Je leest:

Zeker over zenuwgas

Zeker over zenuwgas

Gemodificeerde eiwitten leveren hard bewijs

Auteur: | 28 mei 2015

Weinig wapens boezemen zoveel angst in als gifgassen. Terecht, want zenuwgassen als sarin en VX zijn extreem giftig. Deze wapens zijn al heel lang verboden, maar dat betekent niet dat ze niet worden gebruikt. Doordat ze zo giftig zijn, is er maar weinig van nodig en bovendien verdwijnen hun sporen heel snel. Behalve de sporen die ze nalaten in het lichaam van slachtoffers.

4 april 2017: Opnieuw aanval met chemische wapens in Syrië

Bij een luchtaanval op Khan Shaykhun in het noordwesten van Syrië zijn vele tientallen doden gevallen. De symptomen van de getroffenen – ademhalingsmoeilijkheden, schuim rond de mond, verwijde pupillen – wijzen op het gebruik van chemische wapens. Hoeveel slachtoffers de aanval heeft geëist is op dit moment nog niet duidelijk. Ook is er niet duidelijk wie verantwoordelijk is voor de aanval en welk gifgas is ingezet. Direct bewijs voor het gebruik van chemische wapens is vaak lastig te vinden, maar in 2015 schreef NEMO Kennislink over een nieuwe methode waarmee ook na langere tijd in het bloed van slachtoffers de sporen van gifgassen aangetoond kunnen worden. Lees het hele artikel hieronder.

Soldiers at mopp level 4
Wikimedia Commons

Op 22 april 2015 werd stilgestaan bij een nogal macaber jubileum. Het was op die dag honderd jaar geleden dat voor de eerste keer chemische wapens werden ingezet. Tijdens de Eerste Wereldoorlog, in de strijd rond het Vlaamse Ieper, bestookten de Duitse troepen de Franse en Canadese linies die dag met chloorgas. De aanval opende een nieuw, gruwelijk hoofdstuk in het boek over oorlogsvoering. Een hoofdstuk dat helaas nog niet is afgesloten.

Syrië

Op 21 augustus 2013 werden de bewoners van Ghouta, een buitenwijk van de Syrische hoofdstad Damascus, in alle vroegte opgeschrikt door een aanval. Er vielen honderden slachtoffers en hun symptomen wezen in de richting van een aanval met zenuwgas. Het was bekend dat het Syrische regime beschikte over grote voorraden van deze gassen, waaronder sarin. Een en een is twee zou je zeggen, maar keihard bewijs is dat niet. Om onomstotelijk aan te tonen dat al die mensen zijn gestorven door het gebruik van een zenuwgas moet je hard maken om welk zenuwgas het gaat.

“Zenuwgassen zijn heel reactief, waardoor je zelden het intacte gas nog terugvindt op de plaats van de aanval”, zegt Daan Noort, principal scientist bij de onderzoeksgroep CBRN Protection van TNO. CBRN staat voor Chemisch, Biologisch, Radiologisch, Nucleair. “Bovendien zijn zenuwgassen extreem giftig. Een zeer kleine hoeveelheid is al genoeg om slachtoffers te maken. Dat betekent een extra moeilijkheid bij het aantonen, want je hebt te maken met zeer lage concentraties.”

Ghouta massacre4
Slachtoffers van de sarin-aanval in Ghouta (bij Damascus) op 21 augustus 2013.
محمد السعيد, CC by 3.0

De reactiviteit van zenuwgassen betekent dat ze heel snel ‘verdwijnen’ in de omgeving. “Intact sarin bijvoorbeeld is binnen enkele uren verdwenen en de afbraakproducten binnen enkele dagen”, aldus Noort. Maar bij de aanval op Ghouta was er net een team van de Verenigde Naties aangekomen voor onderzoek naar de voorraden van chemische wapens in Syrië.

Monsters

Een geluk bij een ongeluk, want daardoor konden ter plekke snel monsters worden verzameld. “Normaal gesproken gaat het dan om bodem- en watermonsters en mogelijk ook monsters van brokstukken of kleding van slachtoffers.” De OPCW (Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons), de internationale organisatie die het verdrag over het verbod op chemische wapens uitvoert en controleert, heeft een wereldwijd netwerk van ongeveer twintig laboratoria die deze monsters mogen analyseren. Het TNO laboratorium in Rijswijk, waar Noort werkt, is het Nederlandse designated lab.

In Ghouta werden voor het eerst ook biomedische monsters van slachtoffers verzameld, zoals urine en bloed. “Er wordt al lang gedacht over het gebruik van biomedische monsters voor dergelijke analyses, omdat je daarmee nog veel sterker bewijs kunt verkrijgen. Als je in een slachtoffer sporen van een zenuwgas aantoont, is er geen andere verklaring meer mogelijk.”

Hq of opcw in the hague
Het hoofdkantoor van de Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW) in Den Haag.
OPCW Den Haag

Het gebruik van biomedische monsters heeft nog een belangrijk voordeel, legt Noort uit. “De giftigheid van zenuwgassen zit in de verbindingen die ze vormen met eiwitten in het lichaam. Die verbindingen hebben een relatief lange levensduur van soms wel enkele weken. Je hebt dus meer tijd om de sporen terug te vinden. Ook als je niet meteen ter plaatse bent om monsters te nemen.”

Verlamming

Zenuwgassen, zoals sarin, tabun en VX, binden aan het enzym acetylcholinesterase (AChE). Dit enzym zorgt ervoor dat de communicatie tussen het zenuwstelsel en de spieren goed verloopt. De zenuwgassen blokkeren de werking van AChE, waardoor overstimulering van allerlei processen optreedt. Zoals van de speekselproductie. Slachtoffers van zenuwgassen hebben vaak schuim rond hun mond. De continue prikkeling van de spieren zorgt ervoor dat verlamming optreedt, waardoor ook de ademhaling stokt.

Bij blootstelling aan een hoge dosis kan de dood al binnen enkele minuten volgen. Het aangrijpingspunt van de zenuwgassen in AChE is bekend, namelijk een specifiek serine residu in het actieve deel van AChE. Serine is een spuitgieten ; een bouwsteen van eiwitten. Serine heeft een hydroxylgroep (-OH) aan zijn ‘staart’, die relatief gemakkelijk verbindingen aangaat met zogenaamde elektrofiele stoffen. Dit zijn stoffen die graag een elektron opnemen.

De zenuwgassen zijn organofosfaten; ze bevatten een elektrofiel fosforatoom (P). Bovendien is in het geval van sarin het fosfor gebonden aan een fluoratoom (F). De P-F binding is heel reactief en verbreekt gemakkelijk. Zodra sarin in contact komt met AChE ‘vertrekt’ het fluoratoom, na een ‘aanval’ door de -OH groep van serine. Het gevolg: AChE bevat nu een zeer herkenbare sarin-staart, waardoor het zijn normale functie niet meer kan uitvoeren. Zo’n gemodificeerd spuitgieten heet ook wel een adduct. Noort: “Ieder zenuwgas geeft een eigen specifiek adduct en we weten welk gas welk adduct levert. Daar kunnen we dus heel gericht naar zoeken.” Dat zoeken is overigens niet eenvoudig. Zoals eerder aangegeven zijn zenuwgassen al bij heel lage dosering giftig en bovendien reageren ze niet alleen met AChE, maar met meerdere eiwitten en andere moleculen in het lichaam.

1053px sarin 3d balls
Het zenuwgas sarin. Oranje: fosfor, geelgroen: fluor, rood: zuurstof, zwart: koolstof, wit: waterstof. De fosfor-fluor binding is zeer reactief en verbreekt gemakkelijk.
Wikimedia Commons

Netjes knippen

Om het zoeken iets te vereenvoudigen kijken Noort en zijn collega’s naar een ander eiwit, butyrylcholinesterase (BuChE). De naam verraadt al dat dit sterk lijkt op AChE. De modificatie door zenuwgassen is gelijk, dus als je een sarin-adduct van BuChE vindt, is het bewijs even sterk. “Het voordeel van BuChE is dat het vrij in plasma voorkomt en niet aan een membraan is gebonden zoals AChE. De concentratie van BuChE is ook hoger”, vertelt Noort. “Uit experimenten weten we dat BuChE heel goed voldoet voor deze analyses.”

Hij legt uit hoe het zoekproces in z’n werk gaat. “Uit een bloedmonster haal je het plasma, waaruit je vervolgens het BuChE isoleert. De volgende stap is een splitsing van BuChE in kleinere fragmenten en dat splitsen gebeurt heel specifiek door een bepaald enzym. We kennen de aminozuurvolgorde van BuChE en we weten precies waar in deze volgorde het enzym knipt. Via massaspectrometrie gekoppeld met de scheidingstechniek HPLC (LC-MS) kunnen we tot slot het mengsel van BuChE fragmenten scheiden en zien of er fragmenten bij zijn waar een extra staart van een zenuwgas aan hangt.” Bij LC-MS worden moleculen eerst gescheiden en vervolgens wordt van elke component de massa bepaald. Het resultaat van een LC-MS meting is een serie pieken waaruit je de massa en de concentratie van de betreffende component kunt afleiden.

De analyses van de Ghouta-monsters wezen overduidelijk op het gebruik van sarin. Maar om de huidige methoden toe te passen moet je wel weten waar je naar zoekt. Wat nou als je geen enkele aanwijzing hebt over het gebruikte zenuwgas of een ander chemisch wapen? Noort: “In de praktijk zal een monster uit een conflictsituatie met de nodige additionele informatie worden aangeleverd, waardoor we weten in welke richting we moeten zoeken. Maar stel dat we echt niets zouden weten, dan nog kunnen we met deze aanpak een heel eind komen. De resolutie en gevoeligheid van de huidige apparatuur is zo hoog dat we een heel goede indicatie krijgen over de massa van de verbindingen die we zoeken. En als je dat weet, heb je een goede indicatie van het (type) gas dat is gebruikt.”

Fragment uit The Rock (1996). Nicholage Cage speelt Dr. Stanley Goodspeed, chemische wapensexpert bij de FBI.

Ondertussen werken ze bij TNO volop door aan verbetering van de analysemethoden. “Wat we nu doen is het aantonen van het specifieke adduct dat ontstaat nadat het zenuwgas heeft gereageerd met BuChE. Wij gaan nog een stap verder en maken het peptide adduct na en gebruiken dat als referentiestandaard. Als dan de piek in de MS meting precies op dezelfde plek komt en dus hoger wordt in het geval van additie aan een blootgesteld monster, dan weet je helemaal zeker dat je de juiste verbinding hebt aangetoond.”

Even een zijstap, maar hoe testen ze eigenlijk hun methoden? Daarvoor heb je toch proefmonsters nodig die je laat reageren met het zenuwgas in kwestie? Hoe kom je daaraan? “Die mogen we hier maken”, vertelt Noort. “We hebben een ontheffing van de OPCW en nationale instanties om hier, in een streng beveiligd laboratorium, kleine hoeveelheden zenuwgassen te maken voor onderzoek.” Helaas is dit High-Tox lab door een verbouwing tijdelijk niet te bezoeken. Jammer, want de hilarische beelden uit de film The Rock waarin Nicholas Cage een chemische wapensexpert speelt, maken toch nieuwsgierig. Noort kent de film ook. “Zo spannend is het hier echt niet. Wat je daar ziet is wel heel erg fictie.”

Snelle testkit

Een andere vraag in het actuele onderzoek is of en hoe je de analyse van biomedische monsters in de conflictsituatie zelf kunt inzetten. Een zogeheten Point of Care-toepassing. Denk hierbij aan een draagbaar apparaat waarmee hulpverleners, inspecteurs of militair personeel heel snel weten waar ze mee te maken hebben. Noort laat een voorbeeld zien van een staafje voor het aantonen van cocaïne en opiaten, ontwikkeld door een Duits bedrijf. Het ziet eruit als een zwangerschapstest.

Drugwipe nouveau test cannabis
De DrugWipe van het Duitse bedrijf Securetec; een soort zwangerschapstest voor drugsgebruik. Voor snelle detectie en diagnose van zenuwgassen ter plaatse zou een dergelijke test ideaal zijn.
Securetec

“Zoiets is ideaal voor detectie en diagnose. Als je met zo’n dipstick snel speeksel, bloed of urine kunt testen op bekende zenuwgassen dan betekent dat enorme tijdwinst. Voor de behandeling van slachtoffers, maar ook voor militairen en hulpverleners zodat zij adequaat kunnen handelen bij het beschermen van zichzelf en van de bevolking.”

Hoe ver we nog verwijderd zijn van een dergelijke snelle, draagbare chemisch wapens-testkit kan Noort niet zeggen, maar er zijn nog wat serieuze hobbels te nemen. “Het grote probleem blijft die lage concentratie van de stof die je zoekt. Je hebt enorm gevoelige en tegelijkertijd specifieke methoden nodig om precies de juiste verbinding te vinden tussen de ruis van alle andere moleculen in een monster. Dat is echt nog een flinke analytische uitdaging.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 mei 2015

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.