Temné stránky chelatační terapie Al(III):

Aut: Gabriele Dalla Torre je studentkou doktorského studia (ITN-EJD-TCCM) na UPV/EHU

Hliník je po kyslíku a křemíku třetím nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře. V důsledku toho se během posledního století zásahem člověka stal hliník natolik biologicky dostupným, že C. Exley, jeden z předních výzkumníků biochemie Al(III), prohlásil, že žijeme v „době hliníkové „1

Navzdory jeho přirozené hojnosti však chemické vlastnosti Al(III) zabránily jeho přítomnosti v biologickém cyklu živých organismů; navíc přibývá důkazů, že by hliník mohl stát za celou řadou toxických účinků v biologických systémech s významnými riziky pro lidské zdraví.

Ukázalo se, že Al(III) účinně konkuruje Mg(II) a inhibuje enzymatické aktivity závislé na Mg(II), čímž narušuje využití ATP. Zasahuje také do enzymatických aktivit a vylučování neurotransmiterů. Al(III) podporuje hyperfosforylaci normálních neurofilament, a tím podporuje neurofibrilární degeneraci. Interaguje s β-amyloidy, čímž přispívá k tvorbě amyloidních oligomerů a následně nerozpustných proteinových agregátů. Tyto poslední procesy naznačují, že tento kovový ion je neurotoxický a je spojován s neurodegenerativními onemocněními, jako je Alzheimerova choroba 2

V tomto poněkud kontroverzním kontextu je cílem chelatační terapie odstranění toxického kovového iontu z lidského těla nebo zeslabení jeho toxicity přeměnou na méně toxické sloučeniny.

Taková situace vedla několik skupin k tomu, aby zaměřily pozornost a vyvinuly úsilí směrem k identifikaci vhodných chelatačních látek specifických pro hliník. Hlavní problémy v tomto smyslu vyplývají ze skutečnosti, že všechny dosud vyvinuté chelátory nevykazují specifitu pouze pro hliník, ale také pro další biologicky zásadní kationty, jako je Mg(II), Zn(II) a především Fe(III). Tato situace zjevně vede k určitému stupni toxicity těchto chelatačních činidel, který závisí na jejich afinitě ke kovům, což je stav zdůrazněný lékařským použitím EDTA (kyselina ethylendiamintetraoctová), jednoho z nejsilnějších chelátorů kovů3

Vzhledem ke specifickým vlastnostem tohoto iontu jsou navíc systémy obsahující hliník experimentálně složitě zkoumatelné a dosud chybí úplné informace o vazebných vlastnostech Al(III)-ligandu nebo o vlivu různých substituentů na modulaci vazebné afinity.

Při úvahách o těchto nejasných perspektivách nás napadlo:

Jak identifikovat novou vhodnou strategii, která by porazila temnou stranu chelatační terapie Al(III) a zajistila tak lidstvu světlejší budoucnost?

Pocítili jsme Sílu a dostali jsme odpověď: je to výpočetní chemie!

Zajisté, v posledních dvou desetiletích dosáhla hardwarová a technologická zlepšení takové úrovně, že změnila perspektivy teoretických věd a umožnila velmi přesné a spolehlivé simulace in silico v rámci biologie, fyziky a chemie. To platí zejména pro ty teoretické metody, které jsou založeny na kvantové chemii (např. semiempirické, ab initio a teorie funkcí hustoty); v současné době je možné rutinně provádět kvantové výpočty na středních/vysokých úrovních teorie s přijatelným výpočetním časem, což nesmírně zvyšuje kvalitu výsledků a v důsledku toho poskytuje velmi cenné poznatky, které nelze vždy odvodit experimentálně.

Vzhledem k těmto podnětným možnostem jsme se rozhodli prozkoumat pomocí nejmodernějších DFT výpočtů a Baderovy analýzy kvantové teorie atomů v molekulách dvě rodiny chelatačních činidel (katecholy a salicylové kyseliny s různými substituenty, obr.1 a obr.2).), o nichž je známo, že vykazují vysokou afinitu k Al(III)4

Cílem bylo vytvořit teoretický přístup, který by dobře odpovídal dostupným experimentálním údajům, a poté jej aplikovat na slibné chelátory kovů, aby bylo možné charakterizovat povahu jejich interakce s Al(III) a odhalit vliv různých substituentů na modulaci vazebné afinity.

Kvantová teorie atomů v molekulách (Bader’s Quantum Theory of Atoms In Molecules, QTAIM) konkrétně počítá vlastnosti systémů dané jejich vlnovou funkcí; lze ji použít k předpovědi povahy interakcí vznikajících v systému, tj. zda jsou iontové/elektrostatické nebo kovalentní. V našem případě nás zajímala povaha interakcí Al-O (obr. 1).).

Výsledky, které jsme získali z analýzy QTIAM, byly překvapivé: ačkoli jsme očekávali silné iontové interakce mezi hliníkem a ligandy vzhledem k tomu, že Al(III) je plus třikrát nabitý kationt, zjistili jsme, že v těchto interakcích je malý stupeň kovalence, přítomný v obou rodinách chelátorů.

Mimo to, a to je zajímavější, jsme zjistili, že tento stupeň kovalence je modulován opačným účinkem substituentů; bylo totiž zjištěno, že elektron donující skupiny (EDG), jako jsou CH3 a OCH3, tento stupeň kovalence zvyšují, zatímco elektron stahující skupiny (EWG), jako je NO2, kovalentní charakter interakcí snižují.

Tato zjištění byla potvrzena analýzou delokalizačních indexů (D.I., obr. 2).), které měří průměrný počet elektronových párů delokalizovaných (sdílených) mezi dvěma atomy.

Při porovnání delokalizačních indexů Al-O s našimi dříve vypočtenými vazebnými energiemi DFT (ΔG) vidíme, že mezi oběma veličinami existuje jasná lineární korelace (obr. 2): EDG zvyšují delokalizační indexy komplexu a stejně tak zvyšují vazebnou afinitu systému hliník-chelátor. Naopak EWGs snižují jak delokalizační indexy, tak vazebnou afinitu komplexu.

Tyto zajímavé výsledky můžeme interpretovat následovně: Elektron donující skupiny tím, že „protlačují“ elektrony aromatickým kruhem, zvyšují kovalentní charakter interakce Al-O, což se projevuje silnější vazebnou afinitou. Na druhé straně Electron Withdrawing Groups tím, že „chytají“ elektrony z aromatického kruhu molekuly, snižují kovalentní charakter Al-O interakce, což vede k nižší vazebné afinitě.

Na závěr nám naše práce umožnila charakterizovat povahu Al-ligandové interakce a úlohu různých substituentů na modulaci vazebné afinity. Je to jasný příklad toho, jak nejmodernější výpočetní přístupy umožňují získat cenné poznatky, které mohou rozšířit znalosti v těch temných bodech, kde experimentální postupy selhávají.

V současné době bude náš ověřený teoretický protokol aplikován na další důležité chelatační činidla Al(III), jako jsou EDTA a HPC (obr. 1).

Domníváme se, že budeme schopni výrazně napomoci k identifikaci a vyladění nových, účinných chelátorů Al(III), které by jednou provždy porazily krutou tyranii hliníku.