Метали в біології від отрути до наркотику
Метали в біології: від отрути до ліків Енн Вес'єр-Жауен (DR1 CRS) "ChemBio" команда IPCM 1
План презентації 1- Деякі метали систематично пов'язані з їх токсичним впливом 2- Метали необхідні для життя 3- "Все - отрута, ніщо - отрута, лише доза робить отруту". У випадку з металами ці слова асоціюють дозу і токсичність повинна бути кваліфікована 4- Можна приборкати токсичність певних металів, перетворивши їх на «металопрепарати» (протиракові, протималярійні) 5- Особливий випадок токсичності ендокринних руйнівників 2
Токсичність деяких металів була відома ще в глибокій давнині Токсичність ртуті була швидко виявлена Звіт Плінія старшого (23-79) розповідає, що в римські часи в'язнів змушували працювати в шахтах кіноварі (HgS), знаючи, що тривалість їх життя не перевищить трьох років. Деякі професійні захворювання, пов’язані з ртуттю, відомі давно. Це, наприклад, хвороби, якими страждають люди, які обробляли хутро кислими розчинами ртутного нітрату (Hg2 +), щоб зробити повсть, призначену для виготовлення капелюхів, а також миш’як у його формі As23 - отрута, відома Роману імператори тоді Борджія 3
Парацельс (1493-1541) Алхімік, астролог, швейцарський лікар. Його вважають батьком експериментальної медицини. Він перший зауважив, що ртуть може вилікувати сифіліс, але також і те, що вона вбиває у випадку поганого дозування. Все є отрутою, ніщо не є отрутою, що робить отруту дозою. речовини, які часто вважають токсичними, можуть бути корисними в малих дозах. 4
Невеликі кількості металів є життєво важливими для життя Метали в мікроелементах Залізо 6g Транспорт кисню Zn 2g Ензим ко-фактори Pb 120 мг Метаболізм заліза H2C CH2 Cu 80 мг H2C H3C H3C H Транспорт електронів Метали в ультратрасовому стані Sn 20 мг Редокс реакції Se 12 мг Антиоксидантна активність CH3 H2C 10 мг Коферменти ферменту Cr 2 мг Метаболізм жирних кислот Як 2 мг Метаболічна активація Zn Co 1,5 мг Вітамін B12 V 1,5 мг Метаболізм холестерину CH2 Co CH3 CH3 H3C H H3C H CH3 CH2 CH3 H CH3 P Mo C СН3 Вітамін В12 5
Фактори, що впливають на токсичність металів: 1- їх хімічна форма Випадок миш'яку У формі As23 (триоксид миш'яку) миш'як - це отрута з трохи солодкуватим смаком. Дози 100 мг достатньо, щоб вбити людину. У вигляді іону арсенату As43-, його токсичність обумовлена його структурною схожістю з фосфат-іоном (P43-), що призводить до блокування синтезу АТФ As43-, забруднює воду багатьох свердловин в Бенгла-Деші або в Індії. Це причина багатьох проблем (ураження шкіри, інфаркти, рак) У Бангладеш держави-члени вважають, що кожна п'ята смерть відбувається через миш'як. молюски (мідії та креветки) перетворюють миш’як на арсенобетаїн. Ці сполуки не токсичні для людини Арсенобетаїн Me3 As Me2 As R Dimethylarsinoylribosides 6
2- характер впливу (проковтування, вдихання) Металева ртуть не небезпечна, якщо її проковтнути. Амальгами використовувались зовсім недавно в стоматологічній допомозі Ртуть небезпечна при вдиханні. Пари Hg всмоктуються в легенях, а потім окислюються у крові у вигляді Hg2 + CH3CoB12 + Hg2 + CH3CoB12 + CH3Hg + CH3Hg + + H2CoB12 + (CH3) 2Hg + H2CoB12 + Моно та диметилртуть дуже небезпечні для двох причини стабільні органометалеві комплекси: період напіввиведення 12 місяців - це ліпофільні комплекси, які можуть досягати мозку. Метилртуть була причиною екологічної катастрофи в затоці Мінамата (1948-1960), однієї з найдраматичніших 20-го століття ( 1000 смертей) 3500 Т ртуті розпорошується в атмосфері щороку 7
Важливість ступеня окиснення металу: приклад хрому Дуже малі кількості хрому необхідні для життя для - Cr3 + -. Піколінат H2 Chromium (III) продається як "ідеальний мікроелемент, який супроводжує дієту для схуднення". Хром (IV) у формі хромат-аніона, присутнього в сульфохромній суміші (K2Cr3, H2, H2S4), є алергенним та канцерогенним хромом (VI) є найбільш небезпечним і спричинений раком, пов'язаним із забрудненням води 8
4- Можна приборкати токсичність металів для виготовлення наркотиків 9
Пол Ерліх (1854-1915) Пол Ерліх досліджував "чарівну зброю" для молекули, яка б атакувала агента, відповідального за хворобу, і не впливала на здорові тканини. У 1909 році він знайшов молекулу, яка активує сальварсан (606-я серія) ) H, H2 H H2.H As As Salvarsan H As H2 eosalvarsan x Salvarsan, а потім неосальварсан використовувались для лікування сифілісу до появи пеніциліну після Другої світової війни. Ерліху було присуджено Премію Обеля за медицину в 1908 р. За роботу з імунології 10
Миш'як у своїй формі As23 є отрутою, а також лікарським засобом (Trisenox), затвердженим з 2000 року. Він використовується для лікування деяких пацієнтів з гострим промієлоцитарним лейкозом (APL) Багато інших похідних миш'яку було випробувано, але As 23 - це єдина молекула використовується як протираковий засіб 11
Цисплатин, основний препарат в арсеналі протипухлинних молекул. Цис-діамінодіхлороплатин Pt. Препарат на основі платини в даний час призначається в 70% хіміотерапій. Цисплатин особливо ефективний при лікуванні раку яєчок, яєчників. Продається Брістоль-Майєрсом з 1978 р. торгова марка Platinol (продажі 673 млн. дол. США (2004 р.). Зараз доступний як загальний "цисплатин" 12
Історія відкриття цисплатину Pt У 1961 році фізик Барнет Розенберг вирішив вивчити вплив електромагнітного поля на ріст бактерій кишкової палички. Для цього він вводить електроди Pt у живильне середовище. Він зазначає, що бактерії перестають ділитися і ростуть у вигляді довгих ниток. Він прагне зрозуміти, чому, і виявляє, що відповідальною молекулою є цисплатин (a) без Pt (b) З молекулою Pt, ідентифікованою Мішелем Пейроном в 1845 р. - Структура, роз'яснена Альфредом Вернером в 1893 р. (Ціна обеля 1913 р.) Протипухлинні властивості опубліковано Б. Розенбергом в огляді “ature” у 1965 р. Лікарський засіб, що продається у 1977 р. 13
Комплекси Pt (II) мають контрастну біологічну активність Pt "цис" ізомер протипухлинний препарат Pt H3 транс-ізомер неактивний Pt Pt алерген H3 H3 нетоксичний Положення "cis" обох має важливе значення для діяльності цисплатину 14
Механізм дії цисплатину Pt 2 у клітині + Pt ін’єкційний сольовий розчин 7G-DA 2 7G-DA Pt Pt 7 H 2 Pt 2+ 2 H гуанін 7G-DA Pt 7G 15
Зв'язування цисплатину з DA призводить до його спотворення Приготування дезоксиолігонуклеотиду послідовності d (cctctg * g * tctcc) Додавання рентгенівської структури цисплатину до отриманих кристалів Додавання цисплатину призводить до спотворення AD DB Zamble, S. Lippart у цисплатині, B. Lippert Ed., Wiley-VCH (1999) 16
Побічні ефекти цисплатину Цисплатин має багато побічних ефектів, таких як токсичність для нирок, наприклад, Тисячі нових молекул були підготовлені з метою підвищення його ефективності та зменшення токсичності для нирок. З 1970 року в клінічні дослідження вступили 33 молекули. В даний час використовуються лише 3 як наркотики у всьому світі Більшість молекул були відмовлені через їх токсичність (ниркова, серцева) 17
3 комплекси платини, що продаються у всьому світі Pt Cisplatin H2 Pt Pt карбоплатин 1,1циклобутандикарбонова кислота, платиновий комплекс H2 xaliplatin Trans-R, R-1,2- (diamino cyclohexane) oxaloplatinum Carboplatin (проданий у 1986 році) менш токсичний для нирок. В даний час він використовується в поєднанні з таксолом для лікування раку яєчників та деяких видів раку легенів.Оксаліплатин активний при пухлинах товстої кишки у поєднанні з 5-FU. Затверджений FDA в 2004 році, він швидко став "блокбастером" 18
Неорганічні комплекси інших металів Комплекси Pt Pd та i: занадто реакційноздатні комплекси Ir і s: нереактивні комплекси Ru: цікаві молекули (цитотоксичні, антиметастатичні) H3 Ru H 3 Ru Активний in vitro, але його неможливо сформулювати, оскільки занадто нерозчинний HS-фак - [ru3 (ch3) 3] HHH CH3 CH3 Імідазолієва сіль AMI-A Ru (III) Не має антипроліферативного ефекту, але виявляється в фазі II клінічного дослідження метастазів раку легенів (2000) Ru HH KP1019 сіль індазолію Ru (III) Вироблено в клінічному дослідженні II фази для раку товстої кишки (2003) 19
Приготування ферроценового комплексу l -Тамоксифен Ферроцен (Fc) -Там Ферроцифени Fe ß Fe - (CH2) n-Me2 - (CH2) 2-Me2 n = 2,3,5,8 MDA-MB-231 (ER- ) Клітини MCF7 (ER +) 100 100 Що є джерелом цитотоксичного ефекту, який спостерігається на клітинах MDA-MB-231? 50% DA/контроль 0 контроль H-Tam [2] [3] [5] [8] Fc 50% DA/контроль 0 Control H-Tam [2] Ферроцифени t1 мкм) S. Top, A. Vessières, G. Леклерк, Г. Хауен та ін. Хім. Євро. J. 2003, 9, 5223 [3] [5> [8] Fc Ферроцифени (1 мкм) 20
Значення IC50 різних ферроценових комплексів на гормононезалежних клітинах раку молочної залози (MDA-MB-231) -Tam Fc-Tam Fe Fe Fe Fe ресвератрол H 1 p цисплатин на клітинах яєчників m 20 10 30 IC50 (µM) Fe Fe Fe H Fc-di 5 Fe Fe Fe Fe - (CH2) 3- (CH3) 2 0,5 - (CH2) 2- (CH3) 2 = IC50 = 160 мкм Fe Комбінація низькотоксичних видів (-Tam та Fc) призводить до молекула в 60 разів активніша 21
Приготування рецептури, придатної для фероцифенів PEG-HS (Solutol HS15) PEG-HS (Solutol HS15) Лецитин (Lipoid) Тригліцериди (Labrafac) Тригліцериди (Labrafac) Fc-di Fe Fc-di ter Wa 0 10 20 0 30 40 50 60 70 80 90 0 10 0 10 bbbb 10 90 bb 70 40 60 50 60 40 70 30 nt cta rfa Su 50 li anocapsules (LC) ss lle ject ce b Mi oo ture na strucu o 30 80 bbbbbbbb 20 50 nm 80 20 E. Allard et al., J Control Released, 2008, 130, 146-153 13 нм Міцели 22 90 10
Вплив ефекту in vivo нанокапсул або міцел Fc-di на ріст гліоми щурів (клітини L9) D0 D6 Ін’єкція 1,5x106 c. L9 у фланг щурів 1 ін'єкція продукту (400 мкл) D30 D10-16 - 22 Вимірювання об'єму пухлини Жертва та зважування пухлин 2500 2000 Фізіологічний розчин Пустий LC Fc-di LC 1 мг/г Fc- ді LC 6, 5 мг/г Fc-ді Міцели 1 мг/г 1500 * 1000 ** * 2,5 мг/кг (у щурів) ** 16,2 мг/кг (у щурів) пухлина 500 обсяг (мм3) 0 0 5 10 15 20 25 30 день Введення Fc-Di у вигляді нанокапсул призводить до дуже значного зменшення пухлин 23
Ефект in vivo модифікованих нанокапсул, завантажених Fc-di, на ріст гліоми щурів (клітини L9) двічі на тиждень D0 D6 Ін’єкція 1,5x106 c. 9L у фланг щурів внутрішньовенне введення LC (Fc-di; 400 мкл, 2,4 мг/щур) 3 Об'єм пухлини см LC J25 Вимірювання об'єму Жертва пухлинних тварин (вага пухлини) DSPE-mPEG LC 4 3 2 1 4 8 12 16 20 24 дні лікування За допомогою цієї нової рецептури спостерігається майже повне зникнення пухлини. Trinh Huynh та співавт. Фарм. Res, 2011,28, 3189-3198 24
Феррохін: похідне ферроцену хлорохіну CH3 CH3 HH CH3 CH3 CH3 Fe Хлорохін Феррохін Хлорохін - один із препаратів, що застосовується для лікування малярії, що вбиває близько 1,5 млн. Людей щороку в країнах, що розвиваються. Нові штами паразитів, стійких до хлорохіну у багатьох країнах. активний щодо штамів паразитів, стійких до хлорохіну. Цей новий препарат, розроблений компанією Sanofi-Aventis, успішно пройшов клінічне дослідження фази II (2007). Його призначають у комбінації з артемізином С - єдиним на сьогоднішній день препаратом на основі ферроцену С. Біот, Дж. Брокард та ін. J. Med. Хім. 1997, 40, 3715 25
5 - Ендокринні збудники: молекули, що порушують принцип Парацельса Визначення: Ендокринні збудники - це речовини в навколишньому середовищі, які діють як стероїдні гормони в організмі і порушують їх діяльність. Поняття ендокринного збудника з’явилося в 1991 році за допомогою цього спостереження: Вплив риби на стічні води з очисних споруд може спричинити зміну статі у чоловіків Ще один приклад: медична трагедія, спричинена призначенням дистильбена (діетилстильбестролу) вагітним жінкам для запобігання викиднів. У зрілому віці жінки, що зазнали внутрішньоутробного розвитку, мали ризик вад розвитку та раку матки (DES було призначено між 1969 і 1975 роками, заборонено в США в 1971 році та у Франції в 1977 році) 26
Ендокринні руйнівники Лише лікування, яке проводилось між 6-м та 17-м тижнями вагітності, мало вредні наслідки. Ця трагедія дозволила виявити: 1 - що вплив ембріонів на продукти, що імітують природні стероїди, може призвести до незворотних відхилень репродуктивної системи. 2- ці порушення клінічно виявляються через роки після впливу. 3- Вплив на організми, що розвиваються, невеликої кількості молекул, які конкурують з природними гормонами, може мати серйозні наслідки, якщо це відбувається протягом певних часових проміжків. 4- ці спостереження суперечать загальноприйнятому до тих пір принципу оцінки токсичності молекули, який базувався на лінійному співвідношенні ефект/доза. Як це можливо? 27
Хімічна структура деяких ендокринних руйнівників 17 C 3 A D B H H Естрадіол (E2) DES (Діетилстильбестрол) H Геністеїн Біс-Фенол A 28 28
Механізм дії естрадіолу (Е2) пов’язаний з його взаємодією з його специфічним рецептором: рецептор естрогену (ER) ER PM = 65KD (65000) HBD 25 KD E2 PM = 272 спіраль 12 Brzozowski, Hubard et al, ature, 1997, 389, 753 29 29
Принципова схема зв'язування естрадіолу в його активному центрі M 343 L 346 E 353 L 387 F 425 I 424 L 428 HCAHDL 349 L 525 HH 524 L 384 WB H2 F 404 H2 HR 394 HR глутамінова кислота (E 353) аргінін (R 394) гістидин (H 524) фенілаланін (F 404) Місце зв'язування естрадіолу - це гідрофобна кишеня. Молекула естрадіолу стабілізується водневими зв'язками. Ендокринні руйнівники з естрогенним ефектом можуть зв'язуватися з Rc-E2 Адаптовано за матеріалами: R. Weatherman, et al. Анну. Преподобний Біохім. 1999, 68, 559-581 30 30
H3C Естрогенні ефекти BPA (бісфенолу A) CH3 H BPA Естрадіол Естрогенні ефекти BPA, що виділяються полікарбонатами, були описані в 1993 р. Дослідники, що працюють з дріжджами, виявили, що вода, стерилізована в полікарбонатних контейнерах, містить естрогенну молекулу: BPA (Krishnan A. та ін. Ендокринологія 1993, 132, 2279) Естрогенний ефект BPA становить приблизно 1/2000 ефекту естрадіолу (10 мкм ефекту E2 = 25 нм ефект BPA) BPA також має антиандрогенний ефект Estradiol (pm) BPA (нм) 31 31
Естрогенна дія комплексу титану на MCF-7 300 250 CH3CH2 ARL = 8,5% 200 150 Ti (CH2) 3Me2% DA/контроль 100 50 Ti 0 контроль E2 (-9) -TAM (-7) Cp2Ti/TAM (-8 ) Cp2Ti/TAM (-7) Cp2Ti/TAM (-6) Cp2Ti2 (-8) Cp2Ti2 (-7 Cp2TiC 32 32 S. Top et al. J. rganomet. Chem. 2002, 643-644, 350-356
Висновок Парацельс частково мав рацію: все отрута, ніщо не отрута, отрута робить дозу. Однак ми можемо додати до цього деякі нюанси: мета лікарської хімії - приборкати токсичність молекул, шукати «магічну зброю» Ерліха. Це дослідження все ще триває. Ми не повинні закривати ефект при дуже низьких дозах ендокринних руйнівників 33
Деякі довідкові роботи (1999) (2001) ISB 3-906390-20-9 1-891389-09-2 (2006) 3-527-30990-X (2008) 978-0-470-03585-6 34