pmid: "24470091"
title: "Vanádio. Seu papel para os humanos."
authors: "Rehder D"
journal: "Metal ions in life sciences"
pubdate: "2013"
doi: "10.1007/978-94-007-7500-8_5"
source: "PMC Full Text"
Vanádio. Seu papel para os humanos.
Autores
Rehder D
Periodico
Metal ions in life sciences (2013)
Conteudo
Vanádio. Seu Papel para os Humanos
O vanádio é o 21º elemento mais abundante na crosta terrestre e o segundo metal de transição mais abundante na água do mar. O elemento é onipresente também em águas doces e nutrientes. A carga corporal média de um indivíduo humano é de 1 mg. A onipresença do vanádio dificulta as avaliações direcionadas à sua essencialidade. No entanto, uma vez que o vanadato pode ser considerado um modelo próximo do fosfato em relação à sua estrutura, o vanadato provavelmente assume uma função reguladora em processos metabólicos dependentes de fosfato. Em concentrações comuns, o vanádio não é tóxico. A principal fonte de efeitos potencialmente tóxicos causados pelo vanádio é a exposição a altas cargas de óxidos de vanádio no ar respirável de empresas industriais de processamento de vanádio. O vanádio pode entrar no corpo pelos pulmões ou, mais comumente, pelo estômago. A maior parte do vanádio dietético é excretada. A quantidade de vanádio reabsorvida no trato gastrointestinal é função do seu estado de oxidação (VV ou VIV) e do ambiente de coordenação. Os compostos de vanádio que entram na corrente sanguínea são submetidos à especiação. As espécies predominantes de vanádio no sangue são o vanadato e o vanadil ligados à transferrina. A partir da corrente sanguínea, o vanádio é distribuído para os tecidos do corpo e ossos. Os ossos atuam como reservatório de armazenamento de vanadato. A química aquosa do vanádio(V) em concentração <10 μM é dominada pelo vanadato. Em concentrações mais altas, surgem oligovanadatos, em particular o decavanadato, que é termodinamicamente estável na faixa de pH 2,3–6,3 e pode ser ainda mais estabilizado em pH mais alto por interação com proteínas.
A similaridade entre vanadato e fosfato é responsável pela interação entre vanadato e enzimas dependentes de fosfato: as fosfatases podem ser inibidas, as quinases ativadas. No que diz respeito às aplicações medicinais de compostos de vanádio, o modo de ação do vanádio parece estar relacionado ao antagonismo fosfato-vanadato, à interação direta de compostos de vanádio ou fragmentos destes com o DNA e à contribuição do vanádio para um nível tecidual equilibrado de espécies reativas de oxigênio. Até o momento, os compostos de vanádio ainda não obtiveram aprovação para aplicações medicinais. O efeito antidiabético (potencializador de insulina), no entanto, de um complexo singular de vanádio, o bis(etilmaltolato)oxidovanádio(IV) (BEOV), revelou resultados encorajadores em testes clínicos de fase IIa. Além disso, estudos in vitro com culturas de células e parasitas, bem como estudos in vivo com animais, revelaram um amplo espectro potencial para a aplicação de compostos de coordenação de vanádio no tratamento de distúrbios cardíacos e neuronais, tumores malignos, infecções virais e bacterianas (como gripe, HIV e tuberculose) e doenças tropicais causadas por parasitas, por exemplo, doença de Chagas, leishmaniose e amebíase.
Vanádio é um elemento versátil e onipresente que pode atingir os estados de oxidação –III a +V. Vanádio de baixa valência é estabilizado por ligantes fortemente π-aceptores, monóxido de carbono em particular, e vanádio de alta valência por doadores σ e π representados por ligantes funcionais duros de oxigênio e nitrogênio. Ligantes macios, como os tiofuncionais, são encontrados predominantemente em compostos de vanádio com vanádio em estados de oxidação intermediários. A vanádio nitrogenase é um exemplo de um composto de vanádio de ocorrência natural onde o vanádio alterna entre os estados de oxidação +II e +IV: Na vanádio nitrogenase de bactérias fixadoras de nitrogênio, como Azotobacter, o vanádio – um constituinte integral do aglomerado M Fe7VS9 – está coordenado a três sulfetos, uma histidina-N e duas funções oxigênio do homocitrato. Vanádio(III) coordenado a moléculas de água está presente nos vanadócitos de ascídias. Os estados de oxidação +IV e +V, que são de longe os predominantes em sistemas de vanádio fisiologicamente relevantes, tipicamente contêm o 'núcleo' VIVO2+, VVO3+ ou VVO2+, embora existam exceções. Um exemplo de um complexo de vanádio(IV) 'nu' é a amavadina de ocorrência natural, onde V4+ é coordenado a dois ligantes tetradentados N-oxiimino-2,2'-dipropionato. A amavadina é encontrada em cogumelos pertencentes ao gênero Amanita, como o agárico-mosca. O núcleo oxidovanádio(V) está presente em haloperoxidases dependentes de vanadato de, entre outras, algas marinhas, com vanadato H2VO4− ligado coordenativamente a uma histidina-N do centro ativo.
Até o momento, haloperoxidases dependentes de vanadato e vanádio nitrogenases permanecem as únicas enzimas baseadas em vanádio de ocorrência natural identificadas. Se o vanádio é ou não um elemento essencial para organismos evolutivamente mais jovens, incluindo vertebrados, ainda precisa ser verificado. Um papel funcional de compostos simples de vanádio (vanadato em particular) em vertebrados, e, portanto, também em humanos, é provável, uma suposição baseada na similaridade entre vanadato e fosfato. Neste contexto, as haloperoxidases dependentes de vanadato são de particular interesse, pois mimetizam, ou modelam, enzimas envolvidas no metabolismo do fosfato, onde o domínio de ligação proteica para fosfato é bloqueado pelo vanadato.
O comportamento competitivo do vanadato em relação ao fosfato é provavelmente também a chave para o potencial insulinomimético/insulinopotenciador dos compostos de vanádio e, portanto, para o aumento no desenvolvimento de complexos de vanádio antidiabéticos nas últimas duas décadas. Esses desenvolvimentos promissores também iniciaram pesquisas voltadas ao desenvolvimento de complexos de vanádio biologicamente ativos na busca do controle farmacológico do câncer, de desequilíbrios cardiovasculares e de doenças causadas por vírus, bactérias, amebas e parasitas protozoários flagelados. Em vários casos, foram empregados ligantes relacionados a fármacos farmacologicamente aplicados originalmente, com o objetivo de aumentar a eficácia do fármaco e ampliar o espectro de uso terapêutico, explorando o efeito cooperativo do metal e do ligante. A pesquisa sobre essas aplicações medicinais inclui alternativas funcionais ao antagonismo fosfato-vanadato, por exemplo, a interação direta do composto de vanádio com o DNA de uma célula tumoral ou do patógeno.
O amplo potencial medicinal do vanádio será abordado na Seção 4 deste capítulo. A Seção 2.1 é dedicada à distribuição e especiação do vanádio na natureza e, portanto, à sua disponibilidade, potencial inalienabilidade e toxicidade ocasional para humanos. A Seção 2.2 aborda a reabsorção, especiação na corrente sanguínea e no citosol, distribuição tecidual e excreção do vanádio no corpo humano e, portanto, as vias do vanádio comumente referidas como farmacocinética e farmacodinâmica. Dada a importância das semelhanças (e, até certo ponto, também das diferenças) entre vanadato e fosfato para a potencialidade do vanádio em questões tanto tóxicas quanto benéficas (como função regulatória e aplicações medicinais), uma seção extra, a Seção 3, é dedicada ao antagonismo vanadato-fosfato.
Distribuição e Ciclagem do Vanádio
Vanádio na Natureza
(a) O composto de vanádio porfinogênico oxidovanádio(IV)-deoxifiloeritrina do petróleo bruto. (b) Amavadin, presente no cogumelo-mosca (Amanita muscaria), é um composto de vanádio não óxido contendo o ligante (S,S)-N-oxiimino-2,2′-diisopropionato(3–).
A crosta terrestre, incluindo a aqua e a atmosfera, contém ≈130 ppm (em massa) de vanádio, tornando o vanádio o 21º elemento mais abundante na esfera mais externa do nosso planeta. A abundância de vanádio na crosta terrestre excede, portanto, sua ocorrência no Universo (≈1 ppm) e no Sol (≈ 0,4 ppm) em cerca de duas ordens de grandeza. Áreas vulcânicas com camadas basálticas são particularmente ricas em vanádio, assim como o carvão mineral (até 0,34%) e alguns xistos betuminosos e petróleo bruto. O petróleo bruto venezuelano pode conter até 0,12% de V, principalmente na forma de porfirinas de oxidovanádio(IV) (Figura 1a). Os íons VO2+ são fortemente complexados por porfirinas e quelantes relacionados, e o enriquecimento do petróleo bruto com vanádio se deve à sua extração de rochas portadoras de vanádio por porfirinas presentes no petróleo que atravessou camadas rochosas. A liberação natural de vanádio decorre principalmente do intemperismo de rochas contendo vanádio e da erosão do solo.
As concentrações de vanádio na água do mar e na água doce são de cerca de 30 nM. Nas condições oxidantes prevalecentes e pH aproximadamente neutro a ligeiramente alcalino, o vanadato(V) solúvel, H2VO4−, é a espécie dominante. A alta concentração de Na+ na água do mar implica na formação de pares iônicos Na+[H2VO4−]. Em condições não oxidantes, o hidróxido de oxidovanádio(IV) pouco solúvel "VO(OH)2" é gerado, transportado na água na forma de coloides e absorvido por sedimentos particulados flutuantes, ou solubilizado por ligantes complexantes.
O vanádio é o segundo metal de transição mais abundante na água do mar, superado apenas pelo molibdênio (MoO42−, c = 100 nM). A concentração nanomolar exclui a formação de vanadatos de maior nuclearidade, que de outra forma seriam típicos para vanadatos (ver abaixo). As concentrações de vanadato na água potável são de cerca de 10 nM. Em áreas vulcânicas com camadas de basalto, a concentração de vanádio na água subterrânea e, consequentemente, também na água potável, pode chegar a 2,5 μM. Onde a água potável é fornecida através de sistemas de tubulações de chumbo, o vanadato é removido pela formação de depósitos de vanadinita pouco solúvel, PbCl2⋅3Pb3[VO4]2. Uma diminuição do pH e um aumento da concentração de fosfato (por exemplo, pela adição de inibidores de corrosão à base de fosfato à água potável) podem re-mobilizar o vanadato (eqs. 1 e 2) e, assim, eventualmente aumentar as concentrações de vanadato para além de um nível tolerável.
Vanadinita é um mineral comum contendo vanádio no estado de oxidação +V. A primeira descoberta do vanádio pelo mineralogista espanhol Manuel del Río y Fernández em 1801 remonta a esse mineral. Minerais à base de vanádio são, de outra forma, comparativamente raros, ou seja, a maior parte do vanádio na crosta terrestre está dispersa em outros minerais, rochas e sedimentos. Exemplos de minerais definidos com vanádio em estados de oxidação diferentes de +V são minasragrita, VOSO4⋅5H2O, e patronita, V(S2)2, com vanádio(IV), e karelianita, V2O3, com vanádio(III). Note que, sob condições óxicas, apenas os estados de oxidação +V e, em certa medida, também +IV são estáveis. Vanádio(II) foi encontrado em forsterita (Mg2SiO4) e enstatita (MgSiO3) em côndrulos de meteoritos como o meteorito Vigarano. Aqui, V2+ pode ocupar parcialmente sítios de Mg2+ e Ca2+.
Teores elevados de vanádio são encontrados em várias ascídias (ascídias), em vermes-leque e em cogumelos Amanita, como o agárico-mosca. Em ascídias, as concentrações de vanádio em células sanguíneas especializadas, onde a forma predominante de vanádio é [VIII(H2O)5HSO4]2+, podem chegar a 0,3 M. A concentração de vanádio no agárico-mosca excede a de outras plantas por um fator de 10². No agárico-mosca, também conhecido como cogumelo-dos-sapos, o vanádio está presente como amavadina, um complexo não-oxo de VIV de baixa massa molecular (Figura 1b).
Os teores de vanádio nos alimentos têm média de 30 μg kg–1, a ingestão diária por meio de alimentos e bebidas é de 10 μg a 2 mg, sendo que apenas uma minúscula proporção é absorvida. O pool corporal de um ser humano médio (70 kg de massa corporal) é de cerca de 1 mg de V, e a concentração média no plasma sanguíneo é de 45 nM. A ingestão oral de vanádio é um pouco maior para esportistas e fisiculturistas que recorrem a preparações contendo VOSO4. Esse 'combustível de vanadil' supostamente ajuda a aumentar a massa muscular. Como quase todo o vanádio é excretado na forma de VO(OH)2 insolúvel antes da absorção, danos potenciais devido ao excesso de vanádio provavelmente não ocorrerão.
Ainda outra fonte – e mais crítica – de ingestão de vanádio é o ar respirável em áreas urbanas e industrializadas. O vanádio, na forma de óxidos de vanádio(IV) e vanádio(V), VOx, está presente no ar em forma particulada ou adsorvido a partículas minúsculas de poeira e aerossóis, e assim entra nos pulmões e no sistema pulmonar, de onde se distribui pelo corpo após solubilização. As principais fontes naturais de cargas de vanádio na atmosfera são poeira continental, aerossóis marinhos e emissões vulcânicas. Em áreas rurais, a concentração de óxidos de vanádio está na faixa de 50 ng m–3; a poluição pode chegar a >10³ ng m–3 em ambientes urbanos e, particularmente, em áreas industriais, onde a combustão de petróleo e óleo são os principais contribuintes para o VOx atmosférico. Potenciais efeitos tóxicos do excesso de vanádio, em especial irritações do trato respiratório em trabalhadores expostos a altas cargas de óxidos de vanádio em seu local de trabalho, serão brevemente abordados na próxima seção.
Farmacocinética e Farmacodinâmica
Como observado, a exposição crítica a compostos de vanádio, em particular óxidos de vanádio, limita-se à inalação no contexto de exposição ocupacional, incluindo mineração e moagem de minérios de vanádio, processamento metalúrgico envolvendo ferrovanádio, produção de catalisadores, baterias e aditivos para fusão de vidro à base de óxidos de vanádio, e limpeza de caldeiras a óleo. Os óxidos de vanádio inalados causam rinite, irritações do trato respiratório e – comumente transitórias – disfunções pulmonares como bronquite, pneumonia e asma. Ainda não foi demonstrado se os óxidos de vanádio podem promover câncer de pulmão. Em qualquer caso, a concentração máxima permitida de V2O5 no local de trabalho, o valor MAC, foi estabelecida pela Organização Mundial da Saúde em 0,05 mg m–3 (semana de 40 horas, média ponderada no tempo de 8 horas).
Captação, distribuição e excreção de compostos de vanádio. As vias de captação são indicadas por setas largas, as vias de excreção por setas tracejadas, e as vias de distribuição por setas padrão e setas de equilíbrio, respectivamente. Os principais compostos de vanádio são indicados. Abreviaturas: Tf = transferrina, L é qualquer ligante fornecido pela matriz nutricional ou em um composto de vanádio aplicado medicinalmente, L′ é um ligante de baixa massa molecular presente no soro sanguíneo, e {L/L′VO} é a abreviatura para um complexo VO2+ com L e/ou L′.
Os óxidos de vanádio são prontamente absorvidos nos pulmões e entram na corrente sanguínea após solubilização na forma de vanadato, H2VO4−. A pele não parece permitir uma importação apreciável de vanádio. A principal fonte ‘natural’ de fornecimento de vanádio para o corpo é, portanto, a captação dietética, um processo comparativamente ineficaz porque até 99% do vanádio dietético é geralmente excretado nas fezes. As principais vias de captação e distribuição de vanádio no corpo estão esboçadas na Figura 2. As formas dietéticas de vanádio são vanadato, H2VO4−, presente principalmente na água potável, e compostos de oxidovanádio(IV) {VOL}, onde {VOL} representa qualquer VO2+ estabilizado por ligante. O VO2+ livre é, como observado, essencialmente indisponível, uma vez que forma hidróxido de oxidovanádio pouco solúvel, permitindo no máximo uma concentração nanomolar de VO2+ ‘livre’ (na verdade [VO(OH)3]–). O H2VO4− é mais facilmente captado no trato gastrointestinal. No entanto, o vanadato(V) é parcialmente reduzido no estômago e precipitado na forma de VO(OH)2 no meio ligeiramente alcalino dos intestinos. O vanádio também pode entrar na corrente sanguínea por injeção ou infusão, seja intencionalmente quando injetado por via intravenosa (ou intraperitoneal), ou acidentalmente quando presente como um ‘contaminante’ em soluções de infusão.
Modos de ligação prováveis do VO2+ em (a) o complexo ternário VO2+-transferrina [12b], e (b) nos complexos ternários LVO2+-albumina ou LVO2+-imunoglobulina (L = etilmaltol), coordenando através de uma histidina [12a]. Em (a), a Tyr trans aos ligantes óxido liga-se apenas fracamente.
Compostos de vanádio que chegam à corrente sanguínea, seja após absorção no trato gastrointestinal, seja pelos pulmões, ou por infusão/injeção, estão sujeitos à interconversão redox entre VV e VIV, dependendo da tensão de oxigênio e da presença de agentes redox-ativos. O principal transportador tanto para o vanadato(V) aniônico, o VO2+ catiônico, quanto para o {LVIVO} neutro ou carregado é a transferrina. A transferrina (Tf) forma complexos binários {VO2+-Tf} e complexos ternários {VOL-Tf} e {VOL′-Tf}, onde L é um ligante originalmente coordenado ao VO2+, e L′ é um ligante de baixa massa molecular (bmm) fornecido pelo soro sanguíneo, como o lactato, o composto bmm sérico de maior concentração, ou seja, 1,5 mM. O íon VO2+ se liga à mesma cavidade proteica que o Fe3+, e portanto a duas tirosinatos, um aspartato e o Nε de uma histidina, mais um carbonato sinérgico (Figura 3a). Com o aumento das concentrações séricas de vanádio, transportadores de alta massa molecular diferentes da Tf entram em ação, nomeadamente a albumina sérica (Ab) e a imunoglobulina G (Ig). Essas proteínas formam preferencialmente complexos ternários, {VOL-Ab} e {VOL-Ig}. Conforme mostrado na Figura 3b, a proteína se liga à porção VOL através de um resíduo de histidina.
Os teores de vanádio no plasma diminuem em três fases: A primeira fase é um declínio rápido com uma meia-vida t1/2 de 1 hora, seguida por um segundo declínio intermediário (t1/2 ≈ 26 horas) e um terceiro declínio lento com t1/2 ≈ 10 dias. Os teores de vanádio no sangue são assim reduzidos para cerca de 30% nas primeiras 24 horas. A eliminação ocorre diretamente por excreção urinária e após distribuição pelos tecidos do compartimento interno (coração, fígado, rim, baço), do compartimento externo (cérebro, músculo, tecido adiposo) e ossos. Cerca de 50% do vanádio é recuperado na urina após 12 dias. O tempo de residência do vanádio nos ossos, onde ele substitui o fósforo na hidroxiapatita, Ca5(PO4)3OH, é de aproximadamente 1 mês, correspondendo a uma meia-vida de 4–5 dias.
Existem várias rotas alternativas pelas quais os compostos de vanádio podem ser transportados do plasma sanguíneo para as células sanguíneas e teciduais. O vanadato está essencialmente presente, em pH ≈ 7, na forma de diidrogenovanadato, H2VO4− (o pK a é 8,2), e pode utilizar canais de fosfato e sulfato: O vanadato e o fosfato HPO42−/H2PO4− (pK a = 7,2) são estruturalmente muito semelhantes (veja também a próxima seção). O vanadato e o oxidovanádio(IV) ligados à transferrina podem entrar no espaço intracelular por endocitose – analogamente ao Fe3+, o principal íon alvo da transferrina. Um caminho adicional concebível – para um composto de coordenação de vanádio estável com uma esfera de coordenação suficientemente lipofílica – é a difusão através da membrana celular. A viabilidade desta última via de entrada foi demonstrada para a captação do complexo [VO(piridinona)2H2O] por eritrócitos.
A baixa taxa de absorção de vanádio dietético e a dessorção bastante eficiente do excesso de vanádio que entrou no sangue e nos tecidos corporais diminuem os efeitos tóxicos que podem surgir contemporaneamente, como irritações das conjuntivas e do sistema respiratório por exposição a óxidos de vanádio no ar respirado (ver acima), ou problemas gastrointestinais e renais (leves) no curso de aplicações medicinais de compostos de vanádio. O nível de não efeito foi estabelecido para uma ingestão diária de 10 mg de V por kg de massa corporal. Os respectivos valores limite para aplicação intravenosa é de 7 mg kg–1, para ar respirado 35 mg m–3. O envenenamento agudo em animais alimentados com um excesso de cerca de dez vezes de compostos de vanádio causa paralisia, convulsão e eventualmente morte. Compostos de vanádio são considerados potencialmente genotóxicos e, portanto, mutagênicos, teratogênicos e 'suspeitos de carcinogenicidade'. A classificação como carcinógeno baseia-se no fato de que o vanádio induz a formação de antígenos associados a tumores, e que pode danificar o DNA direta e indiretamente e afetar a reparação do DNA [b,]. 'Indiretamente' aqui se refere à potencialidade do VO2+ de efetuar a formação de espécies reativas de oxigênio (ROS) como o radical OH em uma reação do tipo Fenton (eq. 3a), e superóxido quando interage diretamente com O2 (eq. 3b).
O superóxido, por sua vez, pode causar a liberação de ferro da proteína de armazenamento de ferro ferritina e, assim, contribui para a interrupção da homeostase do ferro. Em modelos de ratos, o vanádio provoca efeitos neurotoxicológicos no cérebro, como desmielinização, ou seja, dano à bainha de mielina dos neurônios. A mielina é uma membrana rica em lipídios dos nervos, e o vanádio aparentemente promove sua destruição peroxidativa.
Embora as propriedades carcinogênicas dos compostos de vanádio via formação de ROS e interferência com fosfoquinases estejam bem no reino da possibilidade, também deve ser observado que compostos de vanádio danificam o DNA em células tumorais de forma mais eficaz do que em células saudáveis. Conforme elaborado na Seção 4.2.1, muitos compostos de vanádio têm atividade antitumoral. Espécies de vanádio também podem aniquilar espécies reativas de oxigênio. Isso é demonstrado pela sequência na equação (4) para a oxidação do peróxido a superóxido e posteriormente a O2.
Em referência a Paracelso, que observou que “Todas as substâncias são venenos; é somente a dose que diferencia um veneno de um remédio” (“Alle Ding’ sind Gift, und nichts ohn’ Gift; allein die Dosis macht, daß ein Ding kein Gift ist”), até agora não há base sólida para categorizar compostos de vanádio como prejudiciais quando administrados em quantidades sensatas. Pelo contrário, como discutido em mais detalhes nas seções seguintes, o vanádio é provavelmente um elemento essencial na medida em que o vanadato pode interferir com fosfatases, fosforilases e quinases e, mais geralmente, está envolvido na regulação do metabolismo do fosfato e dos processos energéticos dependentes de fosfato. Além disso, a participação de VIV e VV na nivelação de EROs sugere que o vanádio pode ser benéfico no tratamento de várias doenças e disfunções relacionadas a desequilíbrios de EROs.
Geralmente, o vanádio(V), particularmente quando presente como vanadato, é mais tóxico que o vanádio(IV). Como observado, o VO2+ ou forma um hidróxido pouco solúvel ou é ‘mascarado’, por coordenação, por uma variedade de sistemas ligantes fisiologicamente disponíveis. A destoxificação biológica do vanadato ocorre via integração na estrutura da hidroxiapatita dos ossos (vide supra) e pela redução a vanádio(IV). Glutationa, ascorbato, NADH e NADPH são exemplos de agentes que podem reduzir o vanadato. Em ascídias, os equivalentes de redução para a redução de H2VO4− a VO2+ são supostamente fornecidos pelo NADPH (gerado na via das pentoses fosfato) através do par redox 2GSH ⇌ GSSG + 2H+ + 2e–, onde GSH e GSSG são as formas reduzida e oxidada da glutationa, respectivamente. O vanádio(III) desempenha, se alguma, apenas um papel menor, uma vez que o vanádio(IV) não é facilmente reduzido a vanádio(III) em condições fisiológicas – e, se o for, rapidamente reoxidado a vanádio(IV).
A Química Aquosa do Vanádio e o Antagonismo Vanadato-Fosfato
Complexos aquo catiônicos de vanádio(III, IV e V) que podem existir em meios aquosos fortemente ácidos. Para dados estruturais, veja ref.
Em condições fortemente ácidas (pH <2), complexos aqua octaédricos catiônicos de VIII, VIVO2+ e VVO2+ podem estar presentes em meio aquoso, ou seja, [V(H2O)6]3+, [VO(H2O)5]2+ e [VO2(H2O)4]+. Enquanto [V(H2O)6]3+ possui simetria Oh, as estruturas dos complexos aqua de VO2+ e VO2+ são um tanto distorcidas devido à influência trans exercida pelo(s) ligante(s) óxido duplamente ligado(s), resultando em uma água fracamente ligada em posição trans ao(s) grupo(s) oxo. Além disso, há distorções no arranjo octaédrico, conforme mostrado na Figura 4, reduzindo a simetria local para C4v em [VO(H2O)5]2+ e C2v em [VO2(H2O)4]+ (para as respectivas distâncias d(V-O), ver Figura 4). Condições fortemente ácidas são encontradas no estômago, mas, fora isso, são fisiologicamente irrelevantes – com exceção das células sanguíneas sequestradoras de vanádio de ascídias, onde V3+ existe principalmente na forma de [V(H2O)5HSO4]2+. Na presença de um ligante L, a substituição parcial ou completa de H2O proporciona estabilidade ao(s) complexo(s) resultante(s) também em regimes menos ácidos, neutros e levemente alcalinos. Se L for um ligante bidentado com carga negativa simples, como o lactato, a composição dos complexos monoligantes resultantes é [VIII(H2O)4L]2+, [VIVO(H2O)3L]+ e [VVO2(H2O)2L]. Dependendo do pH, complexos mistos aqua-hidróxido podem se formar, como [VIII(OH)(H2O)3L]+, [VIVO(OH)(H2O)2L] e [VVO2(OH)(H2O)L]–. Além disso, complexos monooxidovanádio(V) aparecem, por exemplo [VVO(H2O)3L]2+ e [VVO(OH)(H2O)2L]+. À medida que a denticidade e a carga dos ligantes aumentam – um exemplo é o citrato – a diversidade de espécies potenciais de vanádio presentes em torno de pH 7 aumenta substancialmente.
Vanádio(IV) e vanádio(V) são facilmente interconvertidos por agentes redox fisiologicamente relevantes, como NAD+/NADH, NADP+/NADPH, FAD2+/FADH2, glutationa e ascorbato. Além disso, VIV e VV interagem redox com espécies reativas de oxigênio. O potencial redox para o par H2VO4−/VO2+ (eq. 5) em pH 7 é −0,34 V, que se compara a −0,32 V para o par NAD+/NADH.
A espécie inorgânica de vanádio mais proeminente presente em concentrações micromolares e pH 7 é o di-hidrogenovanadato, H2VO4−: Na força iônica fisiológica de I ≈ 0,15 M, o pKa para o equilíbrio de protonação/desprotonação (eq. 6) é 8,2.
Espécies de vanadato(V) que podem estar presentes em meio aquoso, dependendo da concentração, pH e estabilização por interação eletrostática com, por exemplo, proteínas. O grau de protonação do decavanadato mostrado aqui corresponde àquele em pH ≈ 2,7.
Com o aumento da concentração, formam-se espécies condensadas de vanadato. Em regime ligeiramente ácido a alcalino (cerca de pH 5–9), estas são predominantemente o divanadato [H2V2O7]2–, o tetravanadato cíclico [V4O12]4– e o pentavanadato cíclico [V5O15]5–. Na faixa de pH 2,3–6,3, surge o decavanadato HnV10O28– (n = 3–0). Para as fórmulas estruturais desses oligovanadatos, veja a Figura 5. Geralmente, as concentrações fisiológicas de vanadato em níveis subtóxicos são muito baixas para permitir a formação de oligovanadatos. Localmente, no entanto, pode ocorrer aumento da concentração ou nucleação direcionada por molde, e os oligovanadatos então formados podem interagir com proteínas e DNA. Um exemplo é a incorporação de tetravanadato na superóxido dismutase de Cu,Zn [a], e a promoção da clivagem hidrolítica da ligação éster em um modelo de RNA fosfodiéster pelo tetravanadato [b]. O decavanadato é termodinamicamente instável em valores de pH superiores a 6,3; sua decomposição em vanadatos de menor nuclearidade (incluindo monovanadato) é, no entanto, cineticamente dificultada, permitindo meias-vidas em pH 7, e mesmo um pouco acima de pH 7, de várias horas. A estabilização adicional ocorre por interação estreita com proteínas como tubulinas e miosina, bem como com mitocôndrias. As tubulinas são proteínas que se montam em elementos estruturais (denominados microtúbulos) do citoesqueleto. A miosina está envolvida na contração muscular. A miosina liga-se ao decavanadato com alta afinidade, formando um complexo de miosina-MgATP-decavanadato que bloqueia o ciclo contrátil. O decavanadato que tem como alvo proteínas mitocondriais inibe o consumo de oxigênio mitocondrial. A estabilização do decavanadato também pode ser alcançada por sua incorporação em pequenas poças de água de compartimentos intracelulares – conforme sugerido por experimentos modelo com micelas reversas com água confinada nanoscopicamente nas cavidades das micelas.
Vanadato e fosfato são análogos estruturais, e o vanadato é apenas ligeiramente maior que o fosfato: Os diâmetros geométricos são 6,2 Å para o vanadato e 5,8 Å para o fosfato, os volumes das esferas circunscritas somam 125 ų para o vanadato e 102 ų para o fosfato. Esses valores são baseados nos seguintes parâmetros de estrutura: r(O²⁻) = 1,36 Å, d(V-O) = 1,72 Å, d(P-O) = 1,54 Å; distâncias V-O e P-O para geometria de coordenação tetraédrica, onde r(VV) = 0,36 e r(PV) = 0,17 Å. De um ponto de vista geométrico, os dois ânions são, portanto, essencialmente indistinguíveis, tornando o vanadato um competidor eficiente para o fosfato em sítios de ligação comumente alvejados pelo fosfato. No entanto, há também diferenças substanciais: Em pH ≈ 7 e força iônica fisiológica, o vanadato está quase exclusivamente presente na forma de di-hidrogenovanadato, H₂VO₄⁻, enquanto o fosfato existe em quantidades aproximadamente iguais de mono e di-hidrogenofosfato, HPO₄²⁻ e H₂PO₄⁻. A carga média mais elevada permite que o fosfato interaja de forma mais eficiente do que o vanadato com dipolos (como a água) e ânions (por exemplo, resíduos de aminoácidos aniônicos em matrizes proteicas). Por outro lado, o fósforo pode atingir o número de coordenação 5 apenas em estados de transição, enquanto o vanádio, elemento do bloco d, estende facilmente seu número de coordenação formando complexos penta e hexacoordenados estáveis. Assim, uma vez incorporado no lugar do fosfato no sítio ativo de uma enzima dependente de fosfato, essa enzima é comumente desativada em relação à sua função original.
Topo: Os sítios ativos da fosfatase ácida de rato substituída por vanadato (e, portanto, inibida) (esquerda) [32a], do mutante Cys215Ser da proteína tirosina fosfatase 1B (centro) [32b] e da fosfotirosil fosfatase bovina (direita) [32c]. Abaixo: O mecanismo de hidrólise de éster de fosfato catalisado por uma fosfatase. O estado de transição {} é ‘fixado’ à medida que o vanadato se coordena ao centro ativo.
Enzimas que ocorrem naturalmente e que dependem de vanadato em um ambiente trigonal-bipiramidal penta-coordenado são as haloperoxidases em fungos, líquenes, algas marinhas [a] e Streptomyces [b]; um exemplo de enzima dependente de fosfato inibida por vanadato é a variante vanadato da fosfatase ácida de rato (Figura 6, canto superior esquerdo), com o mesmo ambiente de primeira esfera de coordenação para vanádio como nas haloperoxidases dependentes de vanadato. Curiosamente, as fosfatases inibidas por vanadato têm alguma atividade de haloperoxidase, enquanto as haloperoxidases dependentes de vanadato podem exibir atividade de fosfatase. Na parte inferior da Figura 6, é ilustrada a sequência mecanística da hidrólise do fosfoéster catalisada pelas fosfatases. Além do vanadato, muitos complexos de VIII, VIV e VV com ligantes orgânicos que estão relacionados ou imitam ligantes fisiologicamente disponíveis, inibem efetivamente as fosfatases, provavelmente após a dissociação de todos ou parte dos ligantes e, portanto, a formação de vanadato ou intermediários {VOxL} com um sítio de coordenação 'aberto' capaz de interagir e, assim, bloquear o sítio ativo da enzima.
Mecanismo proposto para a pirovanadolise do primer de DNA: O divanadato ataca o primer na posição 3', processo que permite a mediação por Mn2+. O 3'-divanadofosfonucleotídeo formado transitoriamente é dividido hidroliticamente em divanadato e no fosfonucleotídeo ao qual a DNA polimerase retorna.
Os vanadatos também podem ativar processos bioquímicos. Um exemplo para a ativação de um processo de outra forma dependente de fosfato é a ligação do divanadato ('pirovanadato', H2V2O72 -) à extremidade 3' da sequência de nucleotídeos do primer do DNA [os primers de DNA servem como ponto de partida para a replicação do DNA (e, portanto, a síntese de DNA) através da DNA polimerase]. Isto ativa a degradação (“pirovanadolise”) do primer, disponibilizando nucleotídeos para replicação do DNA pela DNA polimerase. O mecanismo proposto para a pirovandólise é mostrado na Figura 7. A ativação de quinases será abordada no contexto da ação antidiabética dos compostos de vanádio na Seção 4.1.
Em soluções contendo vanadato e fosfato, os fosfovanadatos, [HVPO7]3– e [H2VPO7]2–, estão presentes em pH 7 (o pK a é 7,2 na força iônica fisiológica) (eq. 7). Este anidrido misto é lábil; a constante de formação em pH 7 é cerca de 20 M–1, em comparação com a constante de formação de 350 M–1 para o divanadato. O fosfovanadato, portanto, é menos estável contra a hidrólise do que o divanadato em uma ordem de grandeza, mas mais estável que o difosfato, [H2P2O7]2–, em seis ordens de grandeza. O fosfato também pode formar espécies mistas com VO2+: A espécie dominante no regime ligeiramente ácido é ‘VO(HPO4)’, onde o hidrogenofosfato é um ligante para VO2+ em vez de um contra-íon. A estabilização contra a hidrólise na faixa neutra a ligeiramente alcalina é novamente alcançada por ligantes orgânicos disponíveis nutricional ou fisiologicamente.
Exemplos de peroxidovanadatos, peroxidovanadofosfatos e ésteres de vanadato fisiologicamente potencialmente relevantes (da esquerda para a direita).
Em vista da onipresença do peróxido de hidrogênio, que, em baixos níveis de concentração, é uma importante molécula sinalizadora e reguladora em muitos processos biológicos, a potencial formação de peroxidovanadatos e peroxidovanadofosfatos, como HVO3(O2)2– e HVPO6(O2)3–, também deve ser considerada, assim como a geração de ésteres de vanadato de acordo com a equação (8). Os monoésteres de vanadato e divanadato – análogos dos fisiologicamente importantes ésteres de fosfato e difosfato – são, no entanto, hidroliticamente lábeis. As constantes de formação no caso de radicais alifáticos R estão na ordem de 0,1 M–1, para radicais aromáticos (ésteres fenil) em torno de 1 M–1. A Figura 8 contém peroxidovanadatos e ésteres de vanadato de importância potencial.
O Potencial Medicinal do Vanádio
Diabetes Mellitus
Mundialmente, cerca de 10% da população sofre de diabetes mellitus – de forma consciente e inconsciente. Aproximadamente 90% de todos os casos de diabetes são atribuídos ao diabetes tipo 2, os 10% restantes ao diabetes tipo 1 [a]. O diabetes tipo 1 (“diabetes juvenil”) está associado à ausência ou apenas ao fornecimento residual de insulina pelas células β nas ilhotas de Langerhans do pâncreas, comumente causado por degeneração das células β no contexto de reações autoimunes, ou por disfunção acidental ou perda do pâncreas. O diabetes tipo 2 (“diabetes de início na idade adulta”) está relacionado, em seu estágio inicial, à resposta insuficiente dos receptores celulares de insulina à insulina. Em seu estágio avançado, um mecanismo de feedback entra em ação, provocando falência das células β causada pela desdiferenciação das células β. O diabetes tipo 2 tipicamente afeta pessoas acima dos 50 anos; seu início pode ser controlado por exercício físico e comportamento nutricional razoável. No entanto, o diabetes tipo 2 é hoje cada vez mais diagnosticado também em jovens e até crianças; esse diabetes tipo 2 de início juvenil parece estar correlacionado à obesidade [a].
As células β intactas produzem pró-insulina, um hormônio peptídico constituído por uma cadeia A com 21 aminoácidos (aa), uma cadeia B (30 aa) e uma cadeia C (31 aa) (para o papel do peptídeo C, ver), conectando as cadeias A e B. A cadeia C é destacada na etapa final da síntese de insulina; na insulina genuína, as cadeias A e B são ligadas por duas cistinas. A insulina é armazenada como um hexâmero de simetria C3, com os monômeros ligados por histidinas via íons de zinco. A liberação da forma ativa e monomérica da insulina é iniciada por níveis elevados de glicose no sangue. A insulina tem como alvo o receptor de insulina celular, desencadeando um mecanismo complexo pelo qual a glicose é internalizada no citosol, seguida pelo metabolismo da glicose. Além disso, a insulina está envolvida na inibição da gliconeogênese (a síntese de glicose a partir de blocos de construção menores, por exemplo, aminoácidos) e na glicogênese (a síntese de glicogênio). A insulina está, portanto, fortemente envolvida na homeostase da glicose. Além disso, a insulina estimula a lipogênese e inibe a lipólise, prevenindo assim a cetoacidose causada pelo acúmulo de corpos cetônicos, como o ácido acético acetílico no sangue. Os corpos cetônicos são causadores dos padrões graves de doença acompanhados por estados progressivos de diabetes, como retinopatia e morte de membros.
Uma seleção de compostos de coordenação de vanádio com potencial antidiabético in vitro e/ou in vivo. Os compostos 2 e 8 contêm VV, os outros complexos VIV. Ver Tabela 1 e texto para detalhes e referências.
Uma seleção de compostos de coordenação de vanádio com potencial antidiabético.
Alvo Modo de aplicação Nº do complexo (ver Figura 9) Efeito antidiabético (para abreviações cf. texto e Figura 10) Ref. Indivíduos humanos per os 1b Redução na glicose sanguínea e hemoglobina glicada Camundongos STZa per os 1c Redução da glicose sanguínea, fosforilação de Akt e glicogênio sintase quinase, melhora dos níveis de expressão gênica Ratos STZa intraperitoneal 2a Redução da glicose sanguínea Ratos STZa per os 2a, 2b Atenuação da hiperglicemia e hiperlipidemia Fibroblastos de camundongos transformados por SVb in vitro 3 Estimulação da captação e metabolismo de glicose Adipócitos de rato in vitro 3 Inibição da lipólise Adipócitos de rato in vitro 4 Fosforilação da proteína quinase B Adipócitos de camundongo 3T3-L1 diferenciados in vitro 5 + albumina sérica, 6 Fosforilação de IRβ e IRS; acúmulo de glicogênio Camundongos KK-Ayc per os 7 Atenuação da hiperglicemia, hipercolesterolemia e hiperleptinemia Ratos STZa injeção na veia da cauda 8 Redução da glicose sanguínea Ratos STZa per os vanadato/decoção de chá preto Redução da glicose sanguínea
a STZ significa estreptozotocina, um derivado de glucosamina natural que destrói as células β nas ilhotas de Langerhans.
b SV (de vírus símio) fibroblastos 3T3 são pseudo-adipócitos.
c Camundongos KK-Ay derivam do cruzamento de camundongos KK (Kyoji Kando) fêmeas com intolerância à glicose com camundongos Ay machos obesos.
Muitos compostos de vanádio inorgânicos (vanadato, sulfato de vanadila, peroxovanadatos) e orgânicos foram testados positivamente quanto à efetuação da captação celular de glicose e ao controle dos níveis de ácidos graxos livres. Uma seleção de complexos de vanádio da composição geral {VOL}, onde L representa um ligante orgânico (sistema) na esfera de coordenação, é fornecida na Figura 9; as condições de teste e os resultados estão resumidos na Tabela 1. Os compostos foram testados com sucesso in vitro (ou seja, com culturas de células) e/ou in vivo com ratos ou camundongos diabéticos e, no caso do complexo maltolato 1b, com indivíduos humanos. O complexo 1b (bis(etilmaltolato)oxidovanádio(IV), BEOV) passou pelos ensaios clínicos de fase I e IIa com voluntários diabéticos tipo 2, essencialmente com resposta encorajadora.
O ligante L em {VOL} influencia amplamente a eficácia de um composto de vanádio ao direcionar a ressorção, o transporte e a estabilidade do complexo e, portanto, a disponibilidade da espécie antidiabética real, ou seja, vanadato, no local de ação. Comumente, os complexos de vanádio são claramente mais eficazes do que os compostos inorgânicos de vanádio, destacando a biodisponibilidade vantajosa e a eficácia farmacêutica dos compostos orgânicos de vanádio. Onde compostos inorgânicos de vanádio, particularmente o vanadato (H2VO4−), induzem efeitos hipoglicêmicos, como decocções de chá/vanadato (última entrada na Tabela 1), esse efeito é provavelmente devido à formação intermitente de um composto de coordenação com ingredientes do chá.
Cascata de sinalização para a internalização da glicose pelo transportador de glicose GLUT4, desencadeada pelo receptor de insulina (IR) fosforilado. Na ausência de insulina (diabetes 1) ou resposta insulínica insuficiente (diabetes 2), a proteína tirosina fosfatase 1B (PTP) desfosforila o IR, e a captação de glicose é anulada. O vanadato pode bloquear a PTP e, assim, restaurar a via de sinalização. Várias etapas da cascata de sinalização são mostradas: IRS = substrato do receptor de insulina, PI3K = fosfatidilinositol 3-quinase (que ativa a proteína quinase B, também conhecida como Akt), PKB = proteína quinase B.
Com o fornecimento normal de insulina e a 'detecção' de insulina, a insulina se acopla ao segmento carboxiterminal das subunidades α extracelulares, IRα, do receptor de insulina transmembrana (uma tirosina quinase), desreprimindo a atividade tirosina quinase da subunidade β intracelular, IRβ. Dessa forma, a fosforilação dos resíduos de tirosina de IRβ é promovida e a cascata de sinalização citosólica é iniciada, culminando na ativação do transportador de glicose (GLUT4). Uma vez ativado, o GLUT4 é translocado para a membrana celular, onde capta glicose para entrega ao citosol e metabolização no mesmo. A transdução de sinal básica é ilustrada na Figura 10. Entre as várias etapas interpostas e ramificadas, os substratos do receptor de insulina (IRS), a fosfatidilinositol 3-quinase (PI3K, também conhecida como Akt) e a proteína quinase B (PKB) foram considerados.
As IRS são proteínas citosólicas com resíduos de tirosina, e as PKBs são quinases que possuem resíduos de serina e/ou tirosina disponíveis para fosforilação. A PKB tem como alvo direto o transportador de glicose. No caso de falta de fornecimento de insulina (diabetes tipo 1) ou receptividade insuficiente do receptor de insulina para insulina (diabetes tipo 2), a IRβ é desfosforilada pela ação de uma proteína tirosina fosfatase (PTPase, PTP-1B), anulando a sinalização para a captação de glicose pelo GLUT4 e, assim, provocando hiperglicemia. Um possível mecanismo de ação dos compostos de vanádio antidiabéticos na estimulação da captação celular de glicose no caso de hiperglicemia está incluído na Figura 10. Consequentemente, qualquer composto de vanádio {VOL} será degradado no espaço extra e/ou intracelular para gerar vanadato. Conforme observado na Seção 3, o vanadato é um inibidor eficiente de fosfatase. Portanto, a inibição da PTP-1B pelo vanadato impede a desfosforilação da IRβ e, assim, restaura a via de sinalização.
Atividade em Outros Riscos à Saúde Além do Diabetes
Tratamento do Câncer
Compostos de coordenação de vanádio(V) e vanádio(IV) com potencial anticancerígeno. Nomes simplistas dos ligantes são fornecidos. 9b é um produto de hidrólise de 9a. Para detalhes do modo de ação, veja a Tabela 2 e o texto.
Compostos de coordenação de vanádio selecionados com atividade antitumoral.
Alvo;modo de aplicação Nº do complexo (veja Figura 11) Efeito Observações Ref. Células tumorais HeLa 9a Suficientemente mais tóxico (IC50 = 44 μM) para células tumorais do que para células não tumorais Espécies presentes em pH 7: 9a (= [VO2L2]–), 9b (= [VO2(L)OH]–), vanadatos Células de câncer renal humano (CAKI-1) 10 IC50 = 0,55 μM Camundongos CAKI-1; intraperitoneal 10 Perda de peso corporal, tóxico mortal em alguns casos; crescimento tumoral reduzido Dose máxima tolerável: 20 mg kg–1 d–1 Células de leucemia e mieloma, células derivadas de câncer de mama e testicular 11 Eficaz em concentrações nM e baixas μM. Apoptose celular associada à geração de ROS e depleção de GSH Também eficaz contra câncer de ovário resistente à cisplatina Células de câncer de cólon 12 Diminuição da viabilidade celular; IC50 = 48 μM Mais eficiente que a cisplatina
a Células tumorais HeLa derivam do câncer cervical (o colo do útero é a parte inferior do útero, conectando-se à vagina).
Vários estudos animais e in vitro revelaram a virtude de compostos de vanádio inorgânicos e, mais pronunciadamente, orgânicos na redução ou prevenção de neoplasia (a proliferação maligna de células) e, portanto, tumores, incluindo câncer e seu potencial metastático, em vários tecidos-alvo (veja e para revisões abrangentes sobre prevenção e tratamento do câncer com compostos de vanádio). Exemplos selecionados estão reunidos na Figura 11, e resultados específicos de testes são fornecidos na Tabela 2.
O derivado de vanadoceno 10 é um avanço recente do vanadoceno mais básico (η5-C5H5)2VCl2 (= Cp2VCl2; Cp = ciclopentadienila), introduzido há um quarto de século por Köpf e Köpf-Maier, que demonstraram que o composto efetivamente degenera e mata células tumorais de ascite de Ehrlich. As ascites de Ehrlich são derivadas de tumores mamários de camundongos fêmeas. O complexo de o-fenantrolina 11, denominado “metvan”, representa outro grupo de compostos de coordenação de vanádio ‘clássicos’ intimamente relacionados, que se mostraram particularmente eficazes contra várias linhagens de células cancerosas, incluindo câncer de ovário e testicular resistentes à cisplatina. O complexo de pirimidinona de oxidovanádio(V) 9 e o complexo de oxidovanádio(IV) 12 são exemplos de desenvolvimentos mais recentes na busca de compostos anticancerígenos à base de vanádio.
Inibição de fosfatases de tirosina proteicas e ativação de proteína quinases;
Ativação de tirosina fosforilases, com ativação concomitante de vias de transdução de sinal, seguida de apoptose e/ou ativação de genes supressores de tumor;
Clivagem ou intercalação no DNA, resultando em parada do ciclo celular;
Formação aumentada de espécies reativas de oxigênio (ROS);
Regulação negativa da expressão de ferritina e desrupção da ferritina com mediação concomitante de ROS induzida por ferro.
O modo de operação dos compostos anticancerígenos de vanádio ainda é elusivo. Modos de ação que foram propostos incluem
Como no caso das espécies de vanádio antidiabéticas, o sistema ligante medeia a absorção e a farmacocinética do composto anticancerígeno. Em muitos casos, a espécie ativa novamente é provavelmente o vanadato, formado pela degradação (parcial) do fármaco original: Estudos de especiação do complexo aniônico de pirimidinona (L), [VO2L2]– (9a), demonstraram que em pH 7 o complexo 9a coexiste com os produtos de hidrólise, [VO2(OH)L]– (9b), e mono-, di- e tetravanadato. A intervenção do vanadato com fosfatases, fosforilases e quinases alterará e eventualmente interromperá ou reforçará as vias de sinalização envolvidas na regulação da proliferação de células malignas. O vanadato inorgânico gerado sob condições fisiológicas a partir de, por exemplo, [VO(maltol)2] (1a na Figura 9) demonstrou discriminar entre hepatócitos e células de hepatoma, na medida em que o vanadato aumenta significativamente a geração de ROS (superóxido e peróxido de hidrogênio) e, concomitantemente, causa parada do ciclo celular em hepatoma, mas não em células hepáticas normais (hepatócitos). Da mesma forma, a formação de ROS por Fe2+ – após a desintegração da ferritina induzida por vanádio – pode ser responsável pela vulnerabilidade das células de astrocitoma, enquanto os astrócitos (células do cérebro e da medula espinhal) permanecem inalterados.
Possíveis interações de compostos estáveis (fragmentos de) vanádio com o DNA. (a) O fragmento Cp2V2+ do vanadoceno (por exemplo, composto 10) liga-se a dois fosfatos adjacentes. (b) A unidade o-fenantrolina do composto 11 intercala-se entre duas bases nitrogenadas. X pode ser OH ou H2O. O empilhamento π é indicado por linhas tracejadas.
Vanadocenos, Cp′2VCl2 (Cp′ significa Cp substituído), como o complexo 10 na Figura 11, serão parcialmente hidrolisados em condições fisiológicas para formar [Cp′2V(H2O)x(OH)2–x]x+ (x = 0, 1, 2), e portanto de forma comparável à hidrólise da cisplatina, cis-[(NH3)2PtCl2]. O fragmento {Pt(NH3)22 +} da cisplatina pode interagir diretamente com o DNA coordenando-se às bases nitrogenadas do DNA. O V4+ mais duro (em relação ao Pt2+) no fragmento {Cp′2V2+} supostamente prefere coordenação a funcionalidades oxo das ligações fosfoéster (Figura 12a). Alternativamente, Cp′2V(OH)2 pode interagir com os fosfatos por meio de ligações de hidrogênio. Em qualquer caso, a consequente "torção" no DNA irá neutralizar a replicação do DNA. Compostos como metvan (11 na Figura 11), que possuem um sistema aromático fortemente coordenado ao vanádio, podem interagir com o DNA e, assim, desativar o DNA e a proliferação celular, via intercalação (interação π−π) (Figura 12b).
Efeitos Cardiovasculares; Doenças Bacterianas e Virais
Complexos de vanádio com efeitos cardioprotetores (13 e 14) ou eficazes contra infecções virais (15, 16 e 17) e bacterianas (17 e 18). O recorte 17 é o centro ativo da haloperoxidase dependente de vanadato, por exemplo, de Corallina inaequalis (ver texto e Tabela 3).
Compostos de coordenação de vanádio no tratamento de doenças cardiovasculares, infecções virais e bacterianas.
Alvo;modo de aplicação Nº do complexo (ver Figura 13) Efeito Modo de ação Ref. Ratas fêmeas 13 Melhora de lesões miocárdicas Ativação da sinalização Akt → expressão da NO sintase Ratos; intravenosamente 1a Limitação da lesão de reperfusão Inibição da tirosina fosfatase Ratos; oralmente 14 Neuroproteção Aumento da Akt a jusante Miócitos cardíacos de rato 14 Melhora da disfunção cardíaca Aumento dos níveis de NO sintase Vírus influenza, vírus da dengue, HIV-1, SARS; in vitro ver texto Atividade antiviral (não relatado) HIV-1 15 Inibição da replicação do HIV-1 em células hospedeiras Atividade inibitória contra a transcriptase reversa do HIV-1 Cepas de HIV-1 e HIV-2 16 Atividade anti-HIV Ligação ao receptor CXCR-4b Herpes simplex, Coxsackievirus B4, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa; pH 8, H2O2 + Br– 17a Atividade antiviral e antimicrobiana Formação de HOBr e 1O2 Mycobacterium tuberculosis 18 Inibição do crescimento (não relatado)
a O centro ativo do mutante Pro395Asp/Leu241Val/Thr343Ala da cloroperoxidase dependente de vanadato da alga Corallina inaequalis.
b Ver texto para o receptor CXCR-4.
A interferência do vanádio com a proteína tirosina fosfatase (PTPase), em particular a inibição da PTPase discutida no contexto das propriedades de melhora da insulina dos compostos de vanádio na seção anterior, parece ser um modo de ação importante também nos efeitos benéficos para o sistema vascular em geral, e nos efeitos cardioprotetores do vanádio em particular. A inibição da PTPase pela coordenação do vanadato ao sítio ativo da cisteína, bem como a inibição oxidativa (cisteína → cistina) pela produção de peróxido induzida pelo vanádio, resultam na regulação positiva da proteína quinase B (Akt). A Akt desempenha um papel importante na regulação da hipertrofia cardíaca e da angiogênese (a formação de novos vasos sanguíneos a partir de pré-existentes) e, portanto, na prevenção e recuperação após infarto do miocárdio. A regulação positiva da Akt, por sua vez, aumenta a expressão da óxido nítrico sintase epitelial (NO sintase) e, consequentemente, a liberação do vasodilatador NO. O complexo maltolato 1a na Figura 9, o complexo piridinatiolato 13 e o complexo picolinato-bis(peróxido)vanádio(V) 14 na Figura 13 realizam cardioproteção significativa em animais de teste (Tabela 3).
Vários estudos sobre a potencialidade do vanádio na desativação de infecções virais e bacterianas apareceram na última década, e compostos e resultados selecionados são fornecidos na Figura 13 e na Tabela 3. O polioxotungstato substituído por vanádio [(VIVO)2(VVO)(SbW9O33)2]11– exibe atividade antiviral contra vírus causadores de influenza e dengue, e também é ativo contra HIV-1 (vírus da imunodeficiência humana) e SARS (síndrome respiratória aguda grave) in vitro [a]. O cluster contém um núcleo linear {O=VO4}3 (com os centros de vanádio em um ambiente tetragonal-piramidal), intercalado por duas metades {SbW9O33} nas quais os íons tungstênio estão coordenados octaedricamente [b]. Em condições fisiológicas, este chamado 'sanduíche de Keggin' provavelmente se decompõe nas espécies verdadeiramente ativas vanadato(V) e tungstato(VI). A atividade anti-HIV também foi relatada para a oxidovanádio(IV)-porfirina 15, solúvel em água e fisiologicamente estável. A solubilidade em água de 15 é fornecida pelo substituinte aminossulfonila no esqueleto da porfirina. O complexo inibe a replicação do HIV-1 em células Hut/CCR5 infectadas pelo vírus, possivelmente ao direcionar e desativar a transcriptase reversa viral [as células Hut/CCR5 são derivadas das células Hut78, uma linhagem de células T humanas. As células Hut/CCR5 expressam o receptor de quimiocina CCR5, uma proteína na superfície dos linfócitos T (um grupo de glóbulos brancos)].
O complexo oxidovanádio(IV) xilil-biciclamo 16 é um exemplo adicional de agente altamente eficaz contra cepas de HIV-1 e HIV-2, com valores de IC50 de 0,1–0,3 μM (valores de IC50 denotam a concentração de um fármaco ou pró-fármaco na qual a função vital de 50% das células viáveis é inibida). Um possível modo de ação é através da ligação do complexo ao receptor de quimiocina tipo 4 (CXCR-4), uma proteína receptora que o HIV pode usar para infectar linfócitos T. A ancoragem do composto 16 ao CXCR-4 pode ocorrer via coordenação direta do centro metálico a resíduos de aspartato e glutamato da proteína, ou via interação fraca do grupo oxidovanádio com resíduos de triptofano, e/ou por interação hidrofóbica entre resíduos de triptofano e os anéis biciclamo.
Atividade antiviral e antibacteriana também foi observada para a haloperoxidase dependente de vanadato isolada da alga marinha Corallina inaequalis, e seu mutante alcalofílico Pro395Asp/Leu241Val/Thr343Ala em particular. A enzima contém vanadato (H2VO4−) coordenado ao Nε de um resíduo de histidina no centro ativo (17 na Figura 13). A peroxidase nativa catalisa a oxidação de haletos, por exemplo, brometo a ácido hipobromoso, HOBr (eq. 9a), e – em uma reação secundária – gera oxigênio singlete 1O2 (eq. 9b), comumente em condições ligeiramente ácidas. O mutante é ativo em pH ~ 8, permitindo a desinfecção, através de HOBr e 1O2, de equipamentos médicos sob condições particularmente suaves e, portanto, moderadas. Uma forte redução microbiana foi observada tanto para vírus envelopados (Herpes simplex) quanto não envelopados (Coxsackievirus B4), bem como para bactérias Gram-positivas (Staphylococcus aureus) e Gram-negativas (Pseudomonas aeruginosa).
Ação antibacteriana também foi relatada para o complexo 18 na Figura 13. O complexo VV tiossemicarbazona (tsc) [VO2(tsc)] e seu precursor VIV [VO(acac)tsc] (acac = acetilacetonato(1–)) inibem o patógeno da tuberculose, Mycobacterium tuberculosis. As concentrações inibitórias mínimas (valores de CIM) desses complexos de vanádio são menores do que para o ligante tsc livre, apoiando um papel do centro de vanádio nesses fármacos antituberculose.
Doenças Causadas por Parasitas
Complexos e formulações que demonstraram potencial antiparasitário contra parasitas causadores de amebíase (19), doença de Chagas (20) e leishmaniose (20, 21, 22). Para detalhes, veja o texto e a Tabela 4.
Compostos de vanádio que matam parasitas causadores de doenças (tropicais).
Alvo Nº do complexo (ver Figura 13) Efeito Observações Ref. Trofozoítos de Entamoeba histolytica (in vitro) 19 Amebocida Mais eficaz que o Metronidazol; ligeiramente tóxico para células HeLa Epimastigotas de Trypanosoma cruzi (in vitro) 20 Tripanocida Causa alterações conformacionais no DNA plasmidial superenrolado Promastigotas e amastigotas de Leishmania (in vitro) 20 Leishmanicida Citotóxico contra células de leucemia HL-60 Promastigotas e amastigotas de Leishmania (in vitro) 21 Leishmanicida sobre amastigotas; inibição do crescimento de promastigotas Diminui também a produção de superóxido por macrófagos Camundongos infectados com Leishmania (in vivo) 22 Redução na carga parasitária; expansão de células T antileishmania Efeitos semelhantes são provocados por [HVO2(O2)2)]2–
Compostos de coordenação de vanádio também demonstraram potencial na redução de doenças epidêmicas causadas por parasitas (amebas e flagelados) predominantemente em países tropicais e subtropicais. Exemplos são amebíase, doença de Chagas (tripanossomíase americana) e leishmaniose. Como no caso dos compostos de vanádio antivirais e antibacterianos, nenhum desses compostos alcançou até agora o status de testes clínicos, e os estudos foram, portanto, restritos a testes in vitro com culturas dos parasitas. Em muitos casos, esses estudos revelam propriedades antiparasitárias das espécies de vanádio, que são aproximadamente comparáveis ou até mais eficazes do que medicamentos estabelecidos. Nesta seção, exemplos selecionados de complexos de vanádio antiparasitários são brevemente descritos. Para uma visão geral recente, veja também a revisão de D. Gambino. Os respectivos compostos de vanádio são ilustrados na Figura 14; resultados selecionados estão resumidos na Tabela 4.
De acordo com a Organização Mundial da Saúde, cerca de 50 milhões de pessoas em todo o mundo são afetadas pela amebíase, com infecções claramente acumuladas em países tropicais. O agente etiológico da doença é a ameba Entamoeba histolytica, presente em alimentos e água contaminados, especialmente em áreas de baixos padrões sanitários e de higiene. A transmissão ocorre principalmente pela via fecal-oral e através de contato direto. 90% das pessoas infectadas são assintomáticas. Para os 10% restantes, os sintomas incluem diarreia e, em casos mais graves, disenteria (um distúrbio inflamatório principalmente do cólon) com muco e sangue, este último proveniente de amebas que conseguem ultrapassar o epitélio dos intestinos e assim viajar para outros órgãos, especialmente o fígado, onde causam abscessos fatais. O número de mortes chega a cerca de 70.000 por ano. O complexo hidrazona 19 na Figura 14 é um exemplo de um (pró)fármaco amebocida eficiente. Com um IC50 = 0,36 μM, o composto é mais eficaz do que o medicamento padrão Metronidazol (IC50 = 1,89 μM) e ligeiramente mais tóxico do que o Metronidazol contra linhagens celulares de câncer cervical humano HeLa.
Doença de Chagas é causada pelo parasita protozoário flagelado Trypanosomas cruzi, transmitido pelas fezes de "barbeiros", insetos hematófagos pertencentes à subfamília Triatominae. Cerca de 10 milhões de pessoas estão infectadas, com aproximadamente 10.000 mortes por ano. A doença está distribuída principalmente na América Latina, mas também se espalhando cada vez mais para a América do Norte e Europa. Os sintomas primários são lesões cutâneas e inchaço das pálpebras; os sintomas secundários incluem alterações digestivas e neurológicas, e distúrbios cardíacos até insuficiência cardíaca. O complexo oxidovanádio 20 contém um ligante salicilideno semicarbazona e, portanto, um ligante que também demonstrou atividade anticancerígena (composto 12) e antiamebíase (19). O ligante adicional em 20 é fenantrolina, capaz de intercalar DNA (Figura 12b). As vias metabólicas de parasitas como Trypanosoma e Leishmania são semelhantes às das células tumorais, sugerindo um modo de ação semelhante de drogas antiparasitárias e antitumorais. Complexos como o composto 20, que são aproximadamente tão tripanocidas contra epimastigotas (um estado de desenvolvimento do parasita no inseto) de T. cruzi quanto o fármaco de referência Nifurtimox, são de fato citotóxicos contra células leucêmicas e causam alterações conformacionais no DNA plasmidial.
O complexo 20 também é ativo nas formas promastigota e amastigota (os estágios flagelado e não flagelado, respectivamente) dos parasitas Leishmania, responsáveis pela doença tropical e subtropical leishmaniose. Os vetores para esta doença, que está associada à desnutrição e fraqueza do sistema imunológico, são flebotomíneos da subfamília Phlebotomina. Cerca de 12 milhões de pessoas são afetadas mundialmente. A forma mais grave desta doença é a leishmaniose visceral, que cursa com febre alta, perda de peso, inchaço do baço e fígado e anemia. A leishmaniose visceral está distribuída principalmente no Brasil, Índia, Bangladesh e Sudão, e é responsável por 60.000 mortes a cada ano.
Complexos oxidovanádio de galactomanana (21 na Figura 14) mostraram ser leishmanicidas contra amastigotas de L. amazonensis e inibir o crescimento dos promastigotas deste parasita. Galactomanana é um polissacarídeo com uma cadeia principal de manose e grupos laterais de galactose, isolado do líquen Ramalina celastri, que é abundante no Sul do Brasil. Efeitos antileishmania também foram observados, em camundongos infectados, para bis(peróxido)vanadato, [HVO2(O2)2]2–, e combinações de glutaminato e [HVO2(O2)2]2– (veja 22 na Figura 14 para uma formulação tentativa de uma unidade da fórmula). Finalmente, o decavanadato impede o crescimento do parasita Leishmania, provavelmente pela interação do produto de hidrólise do decavanadato [H2VO4]– com fosfatases, um aspecto mecanístico que novamente lembra a ação antidiabética e potencializadora de insulina do vanadato e de complexos de vanádio (hidroliticamente lábeis). Para a construção molecular do decavanadato, veja a Figura 5.
Comentários Conclusivos e Perspectivas
O elemento vanádio foi descoberto em 1801 por Andrés Manuel del Rio y Fernández na vanadinita do distrito de Zimapán, no México. Foi redescoberto por Nils Gabriel Sefström em minério de ferro de Taberg, em Småland (Suécia), em 1830, ao tratar um "pó preto obtido da fabricação de ferro em barra", e em 1869/70, Sir Henry Enfield Roscoe, na Inglaterra, foi o primeiro a conseguir isolar (uma forma impura de) vanádio metálico pela redução de VCl2 com H2, atualmente amplamente utilizado em ligas de cromo-vanádio-ferro particularmente resistentes e duras. Juntamente com o vanádio metálico, os óxidos de vanádio ("VOx") são utilizados como catalisadores em reações de oxidação (um exemplo é a produção de ácido sulfúrico a partir de SO2), como aditivo absorvedor de UV em artigos de vidro e na forma de vanadatos de lítio e prata em baterias de lítio. A primeira indicação da presença de vanádio em um organismo vivo, ou seja, na beterraba sacarina, remonta a 1888; a essencialidade do vanádio para algumas formas de vida foi estabelecida em 1982/83 com a descoberta da bromoperoxidase dependente de vanadato na macroalga marinha Ascophyllum nodosum.
Efeitos tóxicos do vanádio foram relatados pela primeira vez por John Priestley, que aplicou grandes doses de vanadato de sódio em animais, descrevendo minuciosamente seu mal-estar e eventual morte. Aplicações medicinais exploratórias do vanádio, novamente na forma de vanadato, foram realizadas em Lyon (França) em 1897–98 em probandos com problemas de saúde tão diversos quanto anemia, tuberculose, reumatismo, neurastenia e diabetes, onde, neste último caso, foi observada alguma diminuição da glicose sanguínea. O uso prospectivo de compostos de vanádio no tratamento do diabetes tem, portanto, uma longa tradição. O estudo atualmente mais avançado sobre o potencial do vanádio no tratamento de diabéticos humanos são os testes clínicos de fase IIa, realizados em 2007/8 com bis(etilmaltolato)oxidovanádio(IV), BEOV, um composto desenvolvido no grupo de Chris Orvig, em Vancouver, Canadá.
A aplicação bem-sucedida de compostos de vanádio em baixas doses em animais diabéticos (ratos induzidos por estreptozotocina, em particular) e em humanos com diabetes tipo 2 iniciou pesquisas sobre compostos de vanádio medicinalmente ativos para outras aplicações medicinais, entre elas doenças tropicais e subtropicais causadas por parasitas infecciosos responsáveis por leishmaniose, doença de Chagas e amebíase, bem como doenças causadas por vírus (HIV, influenza) e bactérias (tuberculose). Em todos os casos, testes in vitro com culturas de células ou parasitas cultivados, bem como testes in vivo esporádicos com animais de teste infectados, forneceram resultados que devem encorajar investigações adicionais no campo de medicamentos à base de vanádio. Dado que os medicamentos clássicos tendem a ter efeitos colaterais, por vezes graves, e que os parasitas podem desenvolver resistência, o desenvolvimento de (pró-)fármacos potenciais baseados no elemento essencialmente não tóxico vanádio é certamente um desafio futuro.
Abreviações
Ab
albumina
acac
acetonilacetonato(1–)
Akt
proteína quinase
ATPase
enzima clivadora de trifosfato de adenosina
BEOV
bis(etilmaltolato)oxidovanádio
CAKI
linhagem celular de carcinoma renal humano
CCR5
receptor de quimiocina de linfócitos T
Cp
ciclopentadieneto
CXCR-4
receptor de quimiocina tipo 4
FAD
flavina adenina dinucleotídeo (forma oxidada)
FADH2
flavina adenina dinucleotídeo (forma reduzida)
GLUT
transportador de glicose
GSH
glutationa
GSSG
forma oxidada da glutationa
células HeLa
linhagem celular de câncer cervical derivada de Henrietta Lacks
HIV
vírus da imunodeficiência humana
IC50
concentração inibitória de 50%; os valores denotam a concentração de um fármaco ou pró-fármaco na qual a função vital de 50% das células viáveis é inibida
Ig
imunoglobulina
IR
receptor de insulina
IRS
substrato do receptor de insulina
lmm
ligante de baixa massa molecular
MAC
concentração máxima permitida no local de trabalho
MIC
concentração inibitória mínima
NAD
nicotinamida adenina dinucleotídeo (forma oxidada)
NADH
nicotinamida adenina dinucleotídeo (forma reduzida)
NADP
nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (forma oxidada)
NADPH
nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (forma reduzida)
PIK
fosfatidil-inositol quinase
PKB
proteína quinase B
PTPase
proteína tirosina fosfatase
ROS
espécies reativas de oxigênio
SARS
síndrome respiratória aguda grave
STZ
estreptozotocina
SV
vírus símio
Tf
transferrina
tsc
tiossemicarbazona
O aspecto possivelmente mais importante na escolha do vanádio como metal central nesses compostos de coordenação é sua reconstituição (parcial) para vanadato(V) e oxidovanádio(IV) no meio fisiológico. O vanadato é um antagonista do fosfato – conforme demonstrado pela primeira vez por Cantley em 1977 para a inibição da Na,K-ATPase, a bomba de sódio-potássio. Com base na interferência do vanadato com processos metabólicos dependentes de fosfato em geral, e na atividade enzimática regulada por fosfato em particular, o vanadato também foi introduzido na melhora de disfunções cardíacas e no combate a tumores malignos. Esta última aplicação, investigada sistematicamente pela primeira vez por Köpf e Köpf-Maier, baseia-se, pelo menos em parte, na interação direta de fragmentos estáveis de vanádio-ligante com o DNA de células cancerígenas – e assim lembra a ação do bem estabelecido fármaco anticancerígeno cisplatina. Fragmentos estáveis em compostos de vanádio são representados pelos ligantes ciclopentadieneto em vanadocenos, e por ligantes aromáticos oligodentados N-funcionais, como a orto-fenantrolina e seus derivados. Por último, mas não menos importante, outro aspecto funcional dos compostos de vanádio é a capacidade do VO2+ de interferir – em uma reação do tipo Fenton – com as concentrações teciduais de espécies reativas de oxigênio.
Por favor, cite como: Met. Ions Life Sci. 13 (2013) 139–169
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