POSSIBILITIES OF CHEMICAL TOXICOLOGICAL ANALYSIS IN MODELING ACUTE POISONING WITH VR AND ANTIDOTAL THERAPY USING CARBOXIM

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of the cholinesterase reactivator carboxim was studied on the possibility of the determination of markers of VR (О-isobutyl S-(2-diethylaminoethyl) methylthiophosphonate) in biomedical samples obtained in in vivo acute experiments in rats injected with 2 0.4LD50 of VR at 1hour interval. It was found that acetylcholinesterase (AChE) is a more sensitive blood plasma biomarker compared to butyrylchlonesterase (BChE) in blood plasma. Carboxim therapy led to AChE reactivation 3 h after poisoning, whereas in the absence of therapy, the AChE activity recovered within 3 days. Fluoride-based regeneration of organophophorus nerve agents (OPNAs) from blood plasma protein adducts was possible within 7 days after poisoning irrespective of whether the therapy was applied or not. The effect of the reactivator on the excretion of VR hydrolysis products was considerable. A day after poisoning and carboxim injection, О-isobutyl methylphosphonate (iBuMPA) was detected in urine at a level of 17 ng/ml against 7.4 ng/ml in the urine samples of untreated animals; after 3 days, iBuMPA could be detected at a level of 1 ng/ml exclusively in the latter urine samples. It was also found that the levels of free and esterified fatty acids in the blood plasma samples of animals not subjected to antidotal therapy reached a maximum on the 7th day after acute exposure to VR. Therefore, the blood plasma levels of free and esterified fatty acids can be used as an additional toxicodynamic parameter of VR poisoning.

About the authors

N. L. Koryagina

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Author for correspondence.
Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

E. I. Savelieva

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

A. I. Ukolov

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

D. S. Prokofieva

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

N. S. Khlebnikova

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

T. I. Orlova

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

E. S. Ukolova

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

A. S. Radilov

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

N. V. Goncharov

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology, Federal Medical Biological Agency

Email: noemail@neicon.ru
Russian Federation

References

  1. Worek F., Thiermann H., Szinicz L., Eyer P. Kinetic analysis of interactions between human acetylcholinesterase, structurally different organophosphorus compounds and oximes. Biochem. Pharmacol. 2004. 68: 2237-2248.
  2. Prokofieva D.S., Voitenko N.G., Gustyleva L.K., Babakov V.N., Savelieva E.I., Jenkins R.O., Goncharov N.V. Microplate spectroscopic methods for determination of the organophosphate soman // J. Environ. Monit. 2010; 12(6): 1349-54.
  3. Prokofieva DS, Jenkins RO, Goncharov NV. Microplate biochemical determination of Russian VX: Influence of admixtures and avoidance of false negative results. Anal Biochem. 2012; 424(2):108-13.
  4. Краснов И.А., Подольская Е.П., Гончаров Н.В., Бабаков В.Н., Глашкина Л.М., Ермолаева Е.Е., Дубровский Я.А., Прокофьева Д.С., Войтенко Н.Г., Смолихина Т.И., Поляков Н.Б., Радилов А.С., Краснов Н.В. Изменения спектра производных фибринопептида в плазме крови при действии О-изобутил-S-(2-диэтиламиноэтил)метилтиофосфоната. Научное приборостроение. 2008; 18(4): 29-36.
  5. Бабаков В.Н., Подольская Е.П., Гончаров Н.В., Глашкина Л.М., Краснов И.А., Поляков Н.Б., Войтенко Н.Г., Прокофьева Д.С., Краснов Н.В., А.С. Радилов. Новые маркеры интоксикации фосфорорганическими соединениями в пептидной фракции плазмы крови крыс. Токсикологический вестник. 2010; 2: 31-38.
  6. Корягина Н.Л., Савельева Е.И., Хлебникова Н.С., Копейкин В.А., Конева В.Ю., Радилов А.С.. Особенности анализа фосфорорганических отравляющих веществ, реактивированных из состава аддуктов с белками крови при установлении факта воздействия химического оружия. Токсикологический вестник. 2014; 4: 39-46.
  7. Black R. M. Historical and perspectives of bioanalytical methods for chemical warfare // J. of chromatography B. 2010; 878: 1207–1215.
  8. Уколов А.И., Орлова Т.И., Савельева Е.И., Радилов А.С., Гончаров Н.В. Изменения профилей жирных кислот плазмы крови крыс при введении сублетальных количеств фосфорорганических отравляющих веществ. Токсикологический вестник. 2015; 132(3): 2-11.
  9. Worek F., Thiermann H., Szinicz L., Eyer P. Kinetic analysis of interactions between human acetylcholinesterase, structurally different organophosphorus compounds and oximes// Biochem. Pharmacol. 2004; 68: 2237–2248.
  10. Юдин М. А., Быков В. Н., Никифоров А. С., Сарана М. А. Особенности проявления нехолинолитического действия блокаторов центральных мускариновых рецепторов. Токсикологическаий Вестник. 2014; 2:10-15.
  11. Worek F., Thiermann H., Szinicz L., Eyer P. Kinetic analysis of interactions between human acetylcholinesterase, structurally different organophosphorus compounds and oximes// Biochem. Pharmacol. 2004; 68: 2237–2248.
  12. Петров А.Н., Софронов Г.А., Нечипоренко С.П., Сомин И.Н. Антидоты фосфорорганических отравляющих веществ. Рос. хим. ж. 2004; 48(2): 110-116.
  13. Савельева Е.И., Корягина Н.Л., Копейкин В.А. , Сорокоумов П.Н., Конева В.Ю. Методика измерений массовых концентраций фосфорорганических веществ, реактивированных из состава аддуктов, в плазме крови методом газовой хромато-масс-спектрометрии. Свидетельство об аттестации № 222.0255/01.00258/2014 от 22.10.14 г.
  14. Каракашев Г.В., Криворотова Н.В., Морозова Т.Е., Корягина Н.Л., Савельева Е.И., Копейкин В.А. Методика измерений массовых концентраций О-алкилметилфосфонатов в моче методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с тандемным масс-селективным детектированием. Свидетельство об аттестации № 222.0183/01.00258//2012 от 02.08.2012. ФР.1.39.2012.13710.
  15. Уколов А.И., Орлова Т.И., Савельева Е.И., Радилов А.С. Хромато-масс-спектрометрическое определение свободных жирных кислот в плазме крови и моче с использованием экстрактивного алкилирования. Журн. анал. химии. 2015; 70(9): 968-975.
  16. Орлова Т.И., Уколов А.И., Савельева Е.И., Радилов А.С. Определение свободных и этерифицированных жирных кислот в плазме крови методом газовой хроматоматографии с масс-селективным детектированием. Аналитика и контроль. 2015; 19(2): 183-188.
  17. Корягина Н.Л., Савельева Е.И., Хлебникова Н.С., Уколов А.И., Уколова Е.С., Каракашев Г.В., Радилов А.С. Хроматомасс-спектрометрическое определение алкилметилфосфоновых кислот в моче. «Масс-спектрометрия». 2015; 12(4): 236-246.
  18. Munro N. B., Talmage S.S., Griffin L.C., Waters A.P., Watson A.P., King J.F., and Hauschhild V. The sourses, fate, and toxicity of chemical warfare agent degratanion products // Environ. Health Perspect. 1999; 107(12): 933-974.
  19. Riches J., Morton I., Read R.W., Black R.M. The trace analysis of alkyl alkylphosphonic acids in urine using gas chromatography-ion trap negative ion tandem mass spectrometr. J. Chromatogr. B. 2005; 816(1-2): 251-258.
  20. Nagao M., Takatori T., Matsuda Y. et al. Definitive Evidence for the Acute Sarin Poisoning Diagnosis in the Tokyo Subway. Toxicol. Appl. Pharmacol. 1997; 144(1):198–203.
  21. Noort D., Hulst A.G., Platenburg D.H.J.M., Polhuijs M., Benschop H.P.. Quantitative analysis of O-isopropyl methylphosphonic acid in serum samples of Japanese citizens allegedly exposed to sarin: estimation of internal dosage. Arch. Toxicol. 1998; 72(10): 671-675.
  22. Minami M., Hui D-M, Katsumata M., Inagaki H., Boulet C.A. Method for the analysis of methylphosphonic acid metabolites of sarin and its ethanolsubstituted analogue in urine as applied to the victims of the Tokyo sarin disaster // J.Chromatogr. B. 1997; 695(2): 237-244.
  23. Polhuijs M., Langenberg J.P., Benschop H.P. New Method for Retrospective Detection of Exposure to Organophosphorus Anticholinesterases: Application to Alleged Sarin Victims of Japanese Terrorists, Toxicol Appl Pharmacol. 1997; 146 (1): 156-161.
  24. Holland K. E., Solano M. I., Johnson R. C. et al. Modifications to the Organophosphorus Nerve Agent-Protein Adduct Refluoridation Method for Retrospective Analysis of Nerve Agent Exposures, J. Anal. Toxicol. 2008; 32(1): 116−124.
  25. Solano M. I., Thomas J. D., Taylor J. T. et al. , Quantification of Nerve Agent VXButyrylcholinesterase Adduct Biomarker from an Accidental Exposure. J. Anal. Toxicol. 2008; 32(1): 68-73.
  26. McGuire J.M., Taylor J. T., Byers C.E., Jakubowski E. M., Thomson S. A. Determination of VX-G Analogue in Red Blood Cells via Gas ChromatographyTandem Mass Spectrometry Following an Accidental Exposure to VX. J. Anal. Toxicol. 2008; 32(1): 73-78.
  27. Войтенко Н.Г., Прокофьева Д.С., Гончаров Н.В. Проблемы диагностики при интоксикации фосфорорганическими соединениями. Токсикологический Вестник. 2013; 5: 2-6.
  28. WHO 1993. Biomarkers and Risk Assessment: Concepts and Principles. Geneva:World Health Organization.
  29. Ashauer R, Hintermeister A, Caravatti I, Kretschmann A, Escher BI. Toxicokinetic and toxicodynamic modeling explains carry-over toxicity from exposure to diazinon by slow organism recovery. Environ Sci Technol. 2010; 44(10): 3963-3971.
  30. Ashauer R, Escher BI. Advantages of toxicokinetic and toxicodynamic modelling in aquatic ecotoxicology and risk assessment. J Environ Monit. 2010; 12(11): 2056-2061.
  31. Escher BI, Ashauer R, Dyer S, Hermens JL, Lee JH, Leslie HA, Mayer P, Meador JP, Warne MS. Crucial role of mechanisms and modes of toxic action for understanding tissue residue toxicity and internal effect concentrations of organic chemicals. Integr Environ Assess Manag. 2011; 7(1): 28-49.
  32. Park YC, Lee S, Cho MH. The Simplest Flowchart Stating the Mechanisms for Organic Xenobiotics-induced Toxicity: Can it Possibly be Accepted as a “Central Dogma” for Toxic Mechanisms? Toxicol Res. 2014; 30(3): 179-84.
  33. Kuznetsov S.V., Jenkins R.O., Goncharov N.V. Electrophysiological study of infant and adult rats under acute intoxication with fluoroacetamide. J. Appl. Toxicol. 2007; 27(6): 561-572.
  34. Ермолаева Е.Е., Н.В. Гончаров, А.С. Радилов, Л.М. Глашкина, А.В. Кузнецов, И.В. Миндукшев, П.В. Авдонин, И.А. Добрылко, В.Р. Рембовский. Ингибирование эстераз и функциональная активность макрофагов, тромбоцитов, эндотелия при низкоуровневом воздействии диизопропилфторфосфата и фосфакола. Токсикологический вестник. 2008; 2: 3-9.
  35. Ермолаева Е.Е., Н.В. Гончаров, А.С. Радилов, А.В. Кузнецов, Л.М. Глашкина, И.В. Миндукшев, С.В. Кузнецов, Г.А. Протасова, И.А. Добрылко. Активность эстераз, состояние тромбоцитарного звена гемостаза, нейро-мышечной проводимости и морфологические изменения при моделировании хронической пероральной интоксикации веществом, типа VX. Токсикологический вестник. 2008; 3: 3-10.
  36. Шмурак В.И., Курдюков И.Д., Надеев А.Д., Войтенко Н.Г., Глашкина Л.М., Гончаров Н.В. Биохимические маркеры интоксикации фосфорорганическими отравляющими веществами // Токсикологический Вестник. 2012; 4: 30-34.
  37. Гарнюк В.В., Войтенко Н.Г., Волкова М.О., Максакова А.М., Гончаров Н.В. Гемопоэз у лабораторных животных при остром отравлении фосфорорганическими отравляющими веществами // Токсикологический Вестник. 2012; 4: 35-40.
  38. Винокуров М.Г., Надеев А.Д., Войтенко Н.Г., Гончаров Н.В. Исследование клеток иммунной системы при действии фторацетата. Российский иммунологический журнал. 2014; 8 (3): 273-275.
  39. Уколов А.И., Орлова Т.И., Войтенко Н.Г., Гончаров Н.В. Исследование энергетического метаболизма крыс при действии фторацетата. Вестник Уральской медицинской академической науки. 2014; 3(49): 64-66.
  40. Matsumoto I, Kuhara T. A new chemical diagnostic method for inborn errors of metabolism by mass spectrometry. MS Reviews, 1996;15:43- 57.
  41. Hao H, Li S, Zhou W, Wang H, Liu M, Shi C, Chen J, Xiao X. Metabolic products in urine of preterm infants characterized via gas chromatographymass spectrometry.Int J Clin Exp Med. 2015; 8(9):16454-16462.
  42. Sun W, Wang Y, Yang Y, Wang J, Cao Y, Luo F, Lu W, Peng Y, Yao H, Qiu P. The screening of inborn errors of metabolism in sick Chinese infants by tandem mass spectrometry and gas chromatography/ mass spectrometry. Clin Chim Acta. 2011; 412(13-14):1270-4.
  43. Гончаров Н.В., Уколов А.И., Орлова Т.И., Мигаловская Е.Д., Войтенко Н.Г. Метаболомика: на пути интеграции биохимии, аналитической химии, информатики // Успехи современной биологии. 2015.- Т.135.- №1.- с.3-17.
  44. Goncharov N., E. Savelieva, V. Zinchenko, S. Kuznetsov, I. Mindukshev, M. Vinokurov, P. Avdonin, N. Voitenko, A. Ukolov, T. Orlova, R. Jenkins, A. Kuznetsov. Fluoroacetate. In: R.C. Gupta (Ed.) Handbook of Toxicology of Chemical Warfare Agents, Academic Press/ Elsevier, Amsterdam, second edition, 2015: 193-214. ISBN: 978-0-12- 800159-2, 1198 pp.
  45. Voicu VA, Thiermann H, Rădulescu FS, Mircioiu C, Miron DS. The toxicokinetics and toxicodynamics of organophosphonates versus the pharmacokinetics and pharmacodynamics of oxime antidotes: biological consequences. Basic Clin Pharmacol Toxicol. 2010 Feb;106(2):73- 85.
  46. Sidell FR, Groff WA. The reactivatibility of cholinesterase inhibited by VX and sarin in man. Toxicol Appl Pharmacol. 1974; 27: 241–252.
  47. Xie S, Borazjani A, Hatfield MJ, Edwards CC, Potter PM, Ross MK. Inactivation of lipid glyceryl ester metabolism in human THP1 monocytes/macrophages by activated organophosphorus insecticides: role of carboxylesterases 1 and 2. Chem Res Toxicol. 2010; 23(12):1890-1904.
  48. Курдюков И.Д., Шмурак В.И., Надеев А.Д., Войтенко Н.Г., Прокофьева Д.С., Гончаров Н.В. «Эстеразный статус» организма при воздействии токсических веществ и фармпрепаратов. Токсикологический Вестник. 2012; 6: 6-13.
  49. Maxwell DM. The specificity of carboxylesterase protection against the toxicity of organophosphorus compounds. Toxicol Appl Pharmacol. 1992;114(2):306-312.
  50. Белинская Д.А., Шмурак В.И., Прокофьева Д.С., Гончаров Н.В. Исследование связывания зомана с альбумином методами молекулярного моделирования // Токсикологический Вестник. 2012. 6: 13-19.
  51. Белинская Д.А., В.И. Шмурак, Д.С. Прокофьева, Н.В. Гончаров. Сывороточный альбумин: поиск новых сайтов взаимодействия с фосфорорганическими соединениями на примере зомана // Биоорганическая химия. 2014; 40 (5):541-549.
  52. Гончаров Н.В., Д.А. Белинская, А.В. Разыграев, А.И. Уколов. О ферментативной активности альбумина. Биоорганическая химия. 2015; 41(2): 131-144.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2016 Koryagina N.L., Savelieva E.I., Ukolov A.I., Prokofieva D.S., Khlebnikova N.S., Orlova T.I., Ukolova E.S., Radilov A.S., Goncharov N.V.


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 81728 от 11 декабря 2013.