Den mørke side af Al(III)-chelationsterapi: Et nyt computerbaseret håb

Author: Gabriele Dalla Torre er ph.d.-studerende (ITN-EJD-TCCM) ved UPV/EHU

Aluminium er det tredje hyppigste grundstof i Jordens skorpe efter ilt og silicium. Som følge heraf har menneskelig indgriben i løbet af det sidste århundrede gjort aluminium så let biotilgængeligt, at C. Exley, en af de førende forskere i Al(III)-biokemi, erklærede, at vi lever i “aluminiumsalderen “1

Men på trods af dets naturlige overflod har de kemiske egenskaber af Al(III) forhindret dets tilstedeværelse i levende organismers biologiske kredsløb; desuden er der stadig flere beviser for, at aluminium kan stå bag en række giftige virkninger i biologiske systemer med betydelige risici for menneskers sundhed.

Det blev vist, at Al(III) konkurrerer effektivt med Mg(II) og hæmmer Mg(II)-afhængige enzymatiske aktiviteter og forstyrrer udnyttelsen af ATP. Det forstyrrer også enzymatiske aktiviteter og sekretionen af neurotransmittere. Al(III) fremmer hyperfosforylering af normale neurofilamenter og fremmer således neurofibrillær degeneration. Det interagerer med β-amyloider og bidrager til dannelsen af amyloide oligomerer og derefter uopløselige proteinaggregater. Sidstnævnte processer tyder på, at metalionen er neurotoksisk, og den er blevet sat i forbindelse med neurodegenerative sygdomme som f.eks. Alzheimers sygdom 2

I denne ret kontroversielle sammenhæng er målet med kelationsterapi at fjerne den giftige metalion fra det menneskelige legeme eller at dæmpe dens toksicitet ved at omdanne den til mindre giftige forbindelser.

En sådan situation fik flere grupper til at fokusere opmærksomheden og gøre en indsats for at identificere egnede aluminiumspecifikke chelateringsmidler. De største udfordringer i denne henseende skyldes, at alle de chelatorer, der er udviklet indtil videre, ikke kun viser specificitet for aluminium, men også for andre biologisk fundamentale kationer som Mg(II), Zn(II) og frem for alt Fe(III). Denne situation fører klart til en grad af toksicitet for disse chelatdannere, som afhænger af deres affinitet over for metallerne, hvilket understreges af den medicinske anvendelse af EDTA (ethylendiamintetraeddikesyre), en af de kraftigste metalchelatdannere3

På grund af ionens specifikke egenskaber er aluminiumholdige systemer desuden eksperimentelt komplekse at undersøge, og der mangler stadig fuldstændige oplysninger om Al(III)-ligandens bindingsegenskaber eller virkningen af forskellige substituenter i forhold til modulering af bindingsaffiniteten.

Når vi reflekterede over disse uklare perspektiver, undrede vi os:

Hvordan kan vi identificere en ny, passende strategi, der kan slå den mørke side af Al(III)-chelationsterapi og dermed give menneskeheden en lysere fremtid?

Vi følte Kraften, og vi fik svaret: Det er beregningskemi!

I de sidste to årtier har hardware og teknologiske forbedringer faktisk nået et sådant niveau, at de har ændret perspektiverne for teoretiske videnskaber og muliggjort meget nøjagtige og pålidelige in silico-simuleringer inden for biologi, fysik og kemi. Dette gælder især for de teoretiske metoder, der er baseret på kvantekemi (f.eks. semiempiriske, ab initio og tæthedsfunktionalteori); i dag er det muligt rutinemæssigt at udføre kvanteberegninger på mellem/høje teoriniveauer med en acceptabel beregningstid, hvilket øger kvaliteten af resultaterne enormt og som følge heraf giver meget værdifuld indsigt, som ikke altid kan udledes eksperimentelt.

I overensstemmelse med disse stimulerende muligheder besluttede vi at undersøge to familier af chelaterende stoffer (catecholer og salicylsyrer med forskellige substituenter, fig.1 og fig.2) ved hjælp af state-of-the-art DFT-beregninger og Bader’s Quantum Theory of Atoms In Molecules-analyser.), som er kendt for at udvise høj affinitet over for Al(III)4

Målet var at opstille en teoretisk tilgang, der passer godt med de tilgængelige eksperimentelle data, og derefter at anvende den på lovende metalchelatorer for at karakterisere arten af deres interaktion med Al(III) og afdække effekten af forskellige substituenter i forhold til modulationen af bindingsaffiniteten.

Specifikt beregner Baders Quantum Theory of Atoms In Molecules (QTAIM) egenskaberne af et system givet dets bølgefunktion; den kan bruges til at forudsige arten af de interaktioner, der opstår i systemet, dvs. om de er ioniske/elektrostatiske eller kovalente. I vores tilfælde var vi interesseret i arten af Al-O-interaktionerne (fig. 1).).

Resultaterne, som vi fik fra QTIAM-analysen, var overraskende: Selv om vi forventede stærke ioniske interaktioner mellem aluminium og liganderne, fordi Al(III) er et plus tre-ladet kation, fandt vi, at der er en lille grad af kovalens i disse interaktioner, som er til stede i begge familier af chelatorer.

Dertil kommer, og det er mere interessant, at vi fandt, at denne grad af kovalens moduleres af den modsatte effekt af substituenterne; det blev nemlig konstateret, at elektronafgivende grupper (EDG’er), såsom CH3 og OCH3, øger denne grad af kovalens, mens elektrontiltrækkende grupper (EWG’er), såsom NO2, mindsker den kovalente karakter af interaktionerne.

Disse resultater blev bekræftet af analysen af Delokaliseringsindekserne (D.I., Fig.2), som måler det gennemsnitlige antal elektronpar, der er delokaliseret (delt) mellem to atomer.

Når Al-O-delokaliseringsindeks sammenlignes med vores tidligere beregnede DFT-bindingsenergier (ΔG), kan vi se, at der er en klar lineær korrelation mellem de to størrelser (Fig2): EDG’er øger kompleksets delokaliseringsindeks og øger på samme måde bindingsaffiniteten for aluminium-chelatorsystemet. Omvendt nedsætter EWG’er både kompleksets delokaliseringsindeks og bindingsaffinitet.

Vi kan fortolke disse interessante resultater på følgende måde: Elektronedonerende grupper, ved at “skubbe” elektroner gennem den aromatiske ring, øger den kovalente karakter af Al-O-interaktionen, hvilket udmøntes i stærkere bindingsaffiniteter. På den anden side mindsker de elektronfjernende grupper, ved at “fange” elektroner fra molekylernes aromatiske ring, den kovalente karakter af Al-O-interaktionen, hvilket fører til lavere bindingsaffinitet.

Sammenfattende har vores arbejde gjort det muligt for os at karakterisere arten af Al-ligand-interaktionen og den rolle, som forskellige substituenter spiller for moduleringen af bindingsaffiniteten. Dette er et klart eksempel på, hvordan state-of-the-art computationelle tilgange gør det muligt at få værdifuld indsigt, der kan øge viden inden for de mørke punkter, hvor eksperimentelle procedurer fejler.

Foreløbig vil vores validerede teoretiske protokol blive anvendt på andre vigtige Al(III) chelaterende stoffer, såsom EDTA og HPC’er (Fig.1).

Vi føler, at vi vil være i stand til at yde en stærk hjælp i retning af identifikation og indstilling af nye, potente Al(III)-chelatorer, der én gang for alle vil kunne besejre det grusomme aluminiums tyranni.