De schaduwzijde van Al(III) chelatietherapie: A New Computational Hope

Auteur: Gabriele Dalla Torre is een Ph.D. student (ITN-EJD-TCCM) aan UPV/EHU

Aluminium is het op twee na meest voorkomende element in de aardkorst, na zuurstof en silicium. Als gevolg hiervan heeft menselijk ingrijpen er in de afgelopen eeuw voor gezorgd dat aluminium zo biobeschikbaar is geworden dat C. Exley, een van de meest vooraanstaande onderzoekers op het gebied van de Al(III)-biochemie, heeft verklaard dat we in het “Aluminiumtijdperk” leven1

Niettemin hebben de chemische eigenschappen van Al(III), ondanks zijn natuurlijke overvloed, zijn aanwezigheid in de biologische cyclus van levende organismen verhinderd; bovendien zijn er steeds meer aanwijzingen dat aluminium de oorzaak zou kunnen zijn van een verscheidenheid aan toxische effecten in biologische systemen, met aanzienlijke risico’s voor de menselijke gezondheid.

Inderdaad is aangetoond dat Al(III) effectief concurreert met Mg(II) en Mg(II)-afhankelijke enzymatische activiteiten remt, waarbij het de aanwending van ATP belemmert. Het interfereert ook met enzymatische activiteiten en de afscheiding van neurotransmitters. Al(III) bevordert de hyperfosforylering van normale neurofilamenten, en dus de neurofibrillaire degeneratie. Het heeft een wisselwerking met β-amyloïden, waardoor het bijdraagt tot de vorming van amyloïde oligomeren en vervolgens onoplosbare eiwitaggregaten. Deze laatste processen wijzen erop dat het metaalion neurotoxisch is, en het is in verband gebracht met neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer 2

In deze nogal controversiële context is het doel van chelatietherapie de verwijdering van het toxische metaalion uit het menselijk lichaam of de verzwakking van zijn toxiciteit door het om te zetten in minder toxische verbindingen.

Zo’n situatie heeft verschillende groepen ertoe gebracht de aandacht te richten op en inspanningen te leveren voor de identificatie van geschikte aluminium-specifieke chelaatvormers. De belangrijkste uitdagingen in deze zin vloeien voort uit het feit dat alle chelaatvormers die tot dusver zijn ontwikkeld, niet alleen specifiek zijn voor aluminium, maar ook voor andere biologisch fundamentele kationen, zoals Mg(II), Zn(II) en, vooral, Fe(III). Deze situatie leidt duidelijk tot een mate van toxiciteit voor deze chelaatvormers, die afhangt van hun affiniteit voor de metalen, voorwaarde die wordt benadrukt door het medisch gebruik van EDTA (ethyleendiaminetetraazijnzuur), één van de krachtigste metaalchelatoren3

Bovendien zijn, vanwege de specifieke eigenschappen van het ion, aluminium-bevattende systemen experimenteel complex om te onderzoeken, en volledige informatie over de Al(III)-ligand bindingskenmerken of het effect van verschillende substituenten op de modulatie van de bindingsaffiniteit ontbreken nog steeds.

Nadenkend over deze duistere perspectieven, vroegen wij ons af:

Hoe kunnen we een nieuwe, geschikte strategie identificeren die de Dark Side van Al(III) chelatietherapie kan verslaan en zo de mensheid een betere toekomst kan bieden?

We voelden de Kracht, en we kregen het antwoord: dat is computationele chemie!

In de afgelopen twee decennia hebben hardware en technologische verbeteringen een zodanig niveau bereikt dat de perspectieven van de theoretische wetenschappen zijn veranderd, waardoor zeer nauwkeurige en betrouwbare in silico-simulaties mogelijk zijn geworden op het gebied van biologie, natuurkunde en scheikunde. Dit geldt met name voor de theoretische methoden die op kwantumchemie zijn gebaseerd (zoals semiempirische, ab initio en Density Functional Theory); tegenwoordig is het mogelijk om routinematig kwantumberekeningen op middelhoge/hoge theoretische niveaus uit te voeren met een aanvaardbare rekentijd, waardoor de kwaliteit van de resultaten enorm toeneemt en bijgevolg zeer waardevolle inzichten worden verkregen die niet altijd experimenteel kunnen worden afgeleid.

Op grond van deze stimulerende mogelijkheden hebben we besloten om met behulp van geavanceerde DFT-berekeningen en Bader’s Quantum Theory of Atoms In Molecules-analyses twee families chelaatvormers te onderzoeken (catecholen en salicylzuren met verschillende substituenten, Fig.1 en Fig.2) waarvan bekend is dat ze een hoge affiniteit hebben met Al(III)4

Het doel was om een theoretische benadering op te zetten die goed past bij de beschikbare experimentele gegevens, en deze vervolgens toe te passen op veelbelovende metaalchelatoren, om de aard van hun interactie met Al(III) te karakteriseren en het effect van verschillende substituenten op de modulatie van de bindingsaffiniteit te onthullen.

In het bijzonder berekent de Quantum Theorie van Atomen In Moleculen (QTAIM) van Bader de eigenschappen van een systeem gegeven zijn golffunctie; zij kan worden gebruikt om de aard van de in het systeem optredende interacties te voorspellen, d.w.z. of zij ionisch/elektrostatisch of covalent zijn. In ons geval waren wij geïnteresseerd in de aard van de Al-O interacties (Fig.1De resultaten van de QTIAM analyse waren verrassend: hoewel we sterke ionische interacties verwachtten tussen aluminium en de liganden, vanwege het feit dat Al(III) een plus drie geladen kation is, vonden we dat er een kleine mate van covalentie in deze interacties aanwezig is in beide families van chelators.

Bovendien, en interessanter, vonden we dat deze mate van covalentie wordt gemoduleerd door het tegenovergestelde effect van de substituenten; inderdaad, Electron Donating Groups (EDGs), zoals CH3 en OCH3, bleken die mate van covalentie te verhogen, terwijl Electron Withdrawing Groups (EWGs), zoals NO2, bleken het covalente karakter van de interacties te verlagen.

Deze bevindingen werden bevestigd door de analyse van de Delocalisatie-Indices (D.I., Fig.2), die het gemiddelde aantal tussen twee atomen gedelokaliseerde (gedeelde) elektronenparen meten.

Wanneer Al-O Delokalisatie-Indices worden vergeleken met onze eerder berekende DFT-bindingsenergieën (ΔG), kunnen we zien dat er een duidelijke lineaire correlatie is tussen de twee grootheden (Fig2): EDGs verhogen de Delocalisatie Indices van het complex en, op dezelfde manier, verhogen de bindingsaffiniteit van het aluminium-chelator systeem. Omgekeerd verlagen EWG’s zowel de Delocalisatie Indices als de bindingsaffiniteit van het complex.

We kunnen deze interessante resultaten als volgt interpreteren: Elektron Donerende Groepen, door elektronen door de aromatische ring te “duwen”, verhogen het covalente karakter van de Al-O interactie, wat zich vertaalt in sterkere bindingsaffiniteiten. Anderzijds verlagen elektrononttrekkende groepen, door elektronen uit de aromatische ring van de moleculen te “vangen”, het covalente karakter van de Al-O interactie, wat leidt tot lagere bindingsaffiniteiten.

Concluderend heeft ons werk ons in staat gesteld de aard van de Al-ligand interactie te karakteriseren en de rol van verschillende substituenten op de modulatie van de bindingsaffiniteit. Dit is een duidelijk voorbeeld van hoe state-of-the-art computationele benaderingen het mogelijk maken om waardevolle inzichten te verkrijgen die de kennis kunnen vergroten binnen die donkere punten waar experimentele procedures falen.

Huidig zal ons gevalideerd theoretisch protocol worden toegepast op andere belangrijke Al(III) chelaatvormers, zoals EDTA en HPCs (Fig.1).

We denken dat we in staat zullen zijn om een sterke bijdrage te leveren aan de identificatie en het afstemmen van nieuwe, krachtige Al(III) chelators die voor eens en voor altijd de wrede tirannie van aluminium zouden verslaan.