Published 2023 | Version v1
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Liposomal binding of lead, mercury, cadmium, gadolinium and copper and their effect on the toxicity of heavy metals in a cell culture model

Description

Toxic heavy metals are mainly released into the environment by human industrial activities. Both acute heavy metal poisoning and chronic heavy metal accumulation continue to increase and jeopardise human health. Therapeutically used chelators, such as D-penicillamine, are a less effective therapy with many side effects. In principle, toxins can also be removed from the human organism by extracorporeal procedures such as dialysis and apheresis. Mathematical modelling at the Institute of Clinical Chemistry at the University of Freiburg has shown that the use of heavy metal-binding liposomes with their subsequent removal by lipid apheresis could lead to a significant reduction in the heavy metal load in plasma and tissues such as the liver, brain and kidneys. In this work, the binding of the heavy metals Pb2+, Hg2+, Cd2+, Gd3+ and Cu2+ to differently functionalized liposomes was investigated by fluorimetric heavy metal concentration measurements with rhodamine 5N and calcein. The liposomal binding of essential ions was quantified by concentration measurements in human serum. To evaluate heavy metal binding in HepG2 cell culture, the viability was analysed by MTT tests and the impairment of cellular metabolism and cellular oxidative stress by fluorescent resorufin. The liposomes analysed had different potential binding groups with free electron pairs such as amino, thiol, hydroxy and glutaryl groups or covalently bound chelators and were compared with a neutral liposome as a control. The control liposomes bound 0-5.5 mol% of the ions used. The liposomes with chelator molecules such as DTPA (heavy metal binding of 86.9 - 100 mol%) and NTA (heavy metal binding of 83 - 100 mol%) showed the highest heavy metal affinity. Even after modification of the chelator liposomes to extend their half-life in vivo, they retained their high heavy metal affinity and reached maximum heavy metal binding at 21 and 176μM Hg2+. These concentrations are well above the concentrations expected in poisoning. The functionalized liposomes showed a very low affinity to other essential ions and led to a slight reduction in their concentration of 0-5% in serum samples. In cell culture, evidence of positive effects of liposomes could be observed by reducing heavy metal toxicity and decreasing metabolic disorders and oxidative stress. This work proves that functionalized liposomes can bind heavy metals with high affinity. In vitro, some evidence for the reduction of heavy metal toxicity by liposomal treatment was found. The therapeutic use of functionalized liposomes to reduce the heavy metal load in vivo should therefore be further investigated as a promising new therapeutic approach.

Abstract (German)

Toxische Schwermetalle werden hauptsächlich durch die industriellen Aktivitäten der Menschen in die Umwelt freigesetzt. Sowohl die akute Schwermetallvergiftung, als auch die chronische Schwermetallakkumulation nehmen weiterhin zu und gefährden die menschliche Gesundheit. Therapeutisch eingesetzte Chelatoren, wie D-Penicillamin, stellen eine wenig effektive und nebenwirkungsreiche Therapie dar. Grundsätzlich können Toxine auch durch extrakorporale Verfahren wie Dialyse und Apherese aus dem menschlichen Organismus entfernt werden. Durch eine mathematische Modellierung konnte am Institut für Klinische Chemie der Universität Freiburg gezeigt werden, dass der Einsatz schwermetallbindender Liposomen mit ihrer anschließenden Entfernung durch Lipidapherese zur signifikanten Reduktion der Schwermetalllast in Plasma und Geweben wie Leber, Gehirn und Niere führen könnte. In dieser Arbeit wurde die Bindung der Schwermetalle Pb2+, Hg2+, Cd2+, Gd3+ und Cu2+ an unterschiedlich funktionalisierte Liposomen durch fluorimetrische Schwermetall-Konzentrationsmessungen mit Rhodamin 5N und Calcein untersucht. Die liposomale Bindung von essentiellen Ionen wurde durch Konzentrationsmessungen in humanem Serum quantifiziert. Zur Evaluation der Schwermetallbindung in HepG2-Zellkultur wurde mittels MTT-Tests die Viabilität und durch fluoreszierendes Resorufin die Beeinträchtigung des zellulären Stoffwechsels und der zelluläre oxidative Stress untersucht. Die untersuchten Liposomen wiesen unterschiedliche potentielle Bindungsgruppen mit freien Elektronenpaaren wie Amino-, Thiol-, Hydroxy- und Glutarylgruppen oder kovalent gebundene Chelatoren auf und wurden einem neutralen Liposom zur Kontrolle gegenübergestellt. Die Kontrollliposomen banden 0-5,5 Mol% der eingesetzten Ionen. Die höchste Schwermetallaffinität zeigten die Liposomen mit Chelatormolekülen wie DTPA (Schwermetallbindung von 86,9 – 100 Mol%) und NTA (Schwermetallbindung von 83 – 100 Mol%). Auch nach Modifikationen der Chelator-Liposomen zur Verlängerung ihrer Halbwertszeit in vivo behielten sie ihre hohe Schwermetallaffinität und erreichten bei 21 und 176μM Hg2+ die maximale Schwermetallbindung. Diese Konzentrationen liegen deutlich über den bei Vergiftung erwarteten Konzentrationen. Die funktionalisierten Liposomen zeigten eine sehr geringe Affinität zu anderen essentiellen Ionen und führten zu einer geringen Senkung ihrer Konzentration von 0-5 % in Serumproben. In Zellkultur konnten Hinweise auf positive Effekte der Liposomen durch Senkung der Schwermetalltoxizität und Verringerung der Stoffwechselstörungen bzw. des oxidativen Stresses beobachtet werden. Diese Arbeit beweist, dass funktionalisierte Liposomen Schwermetalle hoch affin binden können. In vitro wurden einige Hinweise für die Reduktion der Schwermetalltoxizität durch liposomale Behandlung gefunden. Ein therapeutischer Einsatz von funktionalisierten Liposomen zur Senkung der Schwermetalllast in vivo sollte somit als vielversprechender neuer Therapieansatz weiter untersucht werden.

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Original title (German)
Liposomale Bindung von Blei, Quecksilber, Cadmium, Gadolinium und Kupfer und ihre Auswirkung auf die Toxizität der Schwermetalle im Zellkulturmodell

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Publishing Information

Imprint Pagination
125 p.
Report number
INIS-DE--4507
University
University of Freiburg
Degree
PhD