Handout, bedoeld voor eigen gebruik en website Science-café, Leiden
ZWARE METALEN
Associaties bij het horen van de woorden “Zware metalen”
Milieuprobleem, gif, of van nut in geneesmiddelen?
Overzicht presentatie • Metalen zijn cruciaal in biologie en medische toepassingen. • Metalen in geneesmiddelen. • Cisplatina: het meest verkochte antikankermiddel. • Hoe werkt Cisplatina? DNA binding! • Nieuwe Platina-geneesmiddelen.
Jan Reedijk Leiden Institute of Chemistry
• “Giftig, Gevaarlijk en milieuvervuilend” en NIET met:
Science-Café Leiden, 21-5-13 LIC
1
LIC
• Gezondheid, essentieel voor het leven, geneesmiddel 2
LIC
Wat is het leven zonder (zware) metalen?
Wat is een metaal?
Om welke metalen gaat het?
• • • •
Wat is een zwaar metaal? Zijn metalen altijd giftig? Zijn metalen nuttig, en waarvoor? Zijn metalen nodig voor het leven op aarde? • Zijn metalen duur?
LIC
3
• Essentiële Spoorelementen: IJzer, Zink, Koper, Mangaan, Kobalt • Giftige Elementen: Cadmium, Kwik, Lood, Thallium • Giftige Elementen met een genezende werking: Goud, Platina, Bismut, Zilver, Arseen 4
LIC
5
LIC
6
Bertrand-diagram (1912):
Mineralen in ons lichaam en voedsel
Well being of organism
Te weinig is niet goed; te veel ook niet!
LIC
Metaal Ca Mg Fe Zn Cu Mn
Optimale gebied
concentratie
7
LIC
mg in lichaam
opname mg/dag
1 kg 40 g 4500 2000 100 20
>500 >200 10-20 12 2 3
Enkele vragen vooraf: • Wat is het eenvoudigste geneesmiddel? Water, alcohol, aspirine?
• Hoeveel mensen overlijden per jaar in Nederland? • Hoeveel daarvan door een ziekte? • Hoeveel daarvan door kanker? 8
LIC
9
Chemie voor beginners
Voorbeelden van Metalen in Geneesmiddelen • • • • • • •
Goud bij reumabehandeling Bismutzouten tegen maagzweren Zilverzouten tegen brandwonden Lithiumzouten tegen manische depressie Platina-complexen in tumorbehandeling Andere toepassingen: Gadolinium-complexen en Technetiumcomplexen in scannen van o.a. tumoren
LIC
10
111In-dtpa
Li2CO3 manic depression
153Sm
67Ga-citrate for diagnosis
for brain imaging for pain relieve in bone cancer Gd-bopta for MRI imaging
Metalen hebben altijd liganden!! (L)
• Moleculen plakken aan elkaar, of reageren met elkaar (attractie). • Voorbeelden: - vloeibaar water, ijs - geneesmiddel in een lichaamscel, - betonharding, autolak, drogen verf - verbranden van benzine - celdeling in biologie - werking van een antikanker-middel: cisplatina op DNA LIC
11
• In oplossing: bijv. watermoleculen • In cellen: bijv. eiwitgroepen, chlorideionen, DNA • Structuur hangt af van: grootte metaalionen, grootte van de liganden; elektronen-eigenschappen; meestal symmetrisch maar soms niet LIC
Wie weet wat het drankje goldwasser is?
Een zilververbinding als beschermer van een open huid bij brandwonden
Ag salts for
• • • •
skin protection
99mTc-
cardiolite for hart scan
Auranofin for arthritis
Bi-citrate for ulcer healing
Carboplatin and cisplatin for anticancer
BaSO4 as a contrast agent for X-ray scan
LIC
13
12
LIC
14
Wat zit er in? Kun je het drinken? Is het gevaarlijk? Is het gezond en zo ja, hoe werkt het dan?
LIC
15
Gadolinium: contrast-agens in MRI
Bismut-citraten als maagzweerbestrijders
Goud in Geneeskunde • • • •
tuberculosebehandeling (Koch) verlichting gewrichtspijn (Lande) rheumatoide arthritis (Forestier) genezing rheumatoide arthritis (Hartfall) • 1945-60: dubbel blinde studies bewijzen dat er een echt effect is (40% positief) • 1980: oraal goud (pil): auranofin (Ridaura) LIC
1890: 1927: 1930: 1937:
16
LIC
Basis: waterprotonen bij Gd-magneet
• Colloïdaal Ammonium-bismut-citraat (CBS) is al lang bekend als bruikbaar middel tegen maagzweren. • Men dacht dat het een beschermend laagje gaf op de binnenwand van de maag. • Ondertussen weten we dat de bismutverbinding een antibioticum is (tegen helicobacter pylori).
Vereist: Een hele sterke magneet (Gd-ion), gebonden aan groepen die een verstoring (ontsteking, kanker) opzoeken.
17
LIC
Watermoleculen op die plaats binden aan het Gadolinium, en worden magnetisch verstoord. Dit is te meten met magnetische relaxatie van de waterprotonen (NMR).
18
Koperen armbanden: Chemie of een placebo-effect?
De koperen armband Voor de bestrijding van reuma of verlichting van reumatische pijn
• Zweet en zuurstof kunnen een klein beetje koper oplossen en bekende species vormen, zoals [(amine)2Cu(OH)2Cu(amine)2]2+ • Zulke stoffen kunnen via de huid in de bloedbaan komen en een zogenaamde “antiarthritic”-activiteit vertonen (zoals bekend is van koperverbindingen). • ECHTER: Aluminium-armbanden die in een koperkleur geverfd waren, bleken ook te werken!
• Is er een chemische verklaring voor? • Of is het suggestie? LIC
19
LIC
Platina-verbindingen als kanker-geneesmiddelen
20
Twee verbindingen bekend sedert 1845
• Eenvoudige platinaverbindingen blijken anti-kankeractiviteit te vertonen • Formule o.a. cis-PtCl2(NH3)2 • Ze binden aan DNA op speciale plaats • Daardoor kan de tumorcel zich niet meer delen • Normale cellen kunnen de Pt-schade verwijderen LIC
Kanker-chemotherapie
Pt
NH3
NH3
cisplatin
22
Cl
Pt
Statistische Informatie
Cl
NH3
transplatin
LIC
21
• Per jaar in NL: 180000 doden, waarvan 25% aan kanker (meest ouderen) • De helft van de nieuwe kankerpatiënten (60000/jaar in NL) krijgt chemotherapie • 35% van hen krijgt cisplatina als behandeling (meestal injecties; ca. 250 mg Pt) • Cisplatina kan leiden tot meer dan 70% genezing; sommige tumoren boven 90%
NH3
Cl Cl
LIC
23
LIC
Hoe het begon met Pt
24
E.coli-bacteriën, daglicht en elektrische stroom Pt-elektroden
• Rosenberg (biofysicus) deed een experiment met bacteriën in een elektrisch veld • Hij dacht de celdeling te kunnen beïnvloeden • Experiment pakte verkeerd uit
Oplossing van NH4Cl
Celdeling en splitsing van chromosomen LIC
25
LIC
26
LIC
27
Historisch experiment: Spaghetti-vormende E.coli gevonden, door Rosenberg
Cisplatina, de meest verkochte antikankerverbinding
Storende bijverschijnselen van cisplatina-behandeling
• • • •
In gebruik sedert 1979 Grote uitbreiding vanaf 1990 Verkoopcijfers USA 2003: 850 M$ Bijverschijnselen van cisplatina en resistentie-ontwikkeling, hebben geleid tot nieuwe verbindingen(2e en 3e generatie). • In 2012: 50% van alle chemotherapie bevat (ook) platinaverbindingen.
1926-2009
• • • •
Misselijkheid/overgeven Nieraantasting (is nu goed te bestrijden) Doofheid Beenmergaantasting
• Soms ontwikkeling van resistentie • Dus: zoeken naar derivaten!
LIC
28
LIC
29
Vragen vanuit de Chemie • • • • • • •
31
LIC
O
Oral Drugs 1997
Injection Pt Rescue agent
Cl
Cl
generation: Changing chlorides
O
NH2
O O
Pt
NH3
NH3
O
O
O
O
Pt
Apoptosis
diuretic Kidney (toxicity)
LIVER
NH2
CELL NUCLEUS DNA binding HMG binding
Farmaceutische industrie: targeting voor speciale tumoren
Excretion: 50% < 48hrs; rest < 2months LIC
Academische research: Nieuwe Pt-verbindingen
p53 active
32
Andere metalen, zoals Ru en Au; meerdere metalen in een verbinding
LIC
Waarom binding aan DNA?
33
Dubbelstrengs DNA
• Metalen zijn (een beetje) positief.
• Bindingsplaatsen voor metalen zijn: • O-atomen (rood) voor harde metalen • N-atomen (blauw) voor “zachtere” metalen
• DNA is negatief geladen. • Dus trekken ze elkaar aan.
TESTS
Pt
NH3 Second
Third generation: Changing amines
Pt enters all cells Some Pt expelled
Transport
Hoofdproblemen: Bijwerkingen en Resistentie-ontwikkeling
Mechanistische Research
Historische ontwikkeling 3 Pt drugs H3N
Cisplatina-Research
EVALUATIE
30
Transport of Pt in the body
Begrijpen dat cis actief is en trans niet? Zijn analoga te maken die beter zijn? Zijn de bijverschijnselen te begrijpen? Wat gebeurt er met cisplatina in bloed? Kan het ook als pil worden toegediend? Hoe komt cisplatina in (tumor)cellen? Waarom gaan tumorcellen dood en gezonde cellen (vrijwel) niet?
LIC
LIC
• Ook de ruimtelijke vorm en voorkeur van bepaalde atomen voor andere speelt een rol.
NEW DRUGS
34
LIC
35
LIC
36
NH2
1
HO
N
5'
H
O 2'
H H
O
H3C
P
Na+
H3N N
H O Pt H
H H
Na+
O
O
HN H
N
O-
O
5'
N
A
sugar
H
N
N
H
1NH
7
H 3' H
7
3
N
N
NH2
3
NH2
N
G
sugar
LIC
40
2' H
O
H
P
O-
O
5'
N
H
H 3'
2'H
OH
H
H3 N
G
Cl
H
H
38
LIC
Cl
39
Aanpak onderzoek werking van cisplatina
LIC
• • • • •
Neem een klein stukje synthetisch DNA Bind het cisplatina hieraan Bestudeer bindingsproces en kinetiek Bestudeer structuur van de "adducten" Vertaal structuurinformatie naar DNAstructuur in gezonde en tumorcellen: computermodellen; theorie • Bestudeer binding aan DNA in cellen 41
LIC
42
Cisplatina aan GG in een oligonucleotide
G-N7 H3N
+
Pt
3
3
N
A
O H
3
1N
7
N
Meest frequente chelatie op DNA
H3N
7
NH2
O
O
Pijlen wijzen naar de bindingsplaatsen voor G zware metalen
• Hoe komt het platina bij het DNA? • Waar bindt het cisplatina precies aan het DNA? [Voorkeur voor G-base] • Kan het er cisplatina er ook weer af? • Wat gebeurt er met de DNA-structuur na de binding van het platina? • Hoe leidt dit tot celdood van tumorcel?
1NH
7
3
N
H H
N
H
P
O
H
Nucleïnezuurbasen en baseparen: N7 is altijd vrij; N3 is sterisch gehinderd
Binding aan DNA van cisplatina
O
1N
7
N
2'
O
d(CpTpGpA)
LIC
O
5'
H 3'
H
H O Pt H
T
1
OO
H
37
H
NH
H N
O
Na+
H3N
Single-stranded DNA-anion met natrium-ionen;
O
O H 3'
• Onderscheid: 2 soorten metalen: hard en zacht • Harde metalen (class A): fosfaat en aan O-atomen van de base • Zware metalen zoals Pt (zacht, class B): aan N-atomen van de base.
LIC
C
N
Waar binden de metalen op het DNA?
H3N
Pt
Pt
G-N7
G
Cisplatin
LIC
43
LIC
44
LIC
45
[Cl-]=104 mM
Hypothese voor het werkingsmechanisme van cisPt • Cisplatina bindt aan DNA op een heel specifieke plaats: N7-posities van twee naast elkaar gelegen guanine-basen. • De resulterende verstoring van het DNA is vrij klein (knik); replicatie van geplatineerd DNA in cellen is niet mogelijk. • De verstoring wordt in sommige (tumor)cellen niet herkend. • In andere (gezonde, resistente) cellen wordt de schade wel herkend (en verwijderd). LIC
46
Cl Cl OH2 Cl Pt NH3 Cl Pt NH3 Cl Pt NH3 NH3 NH3 NH3 CTR1 hydrolysis cisplatin reaction with
Grote uitdagingen in het onderzoek van Cisplatina [Cl-]=5 mM
• Hoe passeert het cisplatina de cellulaire membranen? • Hoe reageert het in het cytoplasma met zoveel platinofiele liganden in de buurt? Waar blijft het na reactie? • Hoe gaat het om met DNA repair in (bepaalde) cellen?
S donor
SL Cl Pt NH3 NH3
Golgi “Pt” Pt excretion
nucleus
DNA binding protein No DNA repair: cell death
Repaired DNA
N N Pt
L
L
Kinked DNA
LIC
47
LIC
Kunnen we nieuwe Pt verbindingen ontwerpen die:
Waarom zoeken we nog naar nieuwe Pt verbindingen??
48
Crystal structure of a triazole bis-Pt complex
• 1) crosslinks in DNA geven, en 2) Het DNA nauwelijks verstoren?
• Reduceren bijwerkingen • Betere effectiviteit (voor bepaalde tumoren) • Betere kinetiek in het lichaam • Vermijden van resistentie • Genezen van Pt-ongevoelige tumoren
• Ja: Dinucleaire Pt-verbindingen met een stevige brug! Seiji Komeda, promotieonderzoek, Leiden.
LIC
49
LIC
Twee platinaatomen samen binden beter aan het DNA, met kleine knik
50
Potentieel probleem met Anorganische Geneesmiddelen
LIC
Pt2+
• Dus kan een milieuprobleem ontstaan
52
LIC
51
Slotopmerkingen
• Organische geneesmiddel breken af tot CO2, water, ammonia, sulfaat of fosfaat • Metaal-ionen als zodanig zijn nietafbreekbaar 2
LIC
53
• Metaalionen zijn een fantastisch studieonderwerp in de Chemie, Farmacie en Life Sciences. • Metalen reguleren en controleren de meeste biologische processen. • Metaal-verbindingen kunnen succesvol worden ontworpen en toegepast in de geneeskunde; vooral platina-verbindingen zijn erg belangrijk. LIC
54
