The Dark Side of Al(III) Chelation Therapy: A New Computational Hope

Autor: Gabriele Dalla Torre jest doktorantem (ITN-EJD-TCCM) w UPV/EHU

Aluminium jest trzecim najbardziej obfitym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, po tlenie i krzemie. W konsekwencji, w ciągu ostatniego stulecia, interwencja człowieka uczyniła aluminium tak wysoce biodostępnym, że C. Exley, jeden z czołowych badaczy biochemii Al(III), stwierdził, że żyjemy w „erze aluminium „1

Niemniej jednak, pomimo naturalnej obfitości, właściwości chemiczne Al(III) uniemożliwiły jego obecność w cyklu biologicznym organizmów żywych; co więcej, istnieje coraz więcej dowodów na to, że aluminium może stać za różnorodnymi efektami toksycznymi w systemach biologicznych, co wiąże się ze znacznym ryzykiem dla zdrowia człowieka.

Indeed, Al(III) wykazano skutecznie konkurować z Mg(II) i hamować Mg(II) zależnych aktywności enzymatycznych, zakłócając wykorzystanie ATP. Zaburza również aktywność enzymatyczną i wydzielanie neuroprzekaźników. Al(III) sprzyja hiperfosforylacji prawidłowych neurofilamentów, a tym samym sprzyja zwyrodnieniu neurofibrylarnemu. Oddziałuje z β-amyloidami, przyczyniając się do powstawania oligomerów amyloidowych, a następnie nierozpuszczalnych agregatów białkowych. Te ostatnie procesy wskazują, że jon metalu jest neurotoksyczny i został powiązany z chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera 2

W tym dość kontrowersyjnym kontekście, celem terapii chelatującej jest usunięcie toksycznego jonu metalu z organizmu człowieka lub osłabienie jego toksyczności poprzez przekształcenie go w mniej toksyczne związki.

Taka sytuacja skłoniła kilka grup do skupienia uwagi i podjęcia wysiłków w kierunku identyfikacji odpowiednich, specyficznych dla glinu czynników chelatujących. Główne wyzwania w tym względzie wynikają z faktu, że wszystkie opracowane do tej pory chelatory nie wykazują specyficzności tylko dla glinu, ale także dla innych biologicznie podstawowych kationów, takich jak Mg(II), Zn(II) i przede wszystkim Fe(III). Sytuacja ta w oczywisty sposób prowadzi do pewnej toksyczności tych czynników chelatujących, która zależy od ich powinowactwa do metali, co podkreśla medyczne zastosowanie EDTA (kwasu etylenodiaminotetraoctowego), jednego z najsilniejszych chelatorów metali3

Co więcej, ze względu na specyficzne właściwości jonu, układy zawierające glin są eksperymentalnie skomplikowane do zbadania, a pełnych informacji na temat właściwości wiążących Al(III)-ligand czy wpływu różnych podstawników na modulację powinowactwa wiążącego wciąż brakuje.

Zastanawiając się nad tymi niejasnymi perspektywami, zastanawialiśmy się:

Jak możemy zidentyfikować nową, odpowiednią strategię, która pokonałaby Ciemną Stronę terapii chelatującej Al(III), a tym samym zapewniłaby jaśniejszą przyszłość ludzkości?

Poczuliśmy Moc i otrzymaliśmy odpowiedź: to chemia obliczeniowa!

I rzeczywiście, w ciągu ostatnich dwóch dekad, sprzęt i ulepszenia technologiczne osiągnęły taki poziom, że zmieniły perspektywy nauk teoretycznych, umożliwiając bardzo dokładne i wiarygodne symulacje in silico w dziedzinach biologii, fizyki i chemii. Dotyczy to w szczególności metod teoretycznych opartych na chemii kwantowej (takich jak metody semiempiryczne, ab initio i teorii funkcjonałów gęstości); obecnie możliwe jest rutynowe wykonywanie obliczeń kwantowych na średnich/wysokich poziomach teorii w akceptowalnym czasie obliczeniowym, co ogromnie zwiększa jakość wyników, a w konsekwencji dostarcza bardzo cennych spostrzeżeń, które nie zawsze można wywnioskować eksperymentalnie.

W związku z tymi stymulującymi możliwościami, postanowiliśmy zbadać, za pomocą najnowocześniejszych obliczeń DFT i analiz Badera Quantum Theory of Atoms In Molecules, dwie rodziny czynników chelatujących (katechole i kwasy salicylowe z różnymi podstawnikami, Rys.1 i Rys.2Celem było stworzenie podejścia teoretycznego, które dobrze pasuje do dostępnych danych doświadczalnych, a następnie zastosowanie go wobec obiecujących chelatorów metali, aby scharakteryzować naturę ich oddziaływania z Al(III) i ujawnić wpływ różnych podstawników na modulację powinowactwa wiązania.

Kwantowa Teoria Atomów w Molekułach Badera (QTAIM) oblicza właściwości układu na podstawie jego funkcji falowej; może być wykorzystana do przewidywania charakteru oddziaływań powstających w układzie, czyli czy są to oddziaływania jonowe/elektrostatyczne czy kowalencyjne. W naszym przypadku, interesowała nas natura oddziaływań Al-O (Rys.1Wyniki, które otrzymaliśmy z analizy QTIAM były zaskakujące: chociaż spodziewaliśmy się silnych oddziaływań jonowych pomiędzy glinem a ligandami, ze względu na fakt, że Al(III) jest kationem naładowanym plus trzy, stwierdziliśmy, że istnieje niewielki stopień kowalencyjności w tych oddziaływaniach, obecny w obu rodzinach chelatorów.

Wyniki te zostały potwierdzone przez analizę wskaźników delokalizacji (D.I., Rys.2), które mierzą średnią liczbę par elektronowych zdelokalizowanych (współdzielonych) pomiędzy dwoma atomami.

Gdy wskaźniki delokalizacji Al-O są porównane z naszymi wcześniej obliczonymi DFT energiami wiązania (ΔG), widzimy, że istnieje wyraźna liniowa korelacja pomiędzy tymi dwiema wielkościami (Rys2): EDG zwiększają indeksy delokalizacyjne kompleksu i tym samym zwiększają powinowactwo wiązania układu glin-chelator. I odwrotnie, EWG zmniejszają zarówno wskaźnik delokalizacji jak i powinowactwo wiązania kompleksu.

Te ciekawe wyniki możemy zinterpretować następująco: Grupy Donujące Elektrony, poprzez „przepychanie” elektronów przez pierścień aromatyczny, zwiększają kowalencyjny charakter oddziaływań Al-O, co przekłada się na silniejsze powinowactwo wiązania. Z drugiej strony, grupy wycofujące elektrony (Electron Withdrawing Groups), poprzez „wyłapywanie” elektronów z pierścienia aromatycznego cząsteczki, zmniejszają kowalencyjny charakter oddziaływania Al-O, co prowadzi do obniżenia powinowactwa wiązania.

Podsumowując, nasza praca pozwoliła na scharakteryzowanie natury oddziaływania Al-ligand oraz roli różnych podstawników w modulowaniu powinowactwa wiązania. Jest to wyraźny przykład tego, jak najnowocześniejsze metody obliczeniowe pozwalają na uzyskanie cennego wglądu, który może zwiększyć wiedzę w tych ciemnych punktach, gdzie procedury eksperymentalne zawodzą.

Obecnie, nasz zatwierdzony protokół teoretyczny zostanie zastosowany do innych ważnych czynników chelatujących Al(III), takich jak EDTA i HPCs (Rys.1).