Den mörka sidan av kelatbehandling med Al(III): Ett nytt beräkningsmässigt hopp

Författare: Gabriele Dalla Torre är doktorand (ITN-EJD-TCCM) vid UPV/EHU

Aluminium är det tredje vanligaste grundämnet i jordskorpan, efter syre och kisel. Under det senaste århundradet har människans ingripande gjort aluminium så pass biotillgängligt att C. Exley, en av de ledande forskarna om Al(III)-biokemi, har förklarat att vi lever i ”aluminiumåldern ”1

Trots den naturliga rikedomen har de kemiska egenskaperna hos Al(III) förhindrat dess närvaro i levande organismers biologiska kretslopp; dessutom finns det allt fler bevis för att aluminium skulle kunna ligga bakom en rad olika toxiska effekter i biologiska system med betydande risker för människors hälsa.

I själva verket visades Al(III) konkurrera effektivt med Mg(II) och hämma Mg(II)-beroende enzymatiska aktiviteter, vilket stör utnyttjandet av ATP. Det stör också enzymatiska aktiviteter och utsöndringen av neurotransmittorer. Al(III) främjar hyperfosforylering av normala neurofilamenter och därmed neurofibrillär degeneration. Det interagerar med β-amyloider och bidrar till bildandet av amyloida oligomerer och sedan olösliga proteinaggregat. Dessa sistnämnda processer tyder på att metalljonen är neurotoxisk, och den har förknippats med neurodegenerativa sjukdomar, t.ex. Alzheimers sjukdom 2

I detta tämligen kontroversiella sammanhang är målet med kelatbehandling att avlägsna den giftiga metalljonen från människokroppen eller att dämpa dess giftighet genom att omvandla den till mindre giftiga föreningar.

En sådan situation ledde till att flera grupper riktade uppmärksamheten och gjorde ansträngningar för att identifiera lämpliga aluminiumspecifika kelatbildare. De största utmaningarna i detta avseende härrör från det faktum att alla chelatorer som hittills utvecklats inte visar specificitet endast för aluminium, utan även för andra biologiskt grundläggande katjoner, som Mg(II), Zn(II) och framför allt Fe(III). Denna situation leder helt klart till en grad av toxicitet för dessa kelatbildare, som beror på deras affinitet mot metallerna, ett villkor som betonas av den medicinska användningen av EDTA (etylendiamintetraättiksyra), en av de mest kraftfulla metallkelatorerna3

På grund av jonens specifika egenskaper är aluminiuminnehållande system dessutom experimentellt komplicerade att undersöka, och fullständig information om Al(III)-ligandens bindningsegenskaper eller effekten av olika substitutörer mot moduleringen av bindningsaffiniteten saknas fortfarande.

När vi reflekterade över dessa oklara perspektiv undrade vi:

Hur kan vi identifiera en ny, lämplig strategi som skulle besegra den mörka sidan av Al(III)-kelationsterapi och därmed ge mänskligheten en ljusare framtid?

Vi kände kraften, och vi fick svaret: det är beräkningskemi!

I själva verket har hårdvaru- och teknikförbättringar under de senaste två decennierna nått en sådan nivå att de har förändrat perspektiven för teoretiska vetenskaper, vilket gör det möjligt att göra mycket noggranna och tillförlitliga in silico-simuleringar inom områdena biologi, fysik och kemi. Detta gäller särskilt de teoretiska metoder som bygger på kvantkemi (t.ex. semiempiriska, ab initio och Density Functional Theory). Numera är det möjligt att rutinmässigt utföra kvantberäkningar på medelhöga/höga teorinivåer med en acceptabel beräkningstid, vilket ökar resultatens kvalitet enormt och följaktligen ger mycket värdefulla insikter som inte alltid kan härledas experimentellt.

Med anledning av dessa stimulerande möjligheter beslutade vi att med hjälp av moderna DFT-beräkningar och Bader’s Quantum Theory of Atoms In Molecules-analyser undersöka två familjer av chelaterande ämnen (katekoler och salicylsyror med olika substitutioner, fig. 1 och fig. 2).) som är välkända för att visa hög affinitet mot Al(III)4

Målet var att skapa ett teoretiskt tillvägagångssätt som stämmer väl överens med tillgängliga experimentella data, och sedan tillämpa det mot lovande metallkeleatorer, för att karakterisera arten av deras interaktion med Al(III) och för att avslöja effekten av olika substituenter mot moduleringen av bindningsaffiniteten.

Specifikt beräknar Baders Quantum Theory of Atoms In Molecules (QTAIM) egenskaperna hos ett system givet dess vågfunktion; den kan användas för att förutsäga arten av de interaktioner som uppstår inom systemet, dvs. om de är joniska/elektrostatiska eller kovalenta. I vårt fall var vi intresserade av karaktären hos Al-O-interaktionerna (fig. 1).).

Resultaten som vi fick från QTIAM-analysen var överraskande: även om vi förväntade oss starka joniska interaktioner mellan aluminium och liganderna, på grund av att Al(III) är en plus tre-laddad katjon, fann vi att det finns en liten grad av kovalens i dessa interaktioner, som förekommer i båda familjerna av chelatorer.

För övrigt, och mer intressant, fann vi att denna grad av kovalens moduleras av substituenternas motsatta effekt; i själva verket fann vi att elektrondonationsgrupper (EDG), såsom CH3 och OCH3, ökar denna grad av kovalens, medan elektronåterkallande grupper (EWG), såsom NO2, minskar den kovalenta karaktären hos interaktionerna.

Dessa resultat bekräftades av analysen av Delokaliseringsindex (D.I., fig.2).), som mäter det genomsnittliga antalet elektronpar som är delokaliserade (delade) mellan två atomer.

När Al-O Delocalization Indices jämförs med våra tidigare beräknade DFT-bindningsenergier (ΔG) kan vi se att det finns ett tydligt linjärt samband mellan de två storheterna (Fig2): EDG ökar komplexets delokaliseringsindex och på samma sätt ökar bindningsaffiniteten för aluminium-chelator-systemet. Omvänt minskar EWGs både delokaliseringsindexen och komplexets bindningsaffinitet.

Vi kan tolka dessa intressanta resultat på följande sätt: Electron Donating Groups, genom att ”skjuta” elektroner genom den aromatiska ringen, ökar den kovalenta karaktären hos Al-O-interaktionen, vilket översätts till starkare bindningsaffinitet. Å andra sidan minskar elektronåterkallande grupper, genom att ”fånga” elektroner från molekylernas aromatiska ring, Al-O-interaktionens kovalenta karaktär, vilket leder till lägre bindningsaffinitet.

Slutsatsen är att vårt arbete har gjort det möjligt för oss att karaktärisera karaktären hos Al-ligandinteraktionen och olika substituenters roll för moduleringen av bindningsaffiniteten. Detta är ett tydligt exempel på hur de senaste beräkningsmetoderna gör det möjligt att få värdefulla insikter som kan öka kunskapen inom de mörka punkter där experimentella förfaranden misslyckas.

För närvarande kommer vårt validerade teoretiska protokoll att appliceras på andra viktiga Al(III)-kelatbildare, såsom EDTA och HPCs (Fig.1).

Vi känner att vi kommer att kunna ge en stark hjälp mot identifiering och inställning av nya, potenta Al(III)-kelatorer som en gång för alla skulle besegra det grymma aluminiumets tyranni.