Metales en Medicina y su Aplicación en...

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1 B. ROSENBERG, L. VAN CAMP, T. KRIGAS (1965) Nature, 205, 698 - 699 CURSO QUÍMICA BIOINORGÁNICA UNAM Noviembre 12, 2012 [email protected] Metales en Medicina y su Aplicación en Diagnóstico y Terapia cis-Pt and related complexes; metallo drugs; MRI agents

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B. ROSENBERG, L. VAN CAMP, T.

KRIGAS (1965) Nature, 205, 698 - 699

CURSO QUÍMICA BIOINORGÁNICA

UNAM Noviembre 12, 2012

[email protected]

Metales en Medicina y su Aplicación en Diagnóstico y Terapia cis-Pt and related complexes; metallo drugs; MRI agents

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Metales y Vida: la Química de Coordinación de la

Naturaleza

“The application of metals to treat human ailments dates back at

least to the fifth century B.C., and the study and mimicry of

metals in biology is a vibrant subject today”…. Stephen Lippard, J Am Chem Soc (2010), 132, 141689-14693

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El cerebro es un órgano especializado que

concentra iones metálicos Bush (2000), Current Opinion in Chemical Biology, 4, 184-191

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Artículos que introducen

Orvig, Abrams (1999), Chem. Reviews, 99, 2201 - 2203

Guo and Sadler (1999), Angew. Chem. Int. Ed., 38, 1512 - 1531

Thompson, Orvig (2003), Science 300, 936 – 939

Frederickson, Koh, Bush (2005), NATURE REVIEWS, 6, 449 – 462

Que, Domaille, Chang (2008), Chem. Reviews, 108, 1517–1549

Cobb, Surewicz (2009), Biochemistry, 48, 2574–2585

Scott, Orvig (2009), Chem. Reviews, 109, 4885-4910

Sun, Tsang and Sun (2009) , METALLOMICS, 1, 25 -31

http://faculty.virginia.edu/metals/cases/east2.html

http://chemwiki.ucdavis.edu/xApproaches/ChemCases/Cisplatin%3A_The_Inve

ntion_of_an_Anticancer_Drug

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The elements/metals of life www.webelements.com

Ca: 1.2 kg

K: 150 g

Na: 70 g

Mg: 20-30 g

Essential

Transition Metals

Fe: 4.5 g

Zn: 2.3 g

Cu: 72 mg

Mo: 9 mg

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Transition metals (ions) are

under strict control within the

living cell; usually bound to

proteins, peptides, or other

molecules.

In CHEMISTRY we call this a

TRANSITION METAL COMPLEX 5

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Metals in Medicine H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Gd F-block: Uses in therapy : Pt anticancer drugs

Au antiarthritic drugs

Bi antiulcer drugs

Uses in diagnostics: “Barium meal” ; contrast agent for X-ray

99mTc: Radioimaging

Gd3+ complexes as MRI contrast agents

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Bertrand Diagram

Dose-Function Relationship

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Prokaryotes and Eukaryotes - cell structure

• Eukaryotes:

– All higher organisms, such

as plants and animals

– Fungi

– Algae

– ...

• Prokaryotes: Bacteria

– Usually unicellular, but

can be in larger assemblies

Nucleolus

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Metales en Medicina – Aplicaciones “Uno de los desafíos de diseñar medicinas basadas en el metal es equilibrar la

toxicidad potencial de una formulación activa con el impacto positivo sustancial

de estos recursos terapéuticos y diagnósticos cada vez más comunes” K.H. Thompson, C. Orvig (2003) Science 300, 936-939

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Cis-Platin and related complexes

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S.J. Lippard, MIT National Medal of Science, 2006

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Nuevo desarrollo – Complejos de Ruthenium

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DNA structure: The Double Helix

• Note major

and minor

grooves

http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/chemistry/organic.htm

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Superficie electrostática de ADN

Minor groove Major groove

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Bases y sus sitios de unión Metálicos

N N

NN

N

N N

NN

O

N

N

N

O

O

N

N

O

N

N

N

O

O

Adenine Thymine Uracil

Guanine Cytosine

7

7

3 3

3

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Gold Complexes - Arthritis

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Diagnosis with radioactive Technetium-99

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MRI – Magnetic Resonance Imaging http://www.howstuffworks.com/mri.htm

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This image shows a tumor growth in a

female's brain. MRI systems can

distinguish between blood flow and

tissue by using a contrast injection.

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Magnetic Resonance Imaging (MRI)

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Published in: Emily L. Que; Dylan W. Domaille; Christopher J. Chang; Chem. Rev. 2008, 108, 1517-1549.

DOI: 10.1021/cr078203u

Copyright © 2008 American Chemical Society 20

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MRI Contrast Agents

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MRI – Contrast Agents

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NO Imaging – Strategies M.D. Pluth, M.R. Chan, L.E. McQuade, S.J. Lippard (2011), Inorg. Chem., 50, 9385-9392

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In vivo NO Imaging by Fluorescence M.D. Pluth, M.R. Chan, L.E. McQuade, S.J. Lippard (2011), Inorg. Chem., 50, 9385-9392

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Cu/Fe Homeostasis

Link to Neurodegenerative diseases

• L. Gehrig‘s disease/SOD (McCabe et al., PNAS, 1995; Amyotrophic Lateral Sclerosis)

• Fe uptake (Stearman et al., Science, 1996)

• Alzheimer‘s disease (Multhaup et al., Science, 1996)

• Cu transport in cells (J. Selverstone Valentine et al., Science, 1997)

• Cu binding to prion proteins (D.R. Brown et al., Nature, 1997)

• Cu chaperone for SOD (Rae et al., Science, 1999; Harrison et al., TIBS, 2000)

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Cu trafficking in cells (Cu(I) is transported)

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Un modelo esquemático para Zn(2+) neuronal homeostasis List of abbreviations: AMPAR-C, AMPA receptor-gated channel; MT3, metallothionein-3; Na/Ca Ex, Na +/Ca 2+

exchanger; NMDAR-C, NMDA receptor-gated channel; VGCC, voltage-gated calcium channel; Vglut1, vesicular

glutamate transporter-1; ZIP, zrt/irt-like proteins; ZnT, zinc transporter protein.

Published in: Emily L. Que; Dylan W. Domaille; Christopher J. Chang; Chem. Rev. 2008, 108, 1517-1549.

DOI: 10.1021/cr078203u

Copyright © 2008 American Chemical Society 27

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Alzheimer‘s – Aß Protein Plaque

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Location of Aβ1−42 region within the larger transmembrane protein APP. Cu2+ binding sites both on APP and within the

Aβ1−42 fragment are indicated, and putative Cu2+-binding residues within Aβ1−42 are highlighted. Adapted with permission

from Wiley-Blackwell Publishing, ref 94, copyright 2005.

Published in: Lauren E. Scott; Chris Orvig; Chem. Rev. 2009, 109, 4885-4910.

DOI: 10.1021/cr9000176

Copyright © 2009 American Chemical Society 29

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Sensing Cu(1+) and Cu(2+) E.L. Que, D.W. Domaille, C.J. Chang (2008), Chem. Reviews, 108, 1517-1549

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Biological Chelate: Siderophores

Extremely stable complex of Enterobactin/Fe3+ K~ 1049

Release of Fe through a) degradation of ligand, or b) protonation

and reduction to Fe2+ which binds much weaker to the siderophore.

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A selection of pyridoxal isonicotinoyl hydrazone (PIH)

derivatives demonstrating good Fe removal and low toxicity

Published in: Lauren E. Scott; Chris Orvig; Chem. Rev. 2009, 109, 4885-4910.

DOI: 10.1021/cr9000176

Copyright © 2009 American Chemical Society

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Desferrithiocin and deferitrin, orally active Fe3+ chelators

Published in: Lauren E. Scott; Chris Orvig; Chem. Rev. 2009, 109, 4885-4910.

DOI: 10.1021/cr9000176

Copyright © 2009 American Chemical Society

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Metales en Medicina - Una Área de investigación

importante para Químicos Inorgánicos

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