Dosisopname van op platina en ruthenium gebaseerde samengestelde blootstelling bij zebravissen door inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie met bredere toepassingen
Summary
De verhoogde snelheid van farmaco- en toxicokinetische analyses van metalen en op metaal gebaseerde verbindingen in zebravissen kan voordelig zijn voor milieu- en klinische vertaalstudies. De beperking van onbekende blootstelling aan water werd overwonnen door sporenmetaalanalyse uit te voeren op verteerd zebravisweefsel met behulp van inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie.
Abstract
Metalen en op metaal gebaseerde verbindingen omvatten veelzijdige farmaco-actieve en toxicologische xenobiotica. Van toxiciteit voor zware metalen tot chemotherapeutica, de toxicokinetiek van deze verbindingen heeft zowel historische als hedendaagse relevantie. Zebravissen zijn een aantrekkelijk modelorganisme geworden in het ophelderen van farmaco- en toxicokinetiek in milieublootstelling en klinische vertaalstudies. Hoewel zebravisstudies het voordeel hebben dat ze een hogere doorvoer hebben dan knaagdiermodellen, zijn er verschillende belangrijke beperkingen aan het model.
Een dergelijke beperking is inherent aan het watergedragen doseringsregime. Waterconcentraties uit deze studies kunnen niet worden geëxtrapoleerd om betrouwbare interne doseringen te bieden. Directe metingen van de op metaal gebaseerde verbindingen zorgen voor een betere correlatie met compound-gerelateerde moleculaire en biologische responsen. Om deze beperking voor metalen en op metaal gebaseerde verbindingen te overwinnen, werd een techniek ontwikkeld om larvenweefsel van zebravissen na blootstelling te verteren en metaalconcentraties in weefselmonsters te kwantificeren door inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (ICPMS).
ICPMS-methoden werden gebruikt om de metaalconcentraties van platina (Pt) uit cisplatine en ruthenium (Ru) te bepalen uit verschillende nieuwe op Ru gebaseerde chemotherapeutica in zebravisweefsel. Bovendien onderscheidde dit protocol concentraties van Pt die werden gesekwestreerd in het chorion van de larve in vergelijking met het zebravisweefsel. Deze resultaten geven aan dat deze methode kan worden toegepast om de metaaldosis in larvale weefsels te kwantificeren. Verder kan deze methode worden aangepast om specifieke metalen of op metaal gebaseerde verbindingen te identificeren in een breed scala aan blootstellings- en doseringsstudies.
Introduction
Metalen en op metalen gebaseerde verbindingen blijven farmacologische en toxicologische relevantie hebben. De prevalentie van blootstelling aan zware metalen en de impact ervan op de gezondheid heeft het wetenschappelijk onderzoek sinds de jaren 1960 exponentieel verhoogd en bereikte een recordhoogte in 2021. De concentraties van zware metalen in drinkwater, luchtvervuiling en beroepsmatige blootstelling overschrijden wereldwijd de wettelijke limieten en blijven een probleem voor arseen, cadmium, kwik, chroom, lood en andere metalen. Nieuwe methoden om de blootstelling aan het milieu te kwantificeren en pathologische ontwikkeling te analyseren, blijven veel gevraagd 1,2,3.
Omgekeerd heeft het medische veld de fysiochemische eigenschappen van verschillende metalen benut voor klinische behandeling. Geneesmiddelen op basis van metaal of metallodrugs hebben een rijke geschiedenis van medicinale doeleinden en hebben activiteit getoond tegen een reeks ziekten, met het hoogste succes als chemotherapeutica4. De beroemdste van metallodrugs, cisplatine, is een op Pt gebaseerd antikankermedicijn dat door de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) wordt beschouwd als een van ‘s werelds essentiële geneesmiddelen5. In 2010 hadden cisplatine en zijn Pt-derivaten tot een slagingspercentage van 90% bij verschillende kankers en werden ze gebruikt in ongeveer 50% van de chemotherapieregimes 6,7,8. Hoewel pt-gebaseerde chemotherapeutica onweerlegbaar succes hebben gehad, heeft de dosisbeperkende toxiciteit onderzoek in gang gezet naar alternatieve op metaal gebaseerde geneesmiddelen met verfijnde biologische afgifte en activiteit. Van deze alternatieven zijn op Ru gebaseerde verbindingen de meest populairegeworden 9,10,11,12.
Nieuwe modellen en methodologie zijn nodig om gelijke tred te houden met de snelheid van de behoefte aan farmaco- en toxicokinetische studies naar metaal. Het zebravismodel ligt op het snijvlak van complexiteit en doorvoer, omdat het een gewerveld dier met een hoge vruchtbaarheid is met 70% geconserveerde gen homologie13. Dit model is een aanwinst geweest in de farmacologie en toxicologie, met uitgebreide screenings voor verschillende verbindingen voor loodontdekking, doelidentificatie en mechanistische activiteit 14,15,16,17. Screening van chemicaliën met een hoge doorvoer is echter meestal afhankelijk van blootstellingen aan water. Aangezien de opname variabel kan zijn op basis van de fysisch-chemische eigenschappen van de verbinding in oplossing (d.w.z. fotodegradatie, oplosbaarheid), kan dit een belangrijke beperking zijn van het correleren van dosisafgifte en respons.
Om deze beperking voor vergelijking van de dosis met hogere gewervelde dieren te overwinnen, werd een methodologie ontworpen om sporenmetaalconcentraties in larvenweefsel van zebravissen te analyseren. Hier werden dosis-responscurven van dodelijke en subletale eindpunten geëvalueerd voor cisplatine en nieuwe op Ru gebaseerde antikankerverbindingen. Letaliteit en vertraagd uitkomen werden geëvalueerd voor nominale concentraties van 0, 3,75, 7,5, 15, 30 en 60 mg/l cisplatine. Pt-accumulatie in organismeweefsel werd bepaald door ICPMS-analyse en de opname van respectieve doses door organismen was 0,05, 8,7, 23,5, 59,9, 193,2 en 461,9 ng (Pt) per organisme. Bovendien werden zebravislarven blootgesteld aan 0, 3,1, 6,2, 9,2, 12,4 mg / l PMC79. Deze concentraties werden analytisch bepaald om 0, 0,17, 0,44, 0,66 en 0,76 mg/l Ru te bevatten. Dit protocol maakte het ook mogelijk om concentraties pt te onderscheiden die in het chorion van de larven waren gesekwestreerd in vergelijking met het zebravisweefsel. Deze methodologie was in staat om betrouwbare, robuuste gegevens te leveren voor vergelijkingen van farmaco- en toxicokinetische activiteit tussen een gevestigde chemotherapeutische en een nieuwe verbinding. Deze methode kan worden toegepast op een breed scala aan metalen en op metaal gebaseerde verbindingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hier beschreven protocol is geïmplementeerd om de levering en opname van op metaal gebaseerde antikankergeneesmiddelen met Pt of Ru te bepalen. Hoewel deze methoden al zijn gepubliceerd, bespreekt dit protocol belangrijke overwegingen en details om deze methodologie aan te passen voor een reeks verbindingen. Het OESO-protocol in combinatie met weefselvertering en ICPMS-analyse stelde ons in staat om te bepalen dat PMC79 krachtiger was dan cisplatine en resulteerde in ongelijksoortige weefselaccumulatie, wat afzonder…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiering: NJAES-Rutgers NJ01201, NIEHS Training Grant T32-ES 007148, NIH-NIEHS P30 ES005022. Daarnaast wordt Brittany Karas ondersteund door opleidingssubsidie T32NS115700 van NINDS, NIH. De auteurs erkennen Andreia Valente en de Portugese Stichting voor Wetenschap en Technologie (Fundação para a Ciência e Tecnologia, FCT; PTDC/QUI-QIN/28662/2017) voor de levering van 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).
