD50: Dosis in mg die 50 % einer Bevölkerung nach Hautkontakt tötet). Nowitschok Verbindungen (hier A-232) sind angeblich noch 5 - 10 x toxischer als VX. Zu den wenigen Autoren, die über diese Verbindungen berichten (s.u.), gehören S. Hönig und W. Mirsajanov - sie geben unterschiedliche Strukturen an. (Toxizität: Quelle J. Newmark, Arch Neurol. 2004;61(5):649-652. doi:10.1001/archneur.61.5.649)

Ein Großteil dessen, wasan Information über die Nowitschok Verbindungen an die Öffentlichkeit gelangte, stammt von Wil Mirsajanow, der Leiter der russischen Spionageabwehr war, aber auch als analytischer Chemiker an dem geheimen Foliant-Programm beteiligt war und die Umweltbelastung durch chemische Kampfstoffe untersuchte. Schwere Bedenken hinsichtlich der Kontamination der Umwelt durch die Nowitschok Substanzen brachten Mirsajanov dazu das geheime Projekt an die Öffentlichkeit bringen - es war dies ja schliesßlich in der Ära des Glasnost [1]. (Auch die Bezeichnung der Substanzgruppe Nowitschok (Neuling) geht auf Mirsajanov zurück). Mirsajanov verlor seinen Posten und bekam ein Verfahren auf den Hals, das aber bald wieder eingestellt wurde. Das Interesse des Westens an der Causa schien endendwollend. Später, in die USA emigriert, berichtete Mirsajanov in einer Autobiographie 2008 “State Secrets: An Insider’s Chronicle of the Russian Chemical Weapons Program” über das Foliant-Programm und zeigte auch Strukturen wesentlicher Verbindungen aus diesem Programm auf (da er keinen Verleger fand, gab er das Buch im Eigenverlag heraus).

In einem Derivierungsprogramm sollen über 100 Vertreter solcher Nowitschoks bis zum Zusammenbruch der UDSSR - und noch darüber hinaus (auch als 1993 sich Russland der Chemical Weapons Convention angeschlossen hatte) - synthetisiert und getestet worden sein.

Ein Überblick über diese giftigsten aller Nervengifte ist in Abbildung 2 dargestellt. Die von Mirsajanov aufgezeigten Strukturen sind von mehreren Autoren übernommen worden. Allerdings geht der amerikanische Chemiker (und Chemical Terrorism Coordinator am Florida Dept of Health) Steven Hönig g- offensichtlich basierend auf einschlägigen russischen Veröffentlichungen zur Synthese derartiger Verbindungen - von anderen Strukturen aus [2] (Abbildung 1), ebenso D. Hank Ellison, der auch zahlreiche derartige Arbeiten zitiert.

Abbildung 2. Was sind Nowitschok-Verbindungen? Strukturen nach W. Mirsajanov; die ersten drei Strukturen In der oberen Reihe sind A-230, A-232 und A-234 . In der Reihe darunter sind 2 Guanidino-Derivate, die kürzlich in einem iranischen Labor synthetisiert wurden. (Quelle: http://www.compoundchem.com/2018/03/12/novichok/; Lizenz: cc- by-nc-nd)

Zur Herkunft von Nowitschoks

Auf Grund ihrer enorm hohen Toxizität lassen sich Nowitschoks zweifellos nicht von "Garagen-Startups" herstellen. Dass aber wichtigere, an Nervengiften arbeitende Labors - einschliesslich Porton Down in England, Edgwoodin den US, TNO in Holland, etc. - sich auch mit Nowitschoks beschäftigen, gehört einfach zu deren Aufgabenbereichen. Schließlich müssen für derartige Giftstoffe ja auch empfindlichste analytische Nachweisverfahren aus unterschiedlichsten Probematerialien entwickelt werden und die chemischen und biologischen Eigenschaften solcher Strukturen (und auch ihrer Abbauprodukte) getestet werden, um bei potentiellen Anschlägen rasch Abwehr- und Schutzmaßnahmen einleiten zu können. Derartige Forschung ist demnach - unter Einhaltung bestimmter Bedingungen - auch im Chemiewaffenkontrollabkommen gestattet.

In der Fachliteratur sind Nowitschok-Strukturen nicht unbekannt. Abgesehen von einer Reihe russischer Arbeiten zu Synthese und Reaktionen von A-230, A-232 und A-234 , die in den 1960er und frühen 1970er Jahren im Zhurnal Obshchei Khimii publiziert wurden, gibt es einschlägige Beweise, dass Kenntnis und experimenteller Umgang mit solchen Substanzen in Fachkreisen weltweit Verbreitung gefunden haben. Abbildung 3 führt drei Beispiele aus Amerika, Europa und Asien an: :

  • In einem US-Patent zur Behandlung von Vergiftungen mit phosphororganischen Verbindungen werden Nowitschoks angeführt,
  • Forscher von der Humboldt Universität, Berlin haben über Synthesen rund um derartige phosphororganische Verbindungen berichtet,
  • iranische Forscher haben vor kurzem Synthese und Analyse von Nowitschoks (Guanidino-Derivate) beschrieben.

Soeben erreicht uns übrigens auch eine Pressemitteilung (CTK) des tschechischen Präsidenten Milos Zeman: ein Militär-Forschungslabor in Brünn habe im vergangenen Herbst "kleine Mengen" der Substanz A-230 für Testzwecke hergestellt und anschließend vernichtet. (http://www.praguemonitor.com/2018/05/04/zeman-novichok-was-produced-test...)
Abbildung 3. Beispiele für weltweite Forschung an Nowitschoks.

Zum Wirkungsmechanismus..........

Wie auch die anderen phosphororganischen Nervengifte der G-Serie (Sarin, Soman, Tabun, etc.) und der V-Serie (u.a. VX) hemmen Nowitschoks das im Körper produzierte Enzym Acetylcholinesterase und zwar in irreversibler Weise.

Die Aufgabe der Acetylcholinesterase ist es das Signal eines der wichtigsten Neurotransmitter in unserem Organismus, des Acetylcholins, zu limitieren. Acetylcholin vermittelt die Erregungsübertragung an sogenannten cholinergen Synapsen zwischen Neuronen im Zentralnervensystem und zwischen Motoneuron und Muskel (an der motorischen Endplatte). Es wird in der "Senderzelle" synthetisiert , in den synaptischen Spalt ausgeschleust, gelangt an den Rezeptor der "Empfängerzelle", und generiert ein Signal, das die Erregung dort weiterleitet. Wie dieses Signal beispielsweise zur Kontraktion von Muskelfasern führt, ist in Abbildung 4.dargestellt.

Abbildung 4. Erregungsübertragung zwischen Neuron und motorischer(neuromuskulärer) Endplatte. Wenn ein Nervenimpuls über das Axon eines Motoneurons auf die neuromuskuläre Endplatte trifft, wird in Tausenden Vesikeln gespeichertes Acetylcholin in den synaptischen Spalt freigesetzt. Einige Moleküle binden an die, in die Membran der Muskelfaser eingebetteten Ionenkanäle ("Nikotin"rezeptor), die sich in Folge öffnen. Na-Ionen strömen in die Zelle lösen ein Aktionspotential aus, das sich über die erregbare Membran (Sarcolemma) fortpflanzt und durch das T-Tubule System in das Innere der Faser zum Sarcoplasmischen Reticulum gelangt. Aus diesem strömen Ca-Ionen aus und führen zur Muskelkontraktion.(Bild: http://thebrain.mcgill.ca/flash/d/d_06/d_06_m/d_06_m_mou/d_06_m_mou.html; copyleft)

Beim Eintritt in den synaptische Spalt trifft Acetylcholin auch auf die, in die postsynaptische Membran eingebettete Acetylcholinesterase , die Acetylcholin in Cholin und Essigsäure spaltet (Abbildung 4, unten), damit das Signal limitiert und die Empfängerzelle so für das nächste Signal bereit macht. Das Enzym arbeitet ungemein schnell , spaltet bis zu 10 000 Moleküle Acetylcholin pro Sekunde ("diffusionskontrolliert" : jedes Acetylcholin, das in das aktive Zentrum des Enzym trifft, wird sofort gespalten).

Eine Blockierung des Enzyms führt dazu, dass sich Acetylcholin im synaptischen Spalt anreichert und es zu einer andauernden unkontrollierte Stimulierung der Empfängerzellen, z.B. bestimmter Muskeln kommt. Dies ist bei den phosphororganischen Nervengiften der Fall. Diese binden im aktiven Zentrum dieses und verwandter Enzyme irreversibel an einen Aminosäurerest (ein Serin), der für die katalytische Funktion essentiell ist. (Wie sich derartige Strukturen in das aktive Zentrum einpassen, wurde an Hand von Kristallstrukturanalysen gezeigt.) Acetylcholin kann nicht mehr abgebaut werden und akkumuliert - das Signalsystem von Zelle zu Zelle ist unterbrochen, das System bleibt im Erregungszustand. Abbildung 5. Eine Überstimulierung tritt ein, die Folge sind Krämpfe, Lähmungen und schließlich Atemstillstand sind die Folge. (In manchen neurogenerativen Erkrankungen dürfte ein Mangel an Acetylcholin bestehen und man strebt reversible inhibierende Wirkstoffe an.)

Abbildung 5. Wechselwirkung von Nervengiften mit Cholinesterasen. Links: Kristallstruktur der menschlichen Leber-Carboxylesterase mit Soman. Soman liegt in einer tiefen "Schlucht" gebunden an einen Serinrest.(Ausschnitt aus der Struktur 2HRQ, PDB ). Rechts: Blockierung der Acetylcholinesterase (gelb) im synaptischen Spalt durch ein Nervengift (rot). Acetylcholin (blau) kann nicht mehr an das Enzym gelangen. (Quelle: V. Müller https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sarin_Wirkungsweise.png)

................... und zum "Aging" des Targetenzyms

Wie bereits erwähnt, führt die Bindung von phosphororganischen Nervengiften im aktiven Zentrum der Acetylcholinesterase zu deren irreversibler Inaktivierung. Der Vorgang, der von der vorerst reversiblen Bindung zur Inaktivierung führt, wird als "Aging" bezeichnet. Es wird der katalytische Prozess des Enzyms wirksam, der - vereinfacht ausgedrückt - die Ester-/Amidbindungen spaltet: dabei geht die Phosphorgruppierung eine kovalente Bindung mit der Hydroxylgruppe des essentiellen Serins ein und ein Fragment des Moleküls geht ab. Dieser Aging-Prozess dauert bei den einzelnen Substanzen (Strukturen in Abbildung 1)unterschiedlich lang und unterschiedliche Reste verbleiben am Enzym (Daten: K Sutliff, Science):

• Soman wird am schnellsten - innerhalb von 2 Minuten - inaktiviert. Die Fluor- Phosphor -Bindung wird gespalten, Fluor geht ab, der Rest des Moleküls liegt kovalent an das Serin gebunden vor,

• bei Sarin dauert der Aging-Prozess wesentlich länger - 5 Stunden . Auch hier verlässt Fluor das Enzym,

• bei VX braucht es 36,5 Stunden für die Inaktivierun;. hier wird ein großer Rest - der Thioalkohol - abgespalten,

• am langsamsten - 46 Stunden - verläuft der Prozess bei Tabun. Hier kommt es zu einer Abspaltung des Cyano-Rests (-CN).

• Wie lange der Aging-Prozess bei dem, im Salisbury -Anschlag verwendeten Nervengift dauert, ist unbekannt. Es könnte ein sehr langdauernder Prozess sein, da eine Diagnose und damit Behandlung der Opfer erst spät erfolgte. Wie bei Sarin und Soman, dürfte auch hier Fluor abgespalten werden.

Werden während des Aging-Prozesses Substanzen verabreicht - beispielsweise Oxime -, die mit dem Nervengift um die (vorerst reversible) Bindungsstelle konkurrieren, so kann dieses aus der Bindung verdrängt und die Toxizität reduziert werden. Abhängig vom Ausmaß der Intoxikation kann später nur auf eine umfangreiche Neusynthese des Enzyms gehofft werden. (Angaben darüber, ob das inaktivierte Enzym zu Bruchstücken führt, die vom Immunsystem als fremd betrachtet werden und damit Immunprozesse auslösen, habe ich noch nicht gefunden.)

Versuch einer Quantifizerung

Die Frage: welche Dosis Nervengift, auf welchem Weg verabreicht, führt zu einer irreversiblen Schädigung, kann nicht so einfach beantwortet werden. Eine unterste Grenze ist zweifellos mit der Menge an Acetylcholinesterase im Organismus - 62 nmole [3] - gesetzt, d.i. wenn ein Molekül Enzym bereits durch ein Molekül Nervengift inaktiviert wird. Für eine Substanz mit einem Molekulargewicht von 250 - 300 D, würde das einer Dosis von 15 - 18 Mikrogramm entsprechen.

Die Sache wird insofern komplizierter, als auch andere Enzyme in vergleichbarer Weise mit dem Nervengift reagieren (aber nicht ähnliche Schädigungen wie im Acetylcholinsystem verursachen) . Es ist dies vor allem die mit Acetylcholinesterase sehr nahe verwandte Butyrilcholinesterase (Pseudocholinesterase), die in mehr als zehnfach höherer Konzentration vorhanden ist und vermutlich Gifte der Acetylcholinesterase abfängt [3]. Die unterste toxische Konzentration würde sich damit auf 0,15 - 0,18 mg erhöhen.

Auch andere verwandte Carboxylesterasen und Serinproteasen (z.B. Chymotrypsin, Pepsin) könnten die Nervengifte abfangen - damit würde die untere Grenze für irreversible Schäden bereits mehr als einem Milligramm Substanz liegen.

Dazu kommt nun auch noch der Weg, auf dem ein Nervengift in den Organismus eintritt. Ist dies, wie im Salisbury-Anschlag angenommen, über den Kontakt mit der Haut, so diffundiert die Verbindung zuerst langsam durch die obersten Hautschichten (mit Serinproteasen). Üblicherweise gelangt nur ein vhm. kleiner Anteil von topisch applizierten Substanzen in den Blutkreislauf. Dort würden im Fall der Nervengifte vor allem die schützende Butyrilcholinesterase vorliegen und eine in der Erythrozyten-Membran eingebettete Form der Acetylcholinesterase. Erst das, was hier "übrigbleibt", kann dann die Signalübertragung im Nervensystem beeinflussen.

Ob dies mit kolportierten Dosen von 1 mg möglich ist, wage ich zu bezweifeln.

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[1] V.S.Mirzayanov : Dismantling the Soviet/Russian Chemical Weapons Complex: An Insiders View; in: AE Smithson, V.S.Mirzayanov, R Lajoie, M Krepon (1995) Disarmament in Russia: Problems and Prospects. https://web.archive.org/web/20150824060701/http://www.stimson.org/images...

[2] S.L. Hönig, Compendium of Chemical Warfare Agents. (Springer Verlag, 2007)

[3] O. Lockridge et al., Naturally Occurring Genetic Variants of Human Acetylcholinesterase and Butyrylcholinesterase and Their Potential Impact on the Risk of Toxicity from Cholinesterase Inhibitors. Chem. Res. Toxicol. 2016, 29, 1381−1392; open access.


Weiterführende Links

Vil S. Mirsanajov: novichok fomulas are not terrorist weapons (2009) Video 9:00 min https://www.youtube.com/watch?v=G9OOLBN0j7c
Vil S. Mirsanajov: Isn’t it enough is enough? (15.12.20099 http://vilmirzayanov.blogspot.co.at/2009/

Vladimir Pietschmann: Overall View of Chemical and Biochemical Weapons. Toxins 2014,6, 1761-1784; doi:10.3390/toxins6061761 . https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4073128/pdf/toxins-06-01761...