Zebra Balığında Platin ve Rutenyum Bazlı Bileşik Maruziyetinin Daha Geniş Uygulamalarla Endüktif Olarak Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometrisi ile Doz Alımı
Summary
Zebra balığındaki metallerin ve metal bazlı bileşiklerin farmakokinetik ve toksikokinetik analizlerinin artan oranı, çevresel ve klinik çeviri çalışmaları için avantajlı olabilir. Bilinmeyen su kaynaklı maruz kalma alımının sınırlaması, endüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektrometrisi kullanılarak sindirilmiş zebra balığı dokusu üzerinde eser metal analizi yapılarak aşılmıştır.
Abstract
Metaller ve metal bazlı bileşikler çok çeşitli farmakoaktif ve toksikolojik ksenobiyotiklerden oluşur. Ağır metal toksisitesinden kemoterapötiklere kadar, bu bileşiklerin toksikokinetik değerleri hem tarihsel hem de modern gün ile ilgilidir. Zebra balığı, çevresel maruziyet ve klinik çeviri çalışmalarında farmakokineziyi ve toksikokinetik aydınlatmada çekici bir model organizma haline gelmiştir. Zebra balığı çalışmaları, kemirgen modellerinden daha yüksek verim elde etme avantajına sahip olsa da, modelde birkaç önemli kısıtlama vardır.
Böyle bir sınırlama, su bazlı dozaj rejiminde doğaldır. Bu çalışmalardan elde edilen su konsantrasyonları, güvenilir iç dozajlar sağlamak için tahmin edilemez. Metal bazlı bileşiklerin doğrudan ölçümleri, bileşikle ilgili moleküler ve biyolojik tepkilerle daha iyi bir korelasyon sağlar. Metaller ve metal bazlı bileşikler için bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, zebra balığı larva dokusunu maruz kaldıktan sonra sindirmek ve doku örnekleri içindeki metal konsantrasyonlarını endüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICPMS) ile ölçmek için bir teknik geliştirilmiştir.
ICPMS yöntemleri, zebra balığı dokusundaki birkaç yeni Ru bazlı kemoterapötikten sisplatinden platin (Pt) ve rutenyum (Ru) metal konsantrasyonlarını belirlemek için kullanıldı. Ek olarak, bu protokol, zebra balığı dokusuna kıyasla larvaların koryonunda tutulan Pt konsantrasyonlarını ayırt etti. Bu sonuçlar, bu yöntemin larva dokularında bulunan metal dozunu ölçmek için uygulanabileceğini göstermektedir. Ayrıca, bu yöntem, çok çeşitli maruz kalma ve dozajlama çalışmalarında spesifik metalleri veya metal bazlı bileşikleri tanımlamak için ayarlanabilir.
Introduction
Metaller ve metal bazlı bileşikler farmakolojik ve toksikolojik açıdan önemini korumaktadır. Ağır metal maruziyetinin yaygınlığı ve sağlık üzerindeki etkisi, 1960’lardan bu yana bilimsel araştırmaları katlanarak artırdı ve 2021’de tüm zamanların en yüksek seviyesine ulaştı. İçme suyu, hava kirliliği ve mesleki maruziyetteki ağır metal konsantrasyonları dünya çapında düzenleyici sınırları aşmakta ve arsenik, kadmiyum, cıva, krom, kurşun ve diğer metaller için bir sorun olmaya devam etmektedir. Çevresel maruziyeti ölçmek ve patolojik gelişimi analiz etmek için yeni yöntemler yüksek talep görmeye devam etmektedir 1,2,3.
Tersine, tıp alanı klinik tedavi için çeşitli metallerin fizyokimyasal özelliklerinden yararlanmıştır. Metal bazlı ilaçlar veya metalloilaçlar, zengin bir tıbbi amaç geçmişine sahiptir ve kemoterapötikler4 olarak en yüksek başarı ile bir dizi hastalığa karşı aktivite göstermiştir. Metaloilaçların en ünlüsü olan sisplatin, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından dünyanın temel ilaçlarından biri olarak kabul edilen Pt bazlı bir antikanser ilacıdır5. 2010 yılında, sisplatin ve Pt türevleri birçok kanserde% 90’a varan bir başarı oranına sahipti ve kemoterapi rejimlerinin yaklaşık% 50’sinde kullanıldı 6,7,8. Pt bazlı kemoterapötikler inkar edilemez başarılara sahip olsalar da, doz sınırlayıcı toksisite, rafine biyolojik dağıtım ve aktiviteye sahip alternatif metal bazlı ilaçların araştırılmasını harekete geçirmiştir. Bu alternatiflerden, Ru bazlı bileşikler en popüler 9,10,11,12 haline gelmiştir.
Metal farmakokratik ve toksikokinetik çalışmalara duyulan ihtiyaç oranına ayak uydurmak için yeni modeller ve metodoloji gereklidir. Zebra balığı modeli, karmaşıklık ve verimin kesiştiği noktada yer alır ve %70 korunmuş gen homolojisine sahip yüksek doğurganlığa sahip bir omurgalıdır13. Bu model, kurşun keşfi, hedef tanımlama ve mekanik aktivite için çeşitli bileşikler için kapsamlı taramalar ile farmakoloji ve toksikolojide bir varlık olmuştur14,15,16,17. Bununla birlikte, kimyasalların yüksek verimli taranması tipik olarak su kaynaklı maruziyetlere dayanır. Bu alımın, çözeltideki bileşiğin fizikokimyasal özelliklerine (yani, fotodegradasyon, çözünürlük) bağlı olarak değişken olabileceği göz önüne alındığında, bu, doz dağıtımı ve yanıtını ilişkilendirmenin önemli bir sınırlaması olabilir.
Dozun daha yüksek omurgalılarla karşılaştırılması için bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, zebra balığı larva dokusundaki eser metal konsantrasyonlarını analiz etmek için bir metodoloji tasarlanmıştır. Burada, öldürücü ve subölümcül sonlanım noktalarının doz-yanıt eğrileri, sisplatin ve yeni Ru bazlı antikanser bileşikleri için değerlendirildi. Öldürücülük ve gecikmiş kuluçka, 0, 3.75, 7.5, 15, 30 ve 60 mg / L sisplatin nominal konsantrasyonları için değerlendirildi. Organizma dokusunda Pt birikimi ICPMS analizi ile belirlendi ve ilgili dozların organizma alımı organizma başına 0.05, 8.7, 23.5, 59.9, 193.2 ve 461.9 ng (Pt) idi. Ek olarak, zebra balığı larvaları 0, 3.1, 6.2, 9.2, 12.4 mg / L PMC79’a maruz bırakıldı. Bu konsantrasyonların analitik olarak 0, 0.17, 0.44, 0.66 ve 0.76 mg / L Ru içerdiği belirlenmiştir. Bu protokol aynı zamanda larvaların koryonunda tutulan Pt konsantrasyonlarının zebra balığı dokusuna kıyasla ayırt edilmesine de izin verdi. Bu metodoloji, iyi kurulmuş bir kemoterapötik ve yeni bir bileşik arasındaki farmakokinetik ve toksikokinetik aktivitenin karşılaştırılması için güvenilir, sağlam veriler sağlayabilmiştir. Bu yöntem çok çeşitli metallere ve metal bazlı bileşiklere uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan protokol, Pt veya Ru içeren metal bazlı antikanser ilaçların verilmesini ve alımını belirlemek için uygulanmıştır. Bu yöntemler daha önce yayınlanmış olmasına rağmen, bu protokol, bu metodolojiyi bir dizi bileşiğe uyarlamak için önemli hususları ve ayrıntıları tartışmaktadır. OECD protokolü, doku sindirimi ve ICPMS analizi ile birleştiğinde, PMC79’un sisplatinden daha güçlü olduğunu ve farklı mekanizmalar öneren farklı doku birikimine neden olduğunu belirlememize…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansman: NJAES-Rutgers NJ01201, NIEHS Eğitim Hibe T32-ES 007148, NIH-NIEHS P30 ES005022. Ek olarak, Brittany Karas, NINDS, NIH’den T32NS115700 eğitim hibesi ile desteklenmektedir. Yazarlar Andreia Valente ve Portekiz Bilim ve Teknoloji Vakfı’nı (Fundação para a Ciência e Tecnologia, FCT; PTDC/QUI-QIN/28662/2017) PMC79 tedariki için.
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).
