Subcellular Delivery of Hydrogen Sulfide Using Small Molecule Donors Impacts Organelle Stress

使用小分子供體進行硫化氫的亞細胞傳遞會影響細胞器應激

來源：J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 17651?17660

 

一、摘要概述

 

本文開發了首個亞細胞器靶向的硫化氫（H?S）供體庫，通過將高爾基體、溶酶體、內質網（ER）和線粒體的靶向基團與硫代氨基甲酸酯（TCM）支架結合（圖1b），實現了H?S在特定細胞器的定位釋放。

 

 

關鍵創新：

 

利用點擊化學構建模塊化供體庫（圖1a）。

 

通過酯酶激活釋放羰基硫（COS），經碳酸酐酶（CA）轉化為H?S。

 

核心發現：

 

靶向供體在200 nM低濃度下即可在活細胞中定位釋放H?S（圖3-4）。

 

 

 

高爾基體靶向供體（GolgiTCM）顯著緩解高爾基應激誘導的細胞死亡（圖6）。

 

 

二、研究目的

 

解決關鍵需求：填補非線粒體細胞器（如高爾基體、溶酶體、ER）靶向H?S供體的空白，克服傳統供體（如無機硫鹽）的脫靶效應和高濃度毒性問題。

 

探究亞細胞H?S功能：揭示H?S在調節細胞器應激（如ER應激、溶酶體功能障礙）中的特異性作用機制。

 

三、研究思路

 

采用分子設計→體外驗證→細胞功能驗證的三步策略：

 

分子設計：

 

支架選擇：基于TCM的酯酶激活機制（圖1b），釋放COS/ H?S。

 

靶向基團修飾：

 

線粒體：三苯基膦鹽（MitoTCM）。

 

溶酶體：嗎啉基（LysoTCM）。

 

ER：對甲苯磺酰胺（ERTCM）。

 

高爾基體：苯磺酰胺（GolgiTCM）。

 

體外驗證：

 

H?S釋放效率：H?S選擇性電極測量顯示供體釋放效率為9-30%（圖2a）。

 

 

釋放動力學：磺酰胺基供體（ERTCM/GolgiTCM）釋放效率較低，可能與CA活性抑制相關（圖2b）。

 

細胞功能驗證：

 

定位成像：使用細胞器特異性H?S熒光探針（如Mito-HS、Lyso-AFP）確認H?S靶向釋放（圖3）。

 

應激保護：評估供體對細胞器特異性應激的保護作用（如Monensin誘導的高爾基應激）。

 

四、測量數據及其研究意義

1. H?S釋放動力學（圖2）

 

數據來源：圖2a（釋放曲線）、圖2b（速率常數）。

 

關鍵結果：

 

LysoTCM釋放效率最高（30%），ERTCM最低（9%）。

 

初始釋放速率：MitoTCM（0.12 μM/s）> GolgiTCM（0.08 μM/s）。

 

研究意義：證實靶向基團影響H?S釋放動力學，為供體優化提供依據。

 

2. 亞細胞H?S定位成像（圖3-4）

 

數據來源：圖3（共定位成像）、圖4（熒光響應強度）。

 

關鍵結果：

 

MitoTCM與線粒體探針（Mito-HS）共定位系數達0.96（圖3a）。

 

GolgiTCM處理組熒光強度比非靶向供體高4倍（圖4b）。

 

研究意義：首次直接可視化H?S在非線粒體細胞器（如高爾基體、ER）的定位釋放。

 

3. 細胞保護效應（圖6）

 

數據來源：圖6（細胞存活率）。

 

關鍵結果：

 

高爾基應激模型：GolgiTCM（1 μM）將細胞存活率從40%提升至80%（*p<0.001）。

 

特異性對比：溶酶體靶向供體（LysoTCM）加劇細胞死亡，揭示H?S的細胞器依賴性雙效性。

 

研究意義：證明靶向H?S遞送可增強對特定細胞器應激的保護，且濃度（200 nM）比傳統供體低100倍。

 

五、結論

 

技術突破：成功構建首個多細胞器靶向H?S供體庫，實現亞細胞特異性H?S遞送。

 

生物學意義：

 

H?S的保護作用高度依賴釋放位點（如高爾基體靶向保護 vs. 溶酶體靶向毒性）。

 

靶向遞送將有效濃度降至nM級，規避傳統供體的脫靶毒性。

 

應用前景：為研究阿爾茨海默癥（高爾基體碎裂）、心血管疾病（線粒體氧化應激）等提供精準化學工具。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 電極原理與優勢

 

技術特點：Unisense H?S微電極（如Sulf-100）采用安培法檢測，通過氧化電流定量H?S濃度，具備：

 

高時空分辨率：尖端直徑可至25 μm，適用于單細胞微環境監測。

 

實時動態追蹤：秒級響應，捕捉H?S釋放瞬態過程。

 

2. 在本研究的應用關聯

 

互補性驗證：

 

本研究使用H?S選擇性電極（圖2）證實供體釋放效率，而Unisense電極可進一步：

 

空間分辨：驗證亞細胞H?S梯度（如線粒體基質 vs. 胞質）。

 

動力學細化：量化局部釋放速率（如溶酶體酸性環境對LysoTCM激活的影響）。

 

拓展應用場景：

 

組織層面：植入式微電極可活體監測腦缺血模型中靶向H?S的時空分布。

 

機制研究：結合熒光探針，區分H?S與中間體COS的貢獻（如CO水解依賴CA亞型分布）。

 

3. 研究意義

 

深化機制理解：Unisense電極可解析靶向供體在病理模型（如中風后ER應激）中的H?S動力學，揭示局部濃度-效應關系。

 

技術協同優勢：與熒光成像互補，提供定量化學數據支持成像結論（如確認圖4中熒光強度與H?S濃度的線性關聯）。

 

總結：本研究通過創新性供體設計實現了亞細胞精度H?S遞送，揭示了H?S的細胞器依賴性功能。丹麥Unisense電極作為高精度定量工具，可進一步拓展該技術在病理模型中的機制研究和治療應用。