النمذجة الكمية للعلاقة بين الهيكل والنشاط (QSAR) هي طريقة تمثيلية بمساعدة المعلوماتية الحيوية في فحص السمية. يوضح هذا البروتوكول كيفية التقييم الحسابي لمخاطر اضطرابات الغدد الصماء (EDs) في البيئات المائية. وباستخدام مجموعة أدوات منطقة البحر الكاريبي التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي، ينفذ البروتوكول فحصاً في السيليكو لتحليل سمية الـ EDs في الأسماك.
وتتيح التحليلات الحسابية للعمليات السمية فحص المواد الكيميائية بالإنتاجية العالية والتنبؤ بنقاط النهاية في النظم البيولوجية. وعلى وجه الخصوص، يتزايد تطبيق نماذج العلاقة بين الهيكل والنشاط (QSAR) لتقييم الآثار البيئية لكثرة المواد السمية. في السنوات الأخيرة، بعض أنواع أكثر تسليط الضوء على المواد السامة هي اضطرابات الغدد الصماء (EDs، والتي هي المواد الكيميائية التي يمكن أن تتداخل مع أي عملية التمثيل الغذائي ذات الصلة بالهرمونات). لأن EDs قد تؤثر بشكل كبير على نمو الحيوانات والتكاثر، والتنبؤ بسرعة الآثار الضارة للEDs باستخدام في تقنيات silico مطلوب. تقدم هذه الدراسة طريقة في السيليكو لتوليد بيانات التنبؤ على آثار EDs التمثيلية في الفقاريات المائية، ولا سيما أنواع الأسماك. ويصف البروتوكول مثالاً يستخدم سير العمل الآلي لبرمجيات مجموعة أدوات QSAR التي وضعتها منظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي (OECD) لتمكين تنبؤات السمية الإيكولوجية الحادة للمواد الإلكترونية. ونتيجة لذلك، يتم تحديد ما يلي: (1) حساب الارتباطات العددية بين التركيز على 50٪ من الفتك (LC50)ومعامل تقسيم الماء الأوكتانول (Kow)،(2) أداء الإخراج الذي LC50 يتم مقارنة القيم المحددة في التجارب لتلك التي تولدها الحسابات، و (3) الاعتماد على مستقبلات الإستروجين تقارب ملزمة على العلاقة بين Kow و LC50.
وقد مكنت التطورات الجديدة في المعلوماتية والتكنولوجيا الحسابية العلوم البيولوجية من خلال منهجيات كمية توفر دقة عالية وموثوقية1. وعلى وجه الخصوص، أدت الخوارزميات المستخدمة في التصنيف الجزيئي وتصنيف الممتلكات إلى نماذج العلاقة الكمية بين الهيكل والنشاط (QSAR)2. هذه النماذج تربط تلقائيا الهياكل الكيميائية والأنشطة البيولوجية لقاعدة بيانات كيميائية معينة وتنفيذ سريع في الفحص السيليكو لمجموعة واسعة من الركائز الكيميائية وفقا لأعمالهم الطبية أو السمية3. يمكن لأدوات QSAR أن تنتج ملامح سمية تنبؤية كدالة لمتجهات الخصائص الجزيئية (أي المعلمات الفيزيائية الكيميائية)للمواد الكيميائية ذات الأهمية لإنشاء نقاط النهاية القاطعة رقمياً 4. عادةً، يتم عرض كل نقطة نهاية كمية كقطعة مبعثر2D مقابل التغييرات في قيم واصف. ثم يتم إنشاء نموذج QSAR باستخدام تحليلات الانحدار الخطي (متعددة). وبمجرد استغلال مجموعة البيانات استغلالاً كاملاً لإنشاء نموذج QSAR (يسمى مجموعة التدريب)، يتم التحقق من صحة النموذج إحصائياً عن طريق التنبؤ بنقاط نهاية مجموعة من المواد الكيميائية غير المدرجة في مجموعة التدريب (تسمى مجموعة الاختبار). ويمكن بعد ذلك استخدام النموذج للتنبؤ بالأنشطة البيولوجية للمركبات غير المختبرة3.
من بين العديد من المواد الكيميائية الضارة، تم تسليط الضوء على المواد المسببة لاضطرابات الغدد الصماء (EDs) كمجموعة من المواد السامة التي قد تتداخل في العديد من عمليات التمثيل الغذائي المتصلة بالهرمونات في الثدييات والبرمائيات والأسماك5و6. ومن المعروف أن EDs تحفز مجموعة متنوعة من الآثار السلبية, مثل السرطانات والتشوهات, عن طريق منع أو تغيير المسارات الهرمونية العادية أو تفعيل تخليق هرمون غير طبيعي / إشارات التحلل. ونتيجة لذلك، فإن هذه المواد الكيميائية التي تحاكي الهرمونات يمكن أن تعكر صفو نظم الغدد الصماء بحيث يعوق التطوير البيولوجي وتكاثر تجمعات الحيوانات البرية. وعلى وجه الخصوص، تم التحقيق على نطاق واسع في الآثار السمية الإيكولوجية للأمراض الإلكترونية في الفقاريات المائية، التي لديها هياكل مستقبلات هرمون متطابقة تقريبا لتلك التي للثدييات، بما في ذلك البشر. لأن جميع الإجراءات الهرمونية تحدث بجرعات منخفضة في الجسم الحي، والتنبؤ بالسمية المحتملة للمرشحين ED باستخدام سريع في فحص silico أمر بالغ الأهمية للصحة العامة والبيئية.
وقد أجريت نماذج QSAR على أساس السمية من EDs باستخدام كل من 2D و 3D واصفات (المعروفة باسم 2D و 3D QSAR، على التوالي)، والتي تكشف عن الروابط ملزمة ED ligand من الإستروجين، الاندروجين، ومستقبلات البروجسترون7. على الرغم من المزايا عالية الدقة لـ 3D QSAR، والتي يتم فيها النظر في التفاعلات المطابقة والكهروستاتيكية، تحتفظ QSAR 2D بقوتها الخاصة في الخوارزميات الرياضية المباشرة، والحسابات السريعة، والأحمال الحسابية المنخفضة للغاية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن نماذج 2D-QSAR مرنة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات مع تحقيق أداء التنبؤ الدقيق نسبيا.
مجموعة أدوات QSAR التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي هي حالياً واحدة من أكثر أدوات برامج الكمبيوتر استخداماً، حيث توفر نماذج QSAR8و9متاحة ومسبقة البناء. يستخدم محلل ملفات التعريف الخاص به قواعد بيانات واصف 2D. منذ صدور النسخة الأولى في عام 2008، تم تطبيق البرنامج في مجالات الصناعات الكيميائية والبيولوجية، والصحة العامة، والسلامة البيئية لإجراء تحليل كامل أو جزئي للمخاطر المحتملة للمركبات الطبيعية والاصطناعية، مع مصالح خاصة في السرطنة10،11،12،الطفرات13،14،15،والسمية التنموية16. كما تم إثبات التطبيق على علم السموم المائية، مع التركيز على التراكم الأحيائيوالتحولالأحيائي
وقد ثبت أن مجموعة أدوات QSAR مفيدة في التنبؤ بالسمية القصيرة الأجل لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية17، فضلا عن مستقبلات الإستروجين (ER) الروابط الملزمة من EDs18. ومع ذلك، لم يتم تحليل السمية الإيكولوجية الحادة للخلايا الإلكترونية في الفقاريات المائية باستخدام مجموعة أدوات QSAR. في هذه الدراسة، يتم تقديم بروتوكول نموذجي وسهل لتنفيذ نمذجة QSAR على الآثار الضارة الحادة للـ EDs مع التركيز على أنواع الأسماك. وتبين الدراسة أن مجموعة أدوات منطقة قطر للتحقق في منطقة البحر الأبيض أو النُسَّم هي برنامج يُسِّح بدرجة عالية من المنال لحساب والتنبؤ بفتك/وفيات الفقاريات المائية بالنسبة لبعض الـ EDs التمثيلية، وتُعرض أساليب المعالجة الإحصائية للمشتقة في مجموعات بيانات السيليكو. ويبين الشكل 1 المخطط العام للتشغيل العام لمربع أدوات QSAR. ويوفر سير العمل المبين في الشكل 2 تعليمات مباشرة بشأن كيفية تشغيل الاختبار في السيليكو للتنبؤ بالسمية الإيكولوجية الحادة للمواد المستهدفة مثل المواد الكيميائية المسببة لاضطرابات الغدد الصماء.
وتظهر هنا مع اهتمام خاص بالآثار الضارة للمواد الكيميائية المسببة لاختلال الغدد الصماء على الفقاريات المائية تعدد استخدامات مجموعة أدوات منطقة قطر لشرق أفريقيا في منطقة البحر الكاريبي كبرمجيات تحليلية للسمية الإيكولوجية. وبالإضافة إلى ذلك، تم وضع بروتوكول بسيط وقياسي للتنبؤ بالسمية الحادة (96-h LC50)من 74 EDs تمثيلية (الجدول1)لأنواع الأسماك. وقد تحقق ذلك من خلال تطبيق بناء الفئات، وملء فجوةالبيانات، ووحدات توصيف الفئات الإدارية المضمنة في مجموعة أدوات QSAR (الشكل 1، الشكل2).
العلاقة الخطية بين سجل10LC50 وسجل10KOW مع منحدر سلبي (كما هو مبين في الشكل التكميلي S1)منذ فترة طويلة المعروفة باسم علاقة كمية قياسية في QSAR التحليلات25، حيث وتظهر سمية أعلى أكثر الكارهللماء مادة كيميائية معينة. كما يمكن أن نرى من حساب بسيط، العلاقة الرياضية العامةالتي تشمل المعادلة S1 والمعادلة S2 (معلومات تكميلية) هو تعبير محول من وظيفة الطاقة التالية26:
من مؤامرة(المعادلة2)، وتميز مجموعة وسيطة من KOW26 قد يكون ممكنا عن طريق تعديل المعلمات أ و ب، حيث اختلاف معين في hydrophobicity (أو hydrophilicity) لا يغير بشكل كبير من نقطة النهاية للسمية الحادة.
وقد أُبلغ عادة في دراسات QSAR عنمختلف المواد السمية المائية، بما في ذلك التنبؤات الحسابية والملاحظات التجريبية على التركيز المميت النصفي، كما هو مبين في الشكل 3 والشكل 4. المواد السطحية غير الأيونية التقنية27، تريازول الفطريات28، ونواتج الأيض المبيدات الحشرية21. يوفر هذا النوع من التحقق من الصحة بأثر رجعي معلومات عن المدى الذي يمكن أن تصل إليه أداة QSAR معينة من حيث الأداء المقارن للنتائج التجريبية. في هذه الدراسة للسمية الحادة في الأسماك، ثبت أن مجموعة أدوات QSAR توفر تنبؤات وقائية لأكثر من 90٪ من الـ EDs المختبرة في جميع الأسماك وفي نوع واحد، Pimephales promelas.
زيادة تحديد المواد الكيميائية الثلاث الزائدة في الشكل 3 والشكل 4، والتي أظهرت أن التركيزالمميت النصفي المتوقع أعلى في المتوسط وكحد أدنى، على التوالي، مطلوب. أولا، 3’،5،7-تريهيدروكسي-4’، 6-dimethoxyisoflavone هو نوع من الفلافونويد (على وجه التحديد، الايسوفلافون)، والتي تعتبر آمنة عموما وتستخدم في المستحضرات الصيدلانية العشبية. ومع ذلك، فإنه لا يزال لديه المخاوف المتعلقة بالإستروجين29 ويمكن أن يسبب سمية حادة ربما من خلال الفسفورية التأكسدية فك30. بعد ذلك، فإن 1,4-benzenediol، ودعا هيدروكينون، هو مركب الفينول التي يمكن أن تؤدي إلى استجابة مناعية غير محددة والسمية الخلوية في الأسماك31. وأخيرا، ومن المعروف أن 4-هيكسيلفينول لإظهار ما يكفي من النشاط الإستروجين إيجابية ليتم تصنيفها على أنهاED 32. وقد درست جيدا أن السبب الرئيسي للسمية الحادة من الهيدروكينون هو الحد من الأكسدة (ريدوكس) ركوب الدراجات. يتم أكسدة الهيدروكينون إلى البنزوكينون وخفضت مرة أخرى إلى شبه كوينون أو هيدروكينون مرارا وتكرارا، مع العوامل المساعدة المستنفدة وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية33. وقد تتطلب المواد الكيميائية الأخرى إجراء تحقيقات أعمق للكشف عن آليات عملهما في مجال السمية الإيكولوجية الحادة باستخدام نُهُج الإرساء الجزيئي مثل تلك التي يستخدمها Panche et al.34،والتي لا يمكن تغطيتها بمجموعة أدوات QSAR.
EDs تتداخل مع نظام الغدد الصماء أساسا من خلال التفاعلات الفيزيائية الكيميائية مع مستقبلات الستيرويد مثل مستقبلات الإستروجين والاندروجين, التي هي ذات أهمية كبيرة في دراسات النمذجة QSAR35. وبالنظر إلى ذلك، فإن مجموعة أدوات QSAR قوية من حيث التصنيف السهل والسريع للروابط الملزمة ER لمجموعة من المواد الكيميائية التي تستند فقط إلى واصفات ثنائية الأبعاد للهياكل الجزيئية. عندما تم تطبيق هذا النظام محلل المعلومات الإلكترونية على قائمتنا من EDs، لم يتم العثور على أي ارتباط واضح بين تقارب ربط ER وhydrophobicity (الشكلالتكميلي S2). ويمكن تفسير هذه النتيجة من خلال حقيقة أن تشكيل مجمع مستقبلات الستيرويد ليست نتيجة مباشرة لمساهمة الترابط الكاره للماء ولكن ينبغي أن تكون مصحوبة بتغيير المطابقة في هيكل مستقبلات الموقع النشط36. يمكن أن يكون ربط مستقبلات أيضا بسبب الترابط الهيدروجين والتراص.
بالإضافة إلى ذلك، قد يؤثر موقف كل مجموعة كيميائية على الجزيء على مستقبلات ملزمة، حتى لو كان هيدروفوبيسيتي وعدد من السندات الهيدروجين تقبل المانحين لا تزال هي نفسها. ثانياً، أنتج محلل ملفات تعريف التقارير عن اتجاهات معاكسة بين المستوياتالمتوسطة المتوقعة والتجريبية لـ LC50 مع زيادة تقارب ربط التقارير عن التقارير (الشكل 5). قد يكون ذلك لأن فتكا الآباء والأمهات في اختبار السمية الحادة ليست بسبب ربط ER ولكن بدلا من ذلك إلى المخدرات في معظم الحالات، أو إلى ركوب الدراجات الأكسدة في حالة الهيدروكينون. فعلى سبيل المثال، يلزم إجراء تحليل أكثر شمولاً، بما في ذلك السمية المزمنة، لكي تحدد مجموعة أكبر من الـ EDs القيود التنبؤية للنسخة الحالية من مجموعة أدوات QSAR.
هذا البحث الأولي قد يكون لها أيضا آثار على الصحة العامة لأن المنشطات (الاندروجين, الإستروجين, البروجستينات, وكورتيكويدات) ومستقبلاتها تظهر هياكل جزيئية كبيرة مماثلة أو حتى متطابقة عبر الفقاريات5. ويمكن أن تعمل هذه الأنواع من نظم إشارات الغدد الصماء المماثلة باستخدام آلية مشتركة في الأحداث الرئيسية للأنظمة النكة الإلكترونية5. ومع ذلك، هناك حاجة إلى منهجيات إضافية وتكميلية لإلقاء الضوء على هذا الجانب الواسع والمعقد [على سبيل المثال، عن طريق إجراء نمذجة حسابية للامتصاص والتوزيع والتمثيل الغذائي وإفراز (ADME)، و/أو النتائج السلبية [قبر AOP38 العالم/الامم-المتحدة2-وامم-المتحدة2-و6-4) وعلاوة على ذلك، لأن معظم الشواغل العلمية والعامة التي أثيرت بشأن الآثار الضارة للأمراض الإلكترونية ترتبط بسمية مزمنة، وتحسين قواعد البيانات والخوارزميات في مجموعة أدوات QSAR وإنتاج السمية الإيكولوجية طويلة الأجل الموثوق بها التنبؤات لEDs على حد سواء ضرورية.
توضح هذه الورقة تطبيق مجموعة أدوات QSAR لمقارنة قيم LC50 للأسماك مع قيم الـ10كأو و للأسماك السامة للأسماك. كشفت الدراسات السابقة (على سبيل المثال، كيم وآخرون39)أن سجل10Kow ليست مؤشرا مباشرا جيدا من LCالمائية 50. على الرغم من هذا القيد، يوفر هذا البروتوكول مراجعة عامة أو “المقالة القصيرة” لوصف كيفية استخدام لوحة المعلومات لغرض معين، لأنه تطبيق صالح لاستخدام مربع أدوات QSAR للتحقيق في الارتباطات بين LC50 (أو ربط النّش اليوريك تقارب) وسجل10K ow، أو كأداة لفحص السمية البيئية الحادة السريعة. ومع ذلك, تجدر الإشارة إلى أن (1) إلقاء الضوء على الصلة بين مستقبلات الإستروجين ملزمة والسمية المزمنة, بدلاً من السمية الحادة (الفتك), هو أكثر أهمية بحيث يمكن العثور على ارتباطات أكثر وضوحاً, و (2) مستقبلات الاندروجين, معاً مع أن الإستروجين، كما يلعب دورا حاسما في السمية الإنجابية. ولذلك، فإنه من المطلوب للإصدار المستقبلي من مجموعة أدوات QSAR لتحسين وظائف التنبؤ في ضوء هاتين النقطتين.
The authors have nothing to disclose.
وقد تم دعم هذا البحث من قبل المجلس الوطني للبحوث العلمية والتكنولوجية (NST) منحة من حكومة كوريا الجنوبية (MSIP) (رقم. CAP-17-01-KIST Europe) والمشروع 11911.
Adobe Acrobat Reader DC | Adobe Systems Software Ireland Limited | NA | Required to view prediction and category report |
Computer | System: Microsoft Corporation | NA | Recommended system properties: (i) system type: 64 bit, Microsoft Windows 7 or newer, (ii) processor: I5 at 2.4 GHz or faster processor or equivalent AMD CPU, (iii) Installed memory (RAM): 6 GB of RAM, (iv) Hard Disk Drive (HDD): 20 GB free hard drive space |
Microsoft Editor | Microsoft Corporation | NA | Required to upload a substance list of CAS numbers (batch mode) to the OECD QSAR Toolbox as .txt file (text file) |
Microsoft Excel 2016 | Microsoft Corporation | NA | Required to export data from OECD QSAR Toolbox as .cvs, .xls or .xlsx files |
OECD QSAR Toolbox version 4.0 or newer | Organisation for Economic Co-operation and Development |
NA | Required to run OECD QSAR Toolbox Automated Workflows; free download: https://qsartoolbox.org/download/ |
OriginPro 9 | OriginLab Corporation | NA | Optional program for data analysis; similar tools possible |