Data-Driven Identification of Hydrogen Sulfide Scavengers

硫化氫清除劑的數據驅動識別

來源：Angewandte Chemie（2019年，第131卷）

 

論文總結

研究通過數據驅動方法，從H2S熒光傳感器數據庫中篩選并鑒定出高效的H2S清除劑，重點評估了磺酰基疊氮類化合物的清除效率、選擇性和生物學應用。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，硫化氫（H2S）是一種重要的信號分子，其濃度上調和下調具有特定的生物學后果。盡管近年來通過開發H2S供體在濃度上調方面取得顯著進展，但精確下調H2S濃度仍具挑戰性，主要由于缺乏H2S生產酶的有效抑制劑。開發H2S清除劑被視為解決這一問題的替代方法。由于H2S化學傳感器和清除劑具有相同的設計標準（如反應速率和選擇性），研究團隊構建了H2S傳感器數據庫，總結了已報道傳感器的關鍵參數。通過數據驅動分析，篩選出30個潛在化合物，進一步評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實驗中均表現出高效的H2S清除能力。

 

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

開發高效、特異的H2S清除劑，以精確下調內源性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傳感器數據庫的數據驅動方法，快速識別具有高反應速率和選擇性的清除劑候選物。

驗證清除劑在復雜生物環境（如細胞培養基、酶系統和小鼠模型）中的有效性，并評估其毒性。

 

探索清除劑作為H2S中毒解毒劑的治療潛力，填補當前缺乏特異性解毒劑的空白。

 

研究思路

研究采用“數據庫構建-數據篩選-實驗驗證-機制探討”的系統策略：

 

數據庫構建：整合已報道的H2S熒光傳感器數據（http://sensor.eecs.wsu.edu/index/

），總結關鍵參數如反應時間、選擇性、細胞毒性等。

數據驅動篩選：基于反應時間（快慢分組）和選擇性（對H2S vs. 生物硫醇如半胱氨酸>100倍）等標準，從8類傳感器模板中篩選30個候選化合物（Fig. 2）。

清除效率評估：使用丹麥Unisense H2S微傳感器實時監測H2S濃度變化，計算T1/2（濃度降至50%所需時間），篩選出11個高效清除劑（T1/2 < 5分鐘）。

復雜環境驗證：在細胞培養基（含10%胎牛血清）中通過亞甲藍法測量H2S殘留；在酶系統（CARS酶）中通過LC-MS/MS分析反應產物。

毒性和生物學驗證：測試清除劑在細胞系（HeLa、SNU398）中的毒性；在癌癥生長和炎癥模型中評估清除劑對H2S生物學功能的抑制；在小鼠H2S中毒模型中測試生存率。

 

機制分析：探討磺酰基疊氮與H2S的反應機制（生成S8和磺酰胺）。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖編號）及研究意義：

 

傳感器反應時間數據（來源：Fig. 1）

 

數據：8類傳感器的平均反應時間，類型5-8（醛基、二硫鍵、磺酰基疊氮、吲哚基）反應最快（<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：數據驅動篩選的基礎，快速反應模板（如磺酰基疊氮）被優先選為清除劑候選，確保清除效率。

 

清除劑候選物結構數據（來源：Fig. 2）

 

數據：30個候選清除劑的化學結構，涵蓋11種模板，如磺酰基疊氮（SS15-21）、醛基（SS10）等。

 

研究意義：結構多樣性確保篩選覆蓋面，磺酰基疊氮類因高反應性成為重點。

 

H2S清除曲線數據（來源：Fig. 3）

 

數據：SS16（磺酰基疊氮）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作為關鍵指標篩選高效清除劑（T1/2 < 5分鐘）。

 

復雜環境中H2S測量數據（來源：Fig. 4）

 

數據：在含血清培養基中，磺酰基疊氮類（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：驗證清除劑在生物相關環境中的穩定性，血清成分可能競爭反應，但磺酰基疊氮類仍保持高效。

 

LC-MS/MS反應機制數據（來源：Fig. 5）

 

數據：SS19（磺酰基疊氮）在緩沖液和CARS酶系統中快速清除H2S（幾分鐘內），并降低半胱氨酸過硫化物水平。

 

研究意義：證實清除劑直接與H2S反應，并影響相關硫物種平衡，支持其特異性。

 

細胞生物學效應數據（來源：Fig. 6）

 

數據：SS17預處理抑制H2S誘導的SNU398癌細胞生長，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的生物學功能，證明其在調控病理過程（如癌癥、炎癥）中的工具價值。

 

體內生存率數據（來源：Fig. 7）

 

數據：SS20（磺酰基疊氮）處理使H2S中毒小鼠全部存活，優于對照組（57%死亡率）和羥鈷胺（HC）組。

 

研究意義：首次證明清除劑作為H2S解毒劑的體內有效性，為臨床開發提供基礎。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

數據驅動方法有效：基于H2S傳感器數據庫的篩選策略，成功鑒定出磺酰基疊氮類高效清除劑，證明數據庫在化學探針開發中的實用性。

清除劑高效特異：磺酰基疊氮類清除劑（如SS15-20）反應快（T1/2 < 5分鐘）、選擇性高（不受半胱氨酸干擾），且毒性低。

多環境驗證：清除劑在緩沖液、細胞培養基、酶系統和小鼠模型中均有效，能消除H2S的生物學功能（如促進癌細胞生長、抗炎作用）。

治療潛力：清除劑在小鼠H2S中毒模型中展現解毒效果，有望成為新型解毒劑。

 

機制明確：清除劑將H2S轉化為惰性S8，避免二次毒性，同時維持硫物種平衡。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense H2S微傳感器用于實時監測H2S濃度變化，其研究意義主要體現在：

 

實時動態監測：Unisense傳感器具有高靈敏度（檢測限低），能連續測量密封小瓶中H2S濃度的瞬時變化（如Fig. 3所示），提供清除反應的動力學數據。這避免了傳統終點法（如亞甲藍法）的時間延遲，使T1/2計算更精確。

量化清除效率：通過濃度-時間曲線（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的快速清除曲線驗證了磺酰基疊氮模板的優勢。

驗證選擇性：傳感器監測顯示，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H2S的特異性，避免與生物硫醇的交叉反應。

方法可靠性：以CuSO4為陽性對照（支持信息Fig. S2b），傳感器響應迅速，確保實驗系統的可靠性。Unisense數據的可重復性為高通量篩選提供了技術基礎。

技術優勢：微傳感器無需樣品預處理，減少擾動，特別適合實時監測液相反應。其高時間分辨率（秒級）捕捉了清除反應的初始速率，這是理解機制的關鍵。

 

研究意義延伸：Unisense數據不僅是篩選工具，還揭示了清除劑與H2S反應的動態過程，支持了后續機制研究（如LC-MS/MS分析）。沒有這些實時數據，清除劑的速率參數和比較評估將缺乏直接證據。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的核心實驗手段，通過提供實時、定量的H2S濃度變化，確保了清除劑篩選的準確性和可靠性，為數據驅動方法的成功奠定了基礎。