Data-Driven Identification of Hydrogen Sulfide Scavengers

硫化氫清除劑的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)識(shí)別

來(lái)源：Angewandte Chemie（2019年，第131卷）

 

論文總結(jié)

研究通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，從H2S熒光傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選并鑒定出高效的H2S清除劑，重點(diǎn)評(píng)估了磺酰基疊氮類化合物的清除效率、選擇性和生物學(xué)應(yīng)用。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，硫化氫（H2S）是一種重要的信號(hào)分子，其濃度上調(diào)和下調(diào)具有特定的生物學(xué)后果。盡管近年來(lái)通過(guò)開(kāi)發(fā)H2S供體在濃度上調(diào)方面取得顯著進(jìn)展，但精確下調(diào)H2S濃度仍具挑戰(zhàn)性，主要由于缺乏H2S生產(chǎn)酶的有效抑制劑。開(kāi)發(fā)H2S清除劑被視為解決這一問(wèn)題的替代方法。由于H2S化學(xué)傳感器和清除劑具有相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如反應(yīng)速率和選擇性），研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了H2S傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)，總結(jié)了已報(bào)道傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析，篩選出30個(gè)潛在化合物，進(jìn)一步評(píng)估后鑒定出一組基于磺酰基疊氮模板的有前景清除劑。這些清除劑在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出高效的H2S清除能力。

 

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

 

開(kāi)發(fā)高效、特異的H2S清除劑，以精確下調(diào)內(nèi)源性H2S水平，避免使用酶抑制劑可能引起的副作用（如干擾硫代謝）。

利用H2S傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，快速識(shí)別具有高反應(yīng)速率和選擇性的清除劑候選物。

驗(yàn)證清除劑在復(fù)雜生物環(huán)境（如細(xì)胞培養(yǎng)基、酶系統(tǒng)和小鼠模型）中的有效性，并評(píng)估其毒性。

 

探索清除劑作為H2S中毒解毒劑的治療潛力，填補(bǔ)當(dāng)前缺乏特異性解毒劑的空白。

 

研究思路

研究采用“數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建-數(shù)據(jù)篩選-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-機(jī)制探討”的系統(tǒng)策略：

 

數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建：整合已報(bào)道的H2S熒光傳感器數(shù)據(jù)（http://sensor.eecs.wsu.edu/index/

），總結(jié)關(guān)鍵參數(shù)如反應(yīng)時(shí)間、選擇性、細(xì)胞毒性等。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)篩選：基于反應(yīng)時(shí)間（快慢分組）和選擇性（對(duì)H2S vs. 生物硫醇如半胱氨酸>100倍）等標(biāo)準(zhǔn)，從8類傳感器模板中篩選30個(gè)候選化合物（Fig. 2）。

清除效率評(píng)估：使用丹麥Unisense H2S微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)H2S濃度變化，計(jì)算T1/2（濃度降至50%所需時(shí)間），篩選出11個(gè)高效清除劑（T1/2 < 5分鐘）。

復(fù)雜環(huán)境驗(yàn)證：在細(xì)胞培養(yǎng)基（含10%胎牛血清）中通過(guò)亞甲藍(lán)法測(cè)量H2S殘留；在酶系統(tǒng)（CARS酶）中通過(guò)LC-MS/MS分析反應(yīng)產(chǎn)物。

毒性和生物學(xué)驗(yàn)證：測(cè)試清除劑在細(xì)胞系（HeLa、SNU398）中的毒性；在癌癥生長(zhǎng)和炎癥模型中評(píng)估清除劑對(duì)H2S生物學(xué)功能的抑制；在小鼠H2S中毒模型中測(cè)試生存率。

 

機(jī)制分析：探討磺?；B氮與H2S的反應(yīng)機(jī)制（生成S8和磺酰胺）。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖編號(hào)）及研究意義：

 

傳感器反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 1）

 

數(shù)據(jù)：8類傳感器的平均反應(yīng)時(shí)間，類型5-8（醛基、二硫鍵、磺?；B氮、吲哚基）反應(yīng)最快（<10分鐘），類型1-3（苯并惡二唑、芳基硝基、芳基疊氮）較慢（約60分鐘）。

 

研究意義：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)篩選的基礎(chǔ)，快速反應(yīng)模板（如磺?；B氮）被優(yōu)先選為清除劑候選，確保清除效率。

 

清除劑候選物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)：30個(gè)候選清除劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)，涵蓋11種模板，如磺?；B氮（SS15-21）、醛基（SS10）等。

 

研究意義：結(jié)構(gòu)多樣性確保篩選覆蓋面，磺?；B氮類因高反應(yīng)性成為重點(diǎn)。

 

H2S清除曲線數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)：SS16（磺?；B氮）清除快（T1/2短），SS5（芳基疊氮）清除慢；T1/2用于量化效率。

 

研究意義：直接證明清除劑速率差異，T1/2作為關(guān)鍵指標(biāo)篩選高效清除劑（T1/2 < 5分鐘）。

 

復(fù)雜環(huán)境中H2S測(cè)量數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 4）

 

數(shù)據(jù)：在含血清培養(yǎng)基中，磺?；B氮類（SS15-20、SS22）顯著降低H2S殘留量，而其他清除劑（SS2、SS3等）效果減弱。

 

研究意義：驗(yàn)證清除劑在生物相關(guān)環(huán)境中的穩(wěn)定性，血清成分可能競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，但磺?；B氮類仍保持高效。

 

LC-MS/MS反應(yīng)機(jī)制數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5）

 

數(shù)據(jù)：SS19（磺酰基疊氮）在緩沖液和CARS酶系統(tǒng)中快速清除H2S（幾分鐘內(nèi)），并降低半胱氨酸過(guò)硫化物水平。

 

研究意義：證實(shí)清除劑直接與H2S反應(yīng)，并影響相關(guān)硫物種平衡，支持其特異性。

 

細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 6）

 

數(shù)據(jù)：SS17預(yù)處理抑制H2S誘導(dǎo)的SNU398癌細(xì)胞生長(zhǎng)，并減弱H2S的抗炎作用（降低TNF-α分泌）。

 

研究意義：清除劑能有效消除H2S的生物學(xué)功能，證明其在調(diào)控病理過(guò)程（如癌癥、炎癥）中的工具價(jià)值。

 

體內(nèi)生存率數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 7）

 

數(shù)據(jù)：SS20（磺酰基疊氮）處理使H2S中毒小鼠全部存活，優(yōu)于對(duì)照組（57%死亡率）和羥鈷胺（HC）組。

 

研究意義：首次證明清除劑作為H2S解毒劑的體內(nèi)有效性，為臨床開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法有效：基于H2S傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)的篩選策略，成功鑒定出磺酰基疊氮類高效清除劑，證明數(shù)據(jù)庫(kù)在化學(xué)探針開(kāi)發(fā)中的實(shí)用性。

清除劑高效特異：磺?；B氮類清除劑（如SS15-20）反應(yīng)快（T1/2 < 5分鐘）、選擇性高（不受半胱氨酸干擾），且毒性低。

多環(huán)境驗(yàn)證：清除劑在緩沖液、細(xì)胞培養(yǎng)基、酶系統(tǒng)和小鼠模型中均有效，能消除H2S的生物學(xué)功能（如促進(jìn)癌細(xì)胞生長(zhǎng)、抗炎作用）。

治療潛力：清除劑在小鼠H2S中毒模型中展現(xiàn)解毒效果，有望成為新型解毒劑。

 

機(jī)制明確：清除劑將H2S轉(zhuǎn)化為惰性S8，避免二次毒性，同時(shí)維持硫物種平衡。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense H2S微傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)H2S濃度變化，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：Unisense傳感器具有高靈敏度（檢測(cè)限低），能連續(xù)測(cè)量密封小瓶中H2S濃度的瞬時(shí)變化（如Fig. 3所示），提供清除反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。這避免了傳統(tǒng)終點(diǎn)法（如亞甲藍(lán)法）的時(shí)間延遲，使T1/2計(jì)算更精確。

量化清除效率：通過(guò)濃度-時(shí)間曲線（如Fig. 3a和b），直接比較不同清除劑的速率（T1/2），篩選出高效候選物（T1/2 < 5分鐘）。例如，SS16的快速清除曲線驗(yàn)證了磺?；B氮模板的優(yōu)勢(shì)。

驗(yàn)證選擇性：傳感器監(jiān)測(cè)顯示，有效清除劑（如SS16）在加入半胱氨酸后仍保持高效（支持信息Fig. S3），證明其對(duì)H2S的特異性，避免與生物硫醇的交叉反應(yīng)。

方法可靠性：以CuSO4為陽(yáng)性對(duì)照（支持信息Fig. S2b），傳感器響應(yīng)迅速，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。Unisense數(shù)據(jù)的可重復(fù)性為高通量篩選提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：微傳感器無(wú)需樣品預(yù)處理，減少擾動(dòng)，特別適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液相反應(yīng)。其高時(shí)間分辨率（秒級(jí)）捕捉了清除反應(yīng)的初始速率，這是理解機(jī)制的關(guān)鍵。

 

研究意義延伸：Unisense數(shù)據(jù)不僅是篩選工具，還揭示了清除劑與H2S反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，支持了后續(xù)機(jī)制研究（如LC-MS/MS分析）。沒(méi)有這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，清除劑的速率參數(shù)和比較評(píng)估將缺乏直接證據(jù)。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的核心實(shí)驗(yàn)手段，通過(guò)提供實(shí)時(shí)、定量的H2S濃度變化，確保了清除劑篩選的準(zhǔn)確性和可靠性，為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的成功奠定了基礎(chǔ)。