Поглощение дозы воздействия соединений на основе платины и рутения у рыбок данио с помощью масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы с более широким применением
Summary
Повышенная скорость фармако- и токсикокинетического анализа металлов и соединений на основе металлов у рыбок данио может быть полезна для экологических и клинических трансляционных исследований. Ограничение неизвестного поглощения воздействия воды было преодолено путем проведения анализа следов металлов на переваренной ткани рыбок данио с использованием масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы.
Abstract
Металлы и соединения на их основе содержат разнообразные фармакоактивные и токсикологические ксенобиотики. От токсичности тяжелых металлов до химиотерапии, токсикокинетика этих соединений имеет как историческое, так и современное значение. Рыбки данио стали привлекательным модельным организмом в выяснении фармако- и токсикокинетики в исследованиях воздействия окружающей среды и клинических трансляций. Хотя исследования рыбок данио имеют преимущество в том, что они имеют более высокую пропускную способность, чем модели грызунов, существует несколько существенных ограничений для модели.
Одно из таких ограничений присуще режиму дозирования на водной основе. Концентрации воды из этих исследований не могут быть экстраполированы для обеспечения надежных внутренних доз. Прямые измерения соединений на основе металлов позволяют лучше коррелировать с молекулярными и биологическими реакциями, связанными с соединениями. Чтобы преодолеть это ограничение для металлов и соединений на основе металлов, был разработан метод переваривания ткани личинок рыбок данио после воздействия и количественной оценки концентраций металлов в образцах тканей с помощью масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы (ICPMS).
Методы ICPMS были использованы для определения металлических концентраций платины (Pt) из цисплатина и рутения (Ru) из нескольких новых химиотерапевтических препаратов на основе Ru в ткани рыбок данио. Кроме того, этот протокол различал концентрации Pt, которые были изолированы в хорионе личинки по сравнению с тканью рыбки данио. Эти результаты показывают, что этот метод может быть применен для количественного определения дозы металла, присутствующего в тканях личинок. Кроме того, этот способ может быть скорректирован для идентификации конкретных металлов или соединений на основе металлов в широком диапазоне исследований воздействия и дозирования.
Introduction
Металлы и соединения на их основе по-прежнему имеют фармакологическое и токсикологическое значение. Распространенность воздействия тяжелых металлов и его влияние на здоровье экспоненциально увеличили научные исследования с 1960-х годов и достигли рекордно высокого уровня в 2021 году. Концентрации тяжелых металлов в питьевой воде, загрязнение воздуха и профессиональное воздействие превышают нормативные пределы во всем мире и остаются проблемой для мышьяка, кадмия, ртути, хрома, свинца и других металлов. Новые методы количественной оценки воздействия окружающей среды и анализа патологического развития по-прежнему пользуются большим спросом 1,2,3.
И наоборот, медицинская область использовала физико-химические свойства различных металлов для клинического лечения. Препараты на основе металлов или металлопрепараты имеют богатую историю лечебных целей и показали активность против целого ряда заболеваний, с наибольшим успехом в качестве химиотерапевтическихсредств 4. Самый известный из металлопрепаратов, цисплатин, является противоопухолевым препаратом на основе Pt, признанным Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) одним из основных лекарств в мире5. В 2010 году цисплатин и его производные Pt имели до 90% успеха при нескольких видах рака и использовались примерно в 50% схем химиотерапии 6,7,8. Хотя химиотерапевтические средства на основе Pt имели неопровержимый успех, токсичность, ограничивающая дозу, привела в движение исследования альтернативных препаратов на основе металлов с рафинированной биологической доставкой и активностью. Из этих альтернатив соединения на основе Ru стали самыми популярными 9,10,11,12.
Новые модели и методология необходимы, чтобы идти в ногу со скоростью потребности в фармако- и токсикокинетических исследованиях металлов. Модель рыбок данио находится на пересечении сложности и пропускной способности, являясь высокоплотным позвоночным с 70% сохраненной гомологией гена13. Эта модель была активом в фармакологии и токсикологии, с обширными скринингами для различных соединений для обнаружения свинца, идентификации мишеней и механистической активности 14,15,16,17. Тем не менее, высокопроизводительный скрининг химических веществ обычно зависит от воздействия воды. Учитывая, что поглощение может быть переменным в зависимости от физико-химических свойств соединения в растворе (т.е. фотодеградации, растворимости), это может быть основным ограничением корреляции дозы доставки и ответа.
Чтобы преодолеть это ограничение для сравнения дозы с более высокими позвоночными, была разработана методология анализа концентраций следов металлов в ткани личинок рыбок данио. Здесь кривые «доза-реакция» летальных и сублетальных конечных точек были оценены для цисплатина и новых противоопухолевых соединений на основе Ru. Летальность и задержка вылупления оценивались для номинальных концентраций 0, 3,75, 7,5, 15, 30 и 60 мг/л цисплатина. Накопление Pt в тканях организма было определено анализом ICPMS, и поглощение организмом соответствующих доз составило 0,05, 8,7, 23,5, 59,9, 193,2 и 461,9 нг (Pt) на организм. Кроме того, личинки рыбок данио подвергались воздействию 0, 3,1, 6,2, 9,2, 12,4 мг/л PMC79. Эти концентрации были аналитически определены как содержащие 0, 0,17, 0,44, 0,66 и 0,76 мг/л Ru. Этот протокол также позволил различать концентрации Pt, секвестрированного в хорионе личинок, по сравнению с тканью рыбок данио. Эта методология смогла предоставить надежные, надежные данные для сравнения фармако- и токсикокинетической активности между хорошо зарекомендовавшим себя химиотерапевтическим и новым соединением. Этот метод может быть применен к широкому спектру металлов и соединений на их основе.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол, описанный здесь, был реализован для определения доставки и поглощения противоопухолевых препаратов на основе металлов, содержащих либо Pt, либо Ru. Хотя эти методы уже были опубликованы, в этом протоколе обсуждаются важные соображения и детали для адаптации этой методологии дл…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование: NJAES-Rutgers NJ01201, грант NIEHS на обучение T32-ES 007148, NIH-NIEHS P30 ES005022. Кроме того, Бриттани Карас поддерживается грантом на обучение T32NS115700 от NINDS, NIH. Авторы выражают признательность Андрее Валенте и Португальскому фонду науки и техники (Fundação para a Ciência e Tecnologia, FCT; PTDC/QUI-QIN/28662/2017) на поставку 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).
