Absorption de dose de l’exposition aux composés à base de platine et de ruthénium chez le poisson-zèbre par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif avec des applications plus larges
Summary
L’augmentation du taux d’analyses pharmacocinétiques et toxicocinétiques des métaux et des composés à base de métaux chez le poisson-zèbre peut être avantageuse pour les études de traduction environnementales et cliniques. La limitation de l’absorption inconnue d’exposition à l’eau a été surmontée en effectuant une analyse des métaux traces sur les tissus digérés du poisson-zèbre à l’aide de la spectrométrie de masse plasmatique à couplage inductif.
Abstract
Les métaux et les composés à base de métaux comprennent de multiples xénobiotiques pharmaco-actifs et toxicologiques. De la toxicité des métaux lourds aux agents chimiothérapeutiques, la toxicocinétique de ces composés a une pertinence à la fois historique et moderne. Le poisson-zèbre est devenu un organisme modèle attrayant pour élucider la pharmacocinétique et la toxicocinétique dans les études d’exposition environnementale et de traduction clinique. Bien que les études sur le poisson-zèbre aient l’avantage d’être plus performantes que les modèles de rongeurs, le modèle comporte plusieurs contraintes importantes.
L’une de ces limitations est inhérente au schéma posologique à base d’eau. Les concentrations d’eau de ces études ne peuvent pas être extrapolées pour fournir des dosages internes fiables. Les mesures directes des composés à base de métaux permettent une meilleure corrélation avec les réponses moléculaires et biologiques liées aux composés. Pour surmonter cette limitation pour les métaux et les composés à base de métaux, une technique a été développée pour digérer le tissu larvaire du poisson zèbre après exposition et quantifier les concentrations de métaux dans les échantillons de tissus par spectrométrie de masse plasmatique à couplage inductif (ICPMS).
Les méthodes ICPMS ont été utilisées pour déterminer les concentrations métalliques de platine (Pt) du cisplatine et du ruthénium (Ru) à partir de plusieurs nouveaux agents chimiothérapeutiques à base de Ru dans les tissus du poisson-zèbre. De plus, ce protocole distinguait les concentrations de Pt qui étaient séquestrées dans le chorion de la larve par rapport au tissu du poisson-zèbre. Ces résultats indiquent que cette méthode peut être appliquée pour quantifier la dose de métal présente dans les tissus larvaires. En outre, cette méthode peut être ajustée pour identifier des métaux ou des composés à base de métaux spécifiques dans un large éventail d’études d’exposition et de dosage.
Introduction
Les métaux et les composés à base de métaux continuent d’avoir une pertinence pharmacologique et toxicologique. La prévalence de l’exposition aux métaux lourds et son impact sur la santé ont augmenté de façon exponentielle les recherches scientifiques depuis les années 1960 et ont atteint un niveau record en 2021. Les concentrations de métaux lourds dans l’eau potable, la pollution atmosphérique et l’exposition professionnelle dépassent les limites réglementaires mondiales et demeurent un problème pour l’arsenic, le cadmium, le mercure, le chrome, le plomb et d’autres métaux. De nouvelles méthodes pour quantifier l’exposition environnementale et analyser le développement pathologique continuent d’être très demandées 1,2,3.
Inversement, le domaine médical a exploité les propriétés physiochimiques de divers métaux pour le traitement clinique. Les médicaments à base de métaux ou les médicaments à base de métaux ont une riche histoire d’usages médicinaux et ont montré une activité contre une gamme de maladies, avec le plus grand succès que les agents chimiothérapeutiques4. Le plus célèbre des métallodicaments, le cisplatine, est un médicament anticancéreux à base de Pt considéré par l’Organisation mondiale de la santé (OMS) comme l’un des médicaments essentiels au monde5. En 2010, le cisplatine et ses dérivés Pt ont eu un taux de réussite allant jusqu’à 90% dans plusieurs cancers et ont été utilisés dans environ 50% des schémas de chimiothérapie 6,7,8. Bien que les agents chimiothérapeutiques à base de Pt aient eu un succès irréfutable, la toxicité limitant la dose a mis en branle des études sur des médicaments alternatifs à base de métaux avec une administration et une activité biologiques raffinées. Parmi ces alternatives, les composés à base de Ru sont devenus lesplus populaires 9,10,11,12.
De nouveaux modèles et de nouvelles méthodes sont nécessaires pour suivre le rythme des besoins en matière d’études pharmacocinétiques et toxicocinétiques sur les métaux. Le modèle du poisson-zèbre se situe à l’intersection de la complexité et du débit, étant un vertébré à haute fécondité avec 70% d’homologie génétique conservée13. Ce modèle a été un atout en pharmacologie et en toxicologie, avec des criblages approfondis pour divers composés pour la découverte de plomb, l’identification de cibles et l’activité mécaniste 14,15,16,17. Cependant, le criblage à haut débit des produits chimiques repose généralement sur des expositions à l’eau. Étant donné que l’absorption peut varier en fonction des propriétés physicochimiques du composé en solution (c.-à-d. photodégradation, solubilité), cela peut constituer une limitation majeure de la corrélation entre l’administration de la dose et la réponse.
Pour surmonter cette limitation de la comparaison de la dose aux vertébrés plus élevés, une méthodologie a été conçue pour analyser les concentrations de métaux traces dans le tissu larvaire du poisson-zèbre. Ici, les courbes dose-réponse des critères d’évaluation létaux et sublétaux ont été évaluées pour le cisplatine et de nouveaux composés anticancéreux à base de Ru. La létalité et l’éclosion retardée ont été évaluées pour des concentrations nominales de 0, 3,75, 7,5, 15, 30 et 60 mg/L de cisplatine. L’accumulation de Pt dans le tissu de l’organisme a été déterminée par l’analyse ICPMS, et l’absorption par l’organisme des doses respectives était de 0,05, 8,7, 23,5, 59,9, 193,2 et 461,9 ng (Pt) par organisme. De plus, les larves de poisson zèbre ont été exposées à 0, 3,1, 6,2, 9,2, 12,4 mg/L de PMC79. Ces concentrations ont été déterminées analytiquement pour contenir 0, 0,17, 0,44, 0,66 et 0,76 mg/L de Ru. Ce protocole a également permis de distinguer les concentrations de Pt séquestré dans le chorion des larves par rapport au tissu du poisson zèbre. Cette méthodologie a permis de fournir des données fiables et robustes pour comparer l’activité pharmacocinétique et toxicocinétique entre un agent chimiothérapeutique bien établi et un nouveau composé. Cette méthode peut être appliquée à une large gamme de métaux et de composés à base de métaux.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole décrit ici a été mis en œuvre pour déterminer l’administration et l’absorption de médicaments anticancéreux à base de métal contenant du Pt ou du Ru. Bien que ces méthodes aient déjà été publiées, ce protocole traite de considérations et de détails importants pour adapter cette méthodologie à une gamme de composés. Le protocole de l’OCDE, associé à la digestion des tissus et à l’analyse ICPMS, nous a permis de déterminer que le PMC79 était plus puissant que le cisplatine et e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financement : NJAES-Rutgers NJ01201, NIEHS Training Grant T32-ES 007148, NIH-NIEHS P30 ES005022. De plus, Brittany Karas est soutenue par la bourse de formation T32NS115700 du NINDS, NIH. Les auteurs remercient Andreia Valente et la Fondation portugaise pour la science et la technologie (Fundação para a Ciência e Tecnologia, FCT; PTDC/QUI-QIN/28662/2017) pour la fourniture de 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).
