Ce este deuteriul

Următorul material a fost pregătit pentru CEM 181H la Michigan State University în toamna anului 1998; vorbitori: Dr. Marcos Dantus și Elizabeth Croal, Kirk Down, Michael Maile, Jan Mincarelli, Nancy Kim.

Deși deuteriul, cunoscut și sub numele de apă grea, este prezent în cantități relativ mari, se știe puțin despre efectele sale asupra corpului uman după consum. Experimentele la șobolani au arătat că o dietă care conține apă îmbogățită cu deuteriu reduce rata mitozei celulare, printre alte efecte. Deși anatomia generală a șobolanilor este fundamental diferită de cea a oamenilor, diviziunea celulară este similară fiziologic. Această similitudine ridică posibilitatea ca un efect similar să poată fi atins la oameni. Dacă acesta este într-adevăr cazul, o dietă îmbogățită cu deuteriu poate fi extrem de utilă în tratarea bolilor la om, cum ar fi cancerul, pentru care diviziunea celulară este esențială pentru boală. S-a constatat anterior că apa grea are un efect bun asupra anumitor tipuri de cancer. Cu toate acestea, trebuie studiată măsura în care acest lucru poate fi aplicat în practica clinică și efectele adverse potențiale ale acestuia asupra corpului uman.

Proprietățile fizice ale deuteriului

Deuteriul este un izotop stabil al hidrogenului, ceea ce înseamnă că este non-radioactiv și are o durată de viață foarte lungă. Deuteriul este același element ca hidrogenul, dar are un neutron, deci cântărește de două ori mai mult decât prociul. Deuteriul a fost descoperit de Harold Urey în 1932. Deuteriul a fost primul izotop care a fost izolat în formă pură. Se crede că deuteriul își are originea în faza inițială a big bang-ului. Un neutron liber se descompune în zece minute dacă nu interacționează cu un proton, cu care formează nucleul unui atom de deuteriu. Majoritatea atomilor de deuteriu au format heliu, dar unii au rămas sub formă de deuteriu.

Când doi ioni deuteriu formează un ion de oxigen, se formează oxid de deuteriu, adică apă grea. Arată și are un gust similar cu apa normală, dar unele dintre proprietățile sale sunt diferite. Proprietățile fizice ale apei grele sunt diferite de cele ale apei obișnuite. Apa grea fierbe la 101,41 grade Celsius și îngheață la 3,79 grade Celsius. Oxidul de deuteriu are, de asemenea, o capacitate termică mai mare, căldură de fuziune, căldură de evaporare și entropie decât apa. Vâscozitatea apei grele este, de asemenea, mai mare decât cea a apei. Mai mult, deuteriul nu este un solvent la fel de bun ca apa. Deuteriul formează legături mai puternice decât hidrogenul.

Aproximativ una din șase mii de picături de apă reprezintă o picătură de oxid de deuteriu. Raportul deuteriu-hidrogen pe pământ este de 1: 6600.

Efectele biologice ale deuteriului

Multe experimente diferite au fost efectuate pentru a testa efectele deuteriului asupra diferitelor rozătoare, iar rezultatele au fost rezumate în J.F. Thomson în Efectele biologice ale deuteriului. Când oxidul de deuteriu pur, adică apă grea, este dat rozătoarelor, pare a fi neplăcut pentru ei. Are un gust similar cu apa distilată sau apă fără oxigen pentru oameni. Este mai plăcut pentru rozătoare să aerisească sau să adauge urme de săruri.

Când se administrează apă grea acestor animale, aceasta este ușor absorbită și nu pare să fie filtrată și excretată de rinichi. Oxidul de deuteriu este încorporat în organism până când ajunge la echilibru, care este de obicei optzeci la sută din concentrația consumată de rozătoare.

Rezultatele experimentelor la șobolani și șoareci par a fi consecvente. Atunci când apa grea înlocuiește zero până la cincisprezece la sută din conținutul de apă din organism, aceasta nu provoacă o schimbare semnificativă, cu excepția faptului că creșterea în greutate a animalelor nu este la fel de rapidă ca cea a grupului de control. La cincisprezece până la douăzeci la sută, animalele devin foarte iritabile. Douăzeci și douăzeci și cinci la sută din animale sunt deja atât de iritabile încât convulsiile apar adesea atunci când sunt stimulate. În acest moment, apar leziuni ale pielii, ulcere la nivelul picioarelor și gurii și necroză (coadă-necroză).

În același timp, animalele devin foarte agresive, masculii sunt aproape imposibil de gestionat. Când rata de substituție ajunge la treizeci la sută, animalele refuză să mănânce și cad în comă. Greutatea lor corporală scade brusc, iar metabolismul șoarecilor scade sub nivelurile normale. Când substituția ajunge la treizeci până la treizeci și cinci la sută, rozătoarele sunt ucise. Toleranța la oxidul de deuteriu nu pare să se dezvolte în timp, dar efectele sunt reversibile, cu excepția cazului în care animalul pierde mai mult de treizeci la sută din greutatea corporală anterioară din cauza apei grele.

Funcția renală a fost studiată la șobolanii vii după administrarea de oxid de deuteriu: s-a constatat că creșterea concentrației de deuteriu în organism a scăzut rata de filtrare glomerulară și fluxul plasmatic renal (cantitatea de plasmă care curge prin rinichi). Ca urmare, funcția generală a rinichilor a scăzut, de asemenea. Acest proces este, de asemenea, complet reversibil: dacă șobolanilor li s-a administrat din nou apă, funcția renală a revenit la normal într-un timp scurt.

S-a constatat că atunci când concentrația de oxid de deuteriu în organism a depășit douăzeci și douăzeci și cinci la sută, formarea eritrocitelor mature, adică a celulelor roșii din sânge, a fost complet oprită. Numărul de celule roșii din sânge ar putea fi readus la niveluri normale de la până la douăzeci și cinci la sută din valorile normale dacă șobolanii ar fi readuși în apă normală. Problema este că, atunci când reducerea numărului de globule roșii ajunge la douăzeci și cinci la sută, mulți dintre rozătoare mor în anemie. Șobolanii îmbogățiți cu deuteriu au avut, de asemenea, probleme în menținerea nivelului normal al glicemiei. Chiar dacă au primit o injecție de glucoză, nivelul lor de glucoză a scăzut sub nivelurile normale în câteva ore. Mai mult, șobolanii nu au putut stoca glucoza ca glicogen hepatic.

Metabolismul și temperatura corpului șoarecilor depindeau de concentrația de oxid de deuteriu din corpul lor.

Sursa informației: J.F. Thomson: Efectele biologice ale deuteriului

Oxid de deuteriu și mitoză

Mitoza este proliferarea asexuată a celulelor și divizarea nucleului. O celulă își dublează ADN-ul și apoi se împarte în două celule descendente în patru etape. Organismele diferențiază, cresc și înlocuiesc celulele moarte prin mitoză. Acesta joacă un rol fundamental în creșterea și sănătatea corpului și, în general, orice substanță care inhibă sau distruge acest proces (cum ar fi oxidul de deuteriu) ar trebui evitată. Cu toate acestea, în cancer, mitoza apare atât de rapid și continuu încât provoacă tumori și afectează negativ multe funcții comune ale corpului. Prin urmare, inhibitorul mitozei poate fi benefic în prevenirea creșterii cancerului. Proprietățile oxidului de deuteriu oferă o oportunitate promițătoare în tratamentul cancerului.

În primul rând, procesul complex de mitoză trebuie examinat. Își petrece cea mai mare parte a vieții într-o fază numită interfază. În această fază, celula efectuează activitate metabolică normală, transformă proteinele și copiază ADN-ul.
Interfaza nu este o etapă a mitozei, deși ADN-ul este apoi copiat. Prima etapă a mitozei este profilaxia. În timpul profilaxiei, membrana celulară dispare, ADN-ul se dublează, iar sub formă de fibre fus, se pliază în cromozomi (cromatide surori) care se conectează în mijloc (kinetocore). A doua etapă este metafaza, în care cromatidele frate sunt aliniate în planul ecuatorial al celulei (așa-numita placă metafazică). A treia etapă este anafaza, când cromatidele frate se separă datorită contracției fibrelor fusului și se deplasează spre cei doi poli ai celulei. În telofaza, ultima etapă a mitozei, are loc inversul profazei; cromozomii se desfășoară, se formează membrana celulară, iar fibrele fusului dispar. În telofază apare citokineza, care este separarea citoplasmei. Mitoza (diviziunea nucleară) și citokineza (separarea citoplasmatică) duc împreună la diviziunea celulară.

Trecând de la biologie la chimie, mitoza poate fi studiată prin macromolecule celulare. ADN-ul conține hidrogen în baze azotate și zaharuri deoxiriboză. De fapt, forma dublei spirale a macromoleculelor ADN este formată din legături între baze azotate opuse.

Când oxidul de deuteriu intră în celulă, atomii de deuteriu înlocuiesc treptat atomii de hidrogen din molecula ADN. Legăturile dintre atomii de deuteriu sunt mai puternice decât legăturile originale de hidrogen și, prin urmare, molecula ADN devine mai rigidă. Procesul mitozei este foarte dependent de legăturile de hidrogen din ADN, astfel încât orice modificare a acestuia va afecta negativ mitoza. De exemplu, pentru a dubla ADN-ul, helica dublă trebuie să se relaxeze și, atunci când deuteriul este încorporat în ADN, acesta devine mai rigid și mai greu de derulat. Sau, chiar dacă ADN-ul este dublat, oxidul de deuteriu poate afecta în continuare mitoza. Când ADN-ul începe să se desfășoare în cromozomi, oxidul de deuteriu determină scurtarea sau îngroșarea cromozomilor. Efectul poate fi resimțit și în citoplasmă, care devine mai rigidă datorită vâscozității mai mari a apei grele și, prin urmare, împiedică diviziunea celulară. Este foarte important să știm că oxidul de deuteriu este special printre agenții anti-mitotici, deoarece funcționează în multe faze ale procesului mitotic, spre deosebire de majoritatea celorlalte substanțe care acționează în mod specific asupra uneia dintre fazele mitozei.

Efectul deuteriului asupra mitozei

Nu s-au făcut prea multe cercetări cu privire la efectul deuteriului asupra mitozei, ceea ce este surprinzător deoarece încă nu se știe de ce deuteriul încetinește mitoza. În 1989, Jan Lamprecht, Dieter Schroeter și Niedhard Paweletz au efectuat cercetări la Institutul de biologie celulară și tumorală și la Centrul german de cercetare a cancerului din Heidelberg. Au fost investigate mecanismele care stau la baza activității anti-mitotice a oxidului de deuteriu și modul în care acesta afectează celulele somatice ale mamiferelor în diferite stadii ale mitozei. Efectul deuteriului a fost studiat anterior la ouăle de cobai, dar celulele animalelor superioare nu au fost studiate.

În studiu, într-un test, celulele au fost păstrate în 25%, 50% și 75% oxid de deuteriu timp de două ore, iar în celălalt, celulele au fost păstrate în apă grea 75% timp de două, șase, doisprezece și douăzeci de ore . Procentul de celule din profază, metafază, anafază, telofază și perechi citokinetice (interfază) a fost apoi determinat și nucleele au fost restaurate (celule în care membrana nucleului a reapărut, dar celula nu a completat diviziunea).

Datele au arătat că existau anormal de multe celule în profază și metafază, în special metafază. Pe măsură ce procentul de oxid de deuteriu a crescut, incidența celulelor în metafază a crescut. Acest lucru, la rândul său, sugerează că efectul anti-mitotic al oxidului de deuteriu este optimizat între metafază și anafază. În celulele din oxid de deuteriu, dispunerea la placa metafazică a fost o problemă. Cromozomii au fost adesea dispuși radial mai degrabă decât în linie dreaptă și acest lucru a împiedicat apariția anafazei. Deși oxidul de deuteriu părea să afecteze fibrele fusului, această ipoteză a fost răsturnată deoarece fibrele au fost, de asemenea, capabile să se contracte sau să se extindă în apă îmbogățită cu deuteriu.

Cercetătorii au crezut că apa grea afectează centrosomii cromozomiali (kinetocori); își pierd cumva capacitatea de a se așeza și astfel fibrele fusului nu se pot conecta cu precizie sau mișcarea lor este încetinită de vâscozitatea crescută a oxidului de deuteriu. Cercetătorii au sugerat cercetări suplimentare, deoarece nu au putut determina cu certitudine ce a cauzat efectul anti-mitotic, deși teoria lor era logică. Din păcate, nu au existat alte cercetări pe această temă.

Efectul deuteriului asupra cancerului

Cercetările privind efectele apei grele asupra creșterii cancerului s-au concentrat în primul rând asupra modului în care apa deuterată moderată poate reduce rata de creștere a tumorii la șoarecii cu deficit de timus. Absența unui timus (timus) înseamnă că șoarecii nu au un sistem imunitar și, prin urmare, se pot infecta cu cancer prin injectarea celulelor canceroase în șoarece. Cercetătorii elvețieni de la Universitatea din Berna, Hans Altermatt, Jan-Olaf Gebbers și Jean Albert Laissue, au arătat că atunci când acestor șoareci li se administrează apă grea, efectele sale sunt similare și sinergice cu alți agenți citostatici.

Șoarecii tumorali au fost împărțiți în trei grupuri: șoareci care au primit doar apă grea, șoareci care au primit doar agenți citostatici (în funcție de originea celulelor de la care au fost inoculate tumorile) și șoareci care au primit atât apă grea, cât și agenți citostatici. de asemenea, un grup de control. Mărimea și greutatea tumorilor induse la șoareci au fost, de asemenea, măsurate, iar rezultatele au fost comparate pentru a compara fiecare tratament. Rezultatele experimentului au fost clare pentru tumorile de șoarece derivate din celule tumorigenice mai puțin diferențiate; șoarecii de control au avut întotdeauna cea mai mare creștere tumorală. La șobolanii cărora li s-au administrat fie agenți citostatici, fie deuteriu, creșterea tumorii a fost semnificativ redusă, dar efectul a fost ușor mai mare decât deuteriul. În cele din urmă, când s-au combinat agenți citostatici și deuteriu, creșterea tumorii a fost chiar mai lentă la șoareci. Pentru tumorile din celule canceroase mai diferențiate, apa deuterizată a fost mai puțin eficientă. Cercetarea a constatat că apa grea a fost la fel de eficientă ca o alternativă la alte medicamente în întârzierea creșterii cancerului, dar nu a examinat efectele secundare ale apei deuterizate asupra șoarecilor.

Înainte ca deuteriul să poată fi utilizat într-un cadru clinic, trebuie făcute cercetări aprofundate pentru a determina efectele acestuia asupra corpului uman. Desigur, ar trebui efectuate studii preliminare pe organizații mai simple. Studiile sunt treptate, mai întâi în cutii Petri, apoi la șobolani, maimuțe și în cele din urmă la oameni.

În primul rând, trebuie făcute experimente pentru a afla care este concentrația de deuteriu din organism și cât poate dura până să păstreze tratamentul în siguranță.

În mod natural, sunt de așteptat efecte adverse, cum ar fi asupra sistemului digestiv, o scădere a numărului de celule roșii din sânge și o scădere a capacității de vindecare. Ideea este de a găsi punctul în care beneficiile tratamentului cu deuteriu depășesc pe cât posibil dezavantajele.

Acest punct optim nu poate fi găsit imediat. Multe teste trebuie efectuate în perioade de timp diferite și cu concentrații diferite de deuteriu pentru a găsi cea mai bună combinație care să minimizeze efectele adverse.

În plus față de efectele pe termen scurt, efectele pe termen lung trebuie determinate în timpul testelor. Toate sistemele de organe din corp trebuie examinate cu atenție. În plus, ar trebui luate în considerare metode precum o dietă fără deuteriu pentru a ajuta organismul să-și găsească din nou echilibrul optim.

Odată stabilite limitele pentru utilizarea în siguranță a deuteriului, următorul pas logic ar fi investigarea compatibilității tratamentului cu deuteriu cu chimioterapie și radioterapie. Acest lucru ar fi important deoarece tratamentul cu deuteriu nu vindecă cancerul, ci doar inhibă dezvoltarea acestuia. Prin urmare, tratamentul anticancer trebuie utilizat în combinație cu tratamentul cu deuteriu. Eficacitatea tratamentului cu deuteriu ar trebui testată și în diferite tipuri de cancer la om.

Deuteriul din organism încetinește mitoza atât în celulele normale, cât și în celulele canceroase. Prin încetinirea mitozei, reduce rata de creștere a cancerului, sperăm până la punctul în care se oprește sau previne metastazele pentru a permite timp pentru ca tumora să fie îndepărtată chirurgical. De asemenea, încetinește creșterea tumorii și îmbunătățește eficacitatea iradierii și a chimioterapiei. Deuteriul se administrează sub formă de oxid de deuteriu, adică apă grea, în concentrații relativ scăzute pentru a minimiza severitatea altor efecte.

Tratamentul poate afecta, de asemenea, sistemele de organe cu activitate metabolică sau mitotică foarte mare. Astfel sistemul digestiv și măduva osoasă. Vindecarea este, de asemenea, încetinită semnificativ, deoarece este, de asemenea, dependentă de mitoză. Acest lucru, la rândul său, poate provoca complicații la pacienții care au și alte probleme fizice. La pacienții care au finalizat iradiere, chimioterapie sau intervenție chirurgicală, tratamentul cu deuteriu trebuie întrerupt imediat. Concentrația de deuteriu în corpul lor va scădea treptat și nivelurile normale de mitoză vor fi restabilite în timp ce pacientul se recuperează de la alte tratamente.

Efectul inhibitor al oxidului de deuteriu asupra mitozei celulare oferă o oportunitate care poate fi utilizată în tratamentul cancerului uman. Tratamentele actuale pentru pacienții cu cancer, cum ar fi chimioterapia sau radiațiile, provoacă traume în organism; deși apa grea nu le înlocuiește, aceasta previne dezvoltarea metastazelor sau a cancerului. Datorită proprietăților sale inhibitoare mitotice, celula deuteriu poate fi utilizată pentru a încetini creșterea oricărei tumori până când tumorile pot fi ucise în moduri cunoscute în prezent. Astfel, utilizarea acestor metode de tratament poate fi redusă la minimum.

Principalul factor limitativ în utilizarea oxidului de deuteriu la om este că, dacă este utilizat într-o concentrație prea mare sau prea mult timp, poate avea efecte dăunătoare asupra pacientului. Dacă se utilizează mult timp, chiar și concentrațiile scăzute pot avea efecte secundare grave. Prin urmare, oxidul de deuteriu este cel mai bine folosit ca intermediar pentru a ajuta alte metode de tratament al cancerului.

Șoareci cu deficit de timus: cunoscuți și sub numele de șoareci goi, cărora le lipsește timusul și, prin urmare, nu au păr pe ele.

Citostatic: inhibitor al creșterii celulare.

Celule canceroase diferențiate: celule reprezentând stadiul avansat al cancerului.

Rată de filtrare glomerulară: rata filtrării sângelui prin capilare în rinichi.

Glicogen: depozit de glucoză bogat ramificat în ficat și mușchii animalelor, echivalentul animal al amidonului.

Metastaza: răspândirea celulelor canceroase, transferul lor din organul original într-un alt loc.

Necroză: distrugerea țesuturilor.

Prócium: un atom de hidrogen cu un proton și un electron.

Fluxul plasmatic renal: flux de sânge în rinichi.

Celula somatica: orice celulă a unui organism multicelular, alta decât o spermatozoid sau un ovul.

Fibrele bobinei: molecule proteice lungi, cilindrice.

Sinergie: s-au întâmplat lucruri diferite în același timp, al căror efect este astfel mai mare decât suma efectelor individuale.

Timus (timus): glanda endocrină din gâtul mamiferelor, care este responsabilă pentru funcționarea sistemului imunitar; secretă timozină, care stimulează celulele T.

Tumorigenic: cauzatoare de tumori.

Viscozitate: proprietăți ale lichidelor, caracterizează densitatea și fluiditatea acestora.