امتصاص جرعة التعرض للمركبات القائمة على البلاتين والروثينيوم في أسماك الزرد عن طريق قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن بالحث مع تطبيقات أوسع
Summary
يمكن أن يكون المعدل المتزايد للتحليلات الدوائية والسمية للمعادن والمركبات القائمة على المعادن في أسماك الزرد مفيدا لدراسات الترجمة البيئية والسريرية. تم التغلب على الحد من امتصاص التعرض غير المعروف للمياه عن طريق إجراء تحليل المعادن النزرة على أنسجة الزرد المهضومة باستخدام مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث .
Abstract
وتشمل المعادن والمركبات القائمة على المعادن العديد من الكائنات الغريبة النشطة دوائيا والسمية. من سمية المعادن الثقيلة إلى المواد الكيميائية ، فإن الحركية السامة لهذه المركبات لها أهمية تاريخية وحديثة. أصبحت أسماك الزرد كائنا نموذجيا جذابا في توضيح علم الحركة الدوائية والسمية في التعرض البيئي ودراسات الترجمة السريرية. على الرغم من أن دراسات أسماك الزرد لها فائدة كونها أعلى إنتاجية من نماذج القوارض ، إلا أن هناك العديد من القيود المهمة على النموذج.
أحد هذه القيود متأصل في نظام الجرعات المنقولة بالمياه. لا يمكن استقراء تركيزات المياه من هذه الدراسات لتوفير جرعات داخلية موثوقة. تسمح القياسات المباشرة للمركبات القائمة على المعادن بعلاقة أفضل مع الاستجابات الجزيئية والبيولوجية المرتبطة بالمركبات. للتغلب على هذا القيد بالنسبة للمعادن والمركبات القائمة على المعادن ، تم تطوير تقنية لهضم أنسجة يرقات الزرد بعد التعرض وتحديد تركيزات المعادن داخل عينات الأنسجة عن طريق قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترنة بالحث (ICPMS).
تم استخدام طرق ICPMS لتحديد تركيزات المعادن من البلاتين (Pt) من سيسبلاتين والروثينيوم (Ru) من العديد من الكيماويات الكيميائية الجديدة القائمة على Ru في أنسجة الزرد. بالإضافة إلى ذلك ، ميز هذا البروتوكول تركيزات Pt التي تم عزلها في كوريون اليرقات مقارنة بأنسجة الزرد. تشير هذه النتائج إلى أنه يمكن تطبيق هذه الطريقة لتحديد الجرعة المعدنية الموجودة في أنسجة اليرقات. علاوة على ذلك ، يمكن تعديل هذه الطريقة لتحديد معادن معينة أو مركبات قائمة على المعادن في مجموعة واسعة من دراسات التعرض والجرعات.
Introduction
ولا تزال المعادن والمركبات القائمة على الفلزات ذات أهمية دوائية وسمية. أدى انتشار التعرض للمعادن الثقيلة وتأثيرها على الصحة إلى زيادة البحث العلمي بشكل كبير منذ 1960s ووصل إلى أعلى مستوى له على الإطلاق في عام 2021. تتجاوز تركيزات المعادن الثقيلة في مياه الشرب وتلوث الهواء والتعرض المهني الحدود التنظيمية في جميع أنحاء العالم ولا تزال تمثل مشكلة بالنسبة للزرنيخ والكادميوم والزئبق والكروم والرصاص والمعادن الأخرى. لا تزال الطرق الجديدة لقياس التعرض البيئي وتحليل التطور المرضي في ارتفاع الطلب1،2،3.
على العكس من ذلك ، قام المجال الطبي بتسخير الخصائص الفيزيائية الكيميائية للمعادن المختلفة للعلاج السريري. الأدوية القائمة على المعادن أو الأدوية المعدنية لها تاريخ غني من الأغراض الطبية وأظهرت نشاطا ضد مجموعة من الأمراض ، مع أعلى نجاح مثل العلاج الكيميائي4. أشهر الأدوية المعدنية ، سيسبلاتين ، هو دواء مضاد للسرطان قائم على PT تعتبره منظمة الصحة العالمية (WHO) أحد الأدوية الأساسية في العالم5. في عام 2010 ، كان سيسبلاتين ومشتقاته Pt معدل نجاح يصل إلى 90 ٪ في العديد من أنواع السرطان وتم استخدامها في حوالي 50 ٪ من أنظمة العلاج الكيميائي6،7،8. على الرغم من أن العلاج الكيميائي القائم على PT قد حقق نجاحا لا يمكن دحضه ، إلا أن السمية التي تحد من الجرعة قد أطلقت تحقيقات في الأدوية البديلة القائمة على المعادن مع التسليم البيولوجي المكرر والنشاط. من بين هذه البدائل ، أصبحت المركبات القائمة على Ru هي الأكثر شعبية9،10،11،12.
هناك حاجة إلى نماذج ومنهجية جديدة لمواكبة معدل الحاجة إلى الدراسات الدوائية والحركية السامة المعدنية. يقع نموذج الزرد عند تقاطع التعقيد والإنتاجية ، كونه فقاريات عالية الخصوبة مع 70٪ من التماثل الجيني المحفوظ13. كان هذا النموذج أحد الأصول في علم الأدوية وعلم السموم ، مع فحوصات مكثفة لمختلف المركبات لاكتشاف الرصاص ، وتحديد الهدف ، والنشاط الميكانيكي14،15،16،17. ومع ذلك، فإن الفحص عالي الإنتاجية للمواد الكيميائية يعتمد عادة على التعرض للمياه. بالنظر إلى أن الامتصاص يمكن أن يكون متغيرا بناء على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركب في المحلول (أي التحلل الضوئي ، والذوبان) ، يمكن أن يكون هذا قيدا رئيسيا على توصيل الجرعة والاستجابة لها المترابطة.
للتغلب على هذا القيد لمقارنة الجرعة بالفقاريات الأعلى ، تم تصميم منهجية لتحليل تركيزات المعادن النزرة في أنسجة يرقات الزرد. هنا ، تم تقييم منحنيات استجابة الجرعة لنقاط النهاية القاتلة وشبه المميتة للسيسبلاتين والمركبات المضادة للسرطان الجديدة القائمة على Ru. تم تقييم الفتك وتأخر الفقس للتركيزات الاسمية من 0 و 3.75 و 7.5 و 15 و 30 و 60 ملغم / لتر سيسبلاتين. تم تحديد تراكم Pt في أنسجة الكائنات الحية من خلال تحليل ICPMS ، وكان امتصاص الكائنات الحية للجرعات المعنية 0.05 و 8.7 و 23.5 و 59.9 و 193.2 و 461.9 نانوغرام (Pt) لكل كائن حي. بالإضافة إلى ذلك ، تعرضت يرقات الزرد إلى 0 ، 3.1 ، 6.2 ، 9.2 ، 12.4 ملغ / لتر من PMC79. وقد حددت هذه التركيزات تحليليا على أنها تحتوي على 0 و 0.17 و 0.44 و 0.66 و 0.76 ملغم/لتر من Ru. سمح هذا البروتوكول أيضا بتمييز تركيزات Pt المعزولة في مشيمية اليرقات مقارنة بأنسجة الزرد. كانت هذه المنهجية قادرة على توفير بيانات موثوقة وقوية لمقارنات النشاط الدوائي والسمي بين العلاج الكيميائي الراسخ والمركب الجديد. يمكن تطبيق هذه الطريقة على مجموعة واسعة من المعادن والمركبات القائمة على المعادن.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تنفيذ البروتوكول الموصوف هنا لتحديد تسليم وامتصاص الأدوية المضادة للسرطان القائمة على المعادن التي تحتوي إما على Pt أو Ru. على الرغم من أن هذه الأساليب قد تم نشرها بالفعل ، إلا أن هذا البروتوكول يناقش اعتبارات وتفاصيل مهمة لتكييف هذه المنهجية مع مجموعة من المركبات. سمح لنا بروتوكول منظمة…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
التمويل: NJAES-Rutgers NJ01201 ، منحة تدريب NIEHS T32-ES 007148 ، NIH-NIEHS P30 ES005022. بالإضافة إلى ذلك ، يتم دعم بريتاني كاراس من خلال منحة التدريب T32NS115700 من NINDS ، المعاهد الوطنية للصحة. ويعترف صاحبا البلاغ بأندريا فالنتي وبالمؤسسة البرتغالية للعلوم والتكنولوجيا (Fundação para a Ciência e Tecnologia, FCT; PTDC/QUI-QIN/28662/2017) لتوريد PMC79.
Materials
| AB Strain Zebrafish (Danio reri) | Zebrafish International Resource Center | Wild-Type AB | Wild-Type AB Zebrafish |
| ACS Grade Nitric Acid | VWR BDH Chemicals | BDH3130-2.5LP | Nitric Acid (68-70%); used to make 10% HNO3 acid-bath solution for soaking/pre-celaning centrifuge tubes |
| Aquatox Fish Diet (Flake) | Zeigler Bros, Inc. | Flake food to be mixed in a 1:4 ratio of Aquatox Fish Diet to TetraMin Tropical Flakes and used as feed | |
| Artemia cysts, brine shrimp | PentairAES | BS90 | Brine shrimp eggs sold in 15-ozz, vacuum-packed cans to be hatched and used as feed |
| ASX-510 Autosampler for ICPMS | Teledyne CETAC | Automatic sampler with conifgurable XYZ movement, flowing rinse station, and 0.3 mm inner dimension probe. Compatible with Nu AttoLab software for programmable batch analyses. | |
| Centrifuge | Thermo Scientific | CL 2 | Thermo Scientific CL 2 compact benchtop centrifuge with variable speed range up to 5200 rpm; used to bring sample and acid condensate to the bottom of the centrifuge tube bewteen microwave digestion intervals; aids in sample retention |
| Centrifuge tubes | VWR | 21008-105 | Ultra high performance polypropylene centrifuge tubes with flat cap; 15 mL volume; leak-proof with conical bottom |
| Class A Clear Glass Threaded Vials | Fisherbrand | 03-339-25B | Individual glass vials for exposure containment |
| Dimethyl Sulfoxide | Millipore Sigma | D8418 | Solvent or vehicle for hydrophobic compounds |
| Fixed Speed Vortex Mixer | VWR | 10153-834 | Vortex mixer; used to homogenize sample after acid digestion and dilution |
| High Purity Hydrogen Peroxide | Merk KGaA, EDM Millipore | 1.07298.0250 | Suprapur Hydrogen peroxide (30%); used for sample digestion |
| High Purity Nitric Acid | EDM Millipore | NX0408-2 | Omni Trace Ultra Nitric Acid (69%); used for sample digestion |
| Instant Ocean Sea Salt | Spectrum Brands, Inc. | Instant Ocean® Sea Salt | Egg water solution contains instand ocean sea salt with a final concentration of 60 µg/ml |
| Mars X Microwave Digestion System | CEM, Matthews, NC | Microwave acid digestion system used to digest and homogenize samples under uniform conditions. For this methodology the open vessel digestion method was completed using single-use polypropylene centrifuge tubes at low power (300 W). | |
| Multi-element Solution 3 | SPEX CertiPREP | CLMS-3 | Contains 10 mg/L Au, Hf, Ir, Pd, Pt, Fu, Sb, Sr, Te, Sn in 10% HCl/1% HNO3; used as a quality control standard for Pt and Ru analyses |
| Nu Instruments AttoM High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (HR-ICP-MS) | Nu Instruments/Amatek | Double focussing magnetic sector inductively coupled plasma mass spectrometer with flexible low to high resolution slit system, and dynamic range detector system. Data processing and quantification is done using NuQuant companion software. | |
| Platinum (Pt) standard solution, NIST 3140 | National Institute of Standards and Technology | 3140 | Prepared from ampoule containing 9.996 mg/g Pt in 10% HCl; ; used as a quality control standard for Pt analyses |
| Platinum (Pt) standard solution, single-element | High Purity Standards | 100040-2 | Contains 1000 mg/L Pt in 5% HCl |
| Ruthenium (Ru) standard solution, single-element | High Purity Standards | 100046-2 | Contains 1000 mg/L Ru in 2% HCl |
| TetraMin Tropical Flakes | Tetra | 77101 | Flake food to be mixed in a 1:4 ratio of Aquatox Fish Diet to TetraMin Tropical Flakes and used as feed |
| Trace Metal Grade Nitric Acid | VWR BDH Chemicals | 87003-261 | Aristar Plus Nitric Acid (67-70%); used for rinse solution in ASX-510 Autosampler |
| Ultrasonic water bath | VWR | B2500A-DTH | Ultrasonic water bath used to aid in acid digestion prior to microwave digestion |
References
- Rehman, K., Fatima, F., Waheed, I., Akash, M. S. H. Prevalence of exposure of heavy metals and their impact on health consequences. Journal of Cellular Biochemistry. 119 (1), 157-184 (2018).
- Anyanwu, B. O., Ezejiofor, A. N., Igweze, Z. N., Orisakwe, O. E. Heavy metal mixture exposure and effects in developing nations: an update. Toxics. 6 (4), 65 (2018).
- Doherty, C. L., Buckley, B. T. Translating analytical techniques in geochemistry to environmental health. Molecules. 26 (9), 2821 (2021).
- Boros, E., Dyson, P. J., Gasser, G. Classification of metal-based drugs according to their mechanisms of action. Chem. 6 (1), 41-60 (2020).
- Robertson, J., Barr, R., Shulman, L. N., Forte, G. B., Magrini, N. Essential medicines for cancer: WHO recommendations and national priorities. Bulletin of the World Health Organization. 94 (10), 735-742 (2016).
- Wheate, N. J., Walker, S., Craig, G. E., Oun, R. The status of platinum anticancer drugs in the clinic and in clinical trials. Dalton Transactions. 39 (35), 8113-8127 (2010).
- Brown, A., Kumar, S., Tchounwou, P. B. Cisplatin-based chemotherapy of human cancers. Journal of Cancer Science & Therapy. 11 (4), 97 (2019).
- Ghosh, S. Cisplatin: The first metal based anticancer drug. Bioorganic Chem. 88, 102925 (2019).
- Abid, M., Shamsi, F., Azam, A. Ruthenium complexes: an emerging ground to the development of metallopharmaceuticals for cancer therapy. Mini Reviews in Medicinal Chemistry. 16 (10), 772-786 (2016).
- Alessio, E., Messori, L. NAMI-A and KP1019/1339, two iconic ruthenium anticancer drug candidates face-to-face: a case story in medicinal inorganic chemistry. Molecules. 24 (10), 1995 (2019).
- Alessio, E., Mestroni, G., Bergamo, A., Sava, G. Ruthenium antimetastatic agents. Current Topics in Medicinal Chemistry. 4 (15), 1525-1535 (2004).
- Lin, K., Zhao, Z. -. Z., Bo, H. -. B., Hao, X. -. J., Wang, J. -. Q. Applications of ruthenium complex in tumor diagnosis and therapy. Frontiers in Pharmacology. 9, 1323 (2018).
- Howe, K., et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature. 496 (7446), 498-503 (2013).
- Wiley, D. S., Redfield, S. E., Zon, L. I. Chemical screening in zebrafish for novel biological and therapeutic discovery. Methods in Cell Biology. 138, 651-679 (2017).
- Bambino, K., Chu, J. Zebrafish in toxicology and environmental health. Current Topics in Developmental Biology. 124, 331-367 (2017).
- Rubinstein, A. L. Zebrafish assays for drug toxicity screening. Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology. 2 (2), 231-240 (2006).
- Cassar, S., et al. Use of zebrafish in drug discovery toxicology. Chemical Research in Toxicology. 33 (1), 95-118 (2020).
- Westerfield, M. . The zebrafish book. A guide for the laboratory use of zebrafish (Danio rerio). 4th edition. , (2000).
- Material safety data sheet: cisplatin injection). Pfizer Available from: https://cdn.pfizer.com/pfizercom/products/material_safety_data/PZ01470.pdf (2011)
- Nasiadka, A., Clark, M. D. Zebrafish breeding in the laboratory environment. ILAR Journal. 53 (2), 161-168 (2012).
- OECD. Test No. 236: Fish embryo acute toxicity (FET) test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals Available from: https://www.oecd-ilibrary.org/environment/test-no-236-fish-embryo-acute-toxicity-fet-test_9789264203709-en (2013)
- EMD Millipore Corporation. Material Safety Data Sheet: OmniTrace Nitric Acid. EMD Millipore Corporation. , (2013).
- Safety data sheet: Hydrogen peroxide 30% Suprapur. EMD Millipore Corporation Available from: https://www.merckmillipore.com/IN/en/product/Hydrogen-peroxide-300-0 (2014)
- Karas, B. F., et al. A novel screening method for transition metal-based anticancer compounds using zebrafish embryo-larval assay and inductively coupled plasma-mass spectrometry analysis. Journal of Applied Toxicology. 39 (8), 1173-1180 (2019).
- Henn, K., Braunbeck, T. Dechorionation as a tool to improve the fish embryo toxicity test (FET) with the zebrafish (Danio rerio). Comparative Biochemistry and Physiology. Toxicology & Pharmacology: CBP. 153 (1), 91-98 (2011).
- Mandrell, D., et al. Automated zebrafish chorion removal and single embryo placement: optimizing throughput of zebrafish developmental toxicity screens. Journal of Laboratory Automation. 17 (1), 66-74 (2012).
- Karas, B. F., Hotz, J. M., Buckley, B. T., Cooper, K. R. Cisplatin alkylating activity in zebrafish causes resistance to chorionic degradation and inhibition of osteogenesis. Aquatic Toxicology. 229, 105656 (2020).
