In silico Modeling method voor computationele aquatische toxicologie van hormoonontregelende stoffen: een op software gebaseerde aanpak met QSAR toolbox
28 augustus 2019
De kwantitatieve structuur-Activiteitsrelatie (QSAR) modellering is een representatieve bioinformatica-geassisteerde methode in de toxicologische screening. Dit protocol laat zien hoe de Risico's van hormoonontregelende stoffen (EDs) in aquatische omgevingen op een computationeel wijze kunnen worden beoordeeld. Door gebruik te maken van de OESO QSAR toolbox implementeert het protocol een in silico-test voor het analyseren van de toxiciteit van hormoonontregelende stoffen in vissen.
Ons protocol maakt gebruik van een zeer toegankelijk en open softwareprogramma om een snelle berekening van de negatieve effecten op korte termijn van hormoonontregelende chemicaliën mogelijk te maken. Deze OESO QSAR Toolbox is nuttig voor het voorspellen van de toxiciteit van chemische stoffen en biedt een efficiënte methode voor het beoordelen van acute ecotoxiciteit van hormoonontregelaars op een gebruiksvriendelijke manier. Bij het starten van de QSAR Toolbox begint de gebruiker standaard in de fase Invoergereedschapsset en maakt de toolbox automatisch een werkend bestand met de naam Document 1.
Nadat u op Chemisch abstract servicenummer hebt geklikt, voert u het chemische abstracte servicenummer van de doelstof in het beschikbare tekstveld in en klikt u op Zoeken. Via de structuurknop kan de stof ook worden doorzocht door de vereenvoudigde moleculaire invoerlijnsysteemcode. Als u de in-silico-test voor meerdere doelstoffen wilt uitvoeren, schrijft u een eenvoudige stoffenlijst in een teksteditor waarin elk chemisch abstract servicenummer in één rij wordt vermeld en slaat u het tekstbestand op met een passende naam.
Klik vervolgens op Gegevens en controleer of databases die worden vermeld onder Ecotoxicologische informatie worden gecontroleerd. Klik op Invoer, selecteer Query en klik op Ja in het dialoogvenster om de geselecteerde instellingen te accepteren. Selecteer onder het tabblad Chemical Abstract Service de optie Lijst laden om de stoffenlijst te uploaden die is opgeslagen als tekstbestand.
Klik onder aan het pop-upmenu op Toevoegen en klik op Uitvoeren. De QSAR Toolbox geeft een bericht weer dat het aantal stoffen aangeeft dat is opgehaald voor de zoekopdracht. Klik voor profilering op de stageknop Profileringstool en navigeer naar profileringsmethoden in het optiepaneel voor het podium.
Klik op Alles deseren in het venster Profileringsmethoden en bevestig dat alle profilers die worden vermeld onder Vooraf gedefinieerde en profilers met betrekking tot aquatische toxiciteit onder Endpoint Specific worden ingecheckt, klik vervolgens op Toepassen, klik op Parameters om geïntegreerde 2D- en 3D QSAR-modellen naar wens uit te voeren. Klik op de werkbalk Gegevensgereedschapsset en klik op Verzamelen op de werkbalk acties voor het verzamelen van gegevens. Selecteer Alle eindpunten om alle experimentele gegevens te verzamelen of selecteer Kiezen om de eindpuntspecifieke experimentele gegevens te verzamelen.
Klik met de rechtermuisknop op het eindpunt van belang en organiseer de eindpuntstructuur op de gewenste manier met behulp van de beschikbare termen en pijlen voordat u op Okt klikt. Klik vervolgens met de rechtermuisknop op het eindpunt van belang en selecteer Gegevensmatrix exporteren om de verzamelde gegevens in een spreadsheet te exporteren. Er verschijnt een wizard Matrix-export, zodat andere eindpunten aan de exportlijst kunnen worden optellen.
Voltooi de selectie en klik op Exporteren om het bestand op te slaan. Klik op de stageknop Data Gap Filling Toolbox en klik op Automatisch voor het vullen van gegevenshiaten. Selecteer Ecotoxicologische informatie en vis, dodelijke concentratie bij 50% bij 96 uur en klik op Oke.
Het venster voor de werkstroomcontroller wordt weergegeven. Als u de batchmodus uitvoert, geeft u het bereik op van stoffen waarover de werkstroom moet worden uitgevoerd. Als de voorspelling is uitgevoerd, klikt u op de knop Werkset Rapport, klikt u links op de resulterende voorspellingswaarde, klikt u op Voorspelling en past u de rapportinhoud en -weergave aan in de pop-upwizard.
Nadat u op Volgende hebt geklikt, klikt u op Rapport maken en slaat u de voorspellings- en categorierapporten op als PDF-bestanden en de gegevensmatrix als spreadsheetbestand. In deze kwantitatieve analyse van de voorspelde acute toxiciteiten van geselecteerde hormoonontregelaars, toen de voorspelde gegevenspunten werden uitgezet ten opzichte van de experimentele gegevenspunten als logboekschaal werd een positieve correlatie gevonden tussen beide parameters voor alle geanalyseerde vissen en voor onze representatieve soorten. Om een veiligheidsbeoordeling van de hoogste betrouwbaarheid mogelijk te maken, werd verdere computationele analyse uitgevoerd door de voorspelde ondergrens van het betrouwbaarheidsinterval van 95% van de dodelijke concentratie bij 50% ten opzichte van de experimenteel afgeleide waarden uit te stipt.
In deze evaluatie met een verhoogde veiligheidsdrempel bleek 92% van de totale geteste hormoonontregelende verbindingen in het beschermende bereik te vallen in vergelijking met de experimenteel afgeleide waarden. Hier waren de gemiddelde niveaus van de voorspelde dodelijke concentratie bij 50%-waarden voor de oestrogeenreceptorbindmiddelen hoger dan die van de niet-bindmiddelen. Voor de experimentele dodelijke concentratie bij 50% waarden daarentegen waren drie niveaus van de niet- en zwakke bindmiddelen hoger dan die van de sterkere oestrogeenreceptorbindmiddelen.
Deze procedure kan alleen worden toegepast op chemische stoffen met een unieke identificatie, die in dit geval de SMILES-code is. Er is nog een andere geautomatiseerde workflow geïntegreerd in de OESO QSAR Toolbox die op dezelfde manier kan worden toegepast en voor huidsensibilisatie is.
Overzicht
Dit protocol beschrijft een computationele benadering om de risico's van hormoonverstorende stoffen (ED's) in aquatische omgevingen te beoordelen met behulp van de OECD QSAR Toolbox. Het biedt een gebruiksvriendelijke methode voor het voorspellen van de toxiciteit van chemische stoffen en het evalueren van hun acute ecotoxiciteit.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Toxicologie
- Bio-informatica
- Ecotoxicologie
Achtergrond
- Endocriene disruptoren vormen aanzienlijke risico's voor het aquatisch leven.
- Kwantitatieve structuur-activiteitsrelatie-modellering (QSAR) ondersteunt toxicologische screening.
- De OECD QSAR Toolbox is een toegankelijke tool voor toxiciteitsvoorspellingen.
- Dit protocol demonstreert een in silico assay voor het beoordelen van endocriene disruptoren.
Doel van de studie
- Om de toxiciteit van hormoonverstorende stoffen bij vissen computationeel te evalueren.
- Om een systematische methode te bieden voor ecotoxicologische beoordelingen.
- Om de betrouwbaarheid van veiligheidsbeoordelingen voor chemische stoffen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van de OECD QSAR Toolbox voor toxiciteitsvoorspellingen.
- Invoer van Chemical Abstract Service-nummers voor de doelsubstanties.
- Gegevensverzameling en -analyse via diverse profileringsmethoden.
- Exporteren van verzamelde gegevens voor verdere analyse en rapportage.
Belangrijkste resultaten
- Er werd een positieve correlatie gevonden tussen voorspelde en experimentele toxiciteitsgegevens.
- 92% van de geteste hormoonverstoorders viel binnen een beschermend bereik op basis van voorspellingen.
- Voorspelde letale concentraties varieerden tussen oestrogeenreceptorbinders en niet-binders.
- Het protocol maakt een uitgebreide gegevensanalyse en rapportage mogelijk.
Conclusies
- De OECD QSAR Toolbox is effectief voor het beoordelen van de toxiciteit van hormoonverstorende stoffen.
- Deze methode verbetert de betrouwbaarheid van ecotoxicologische evaluaties.
- Verdere computationele analyse kan de veiligheidsbeoordelingen voor chemische stoffen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Computationele toxicologie maakt high-throughput screening van hormoonverstoorders mogelijk om acute ecotoxiciteit bij aquatische gewervelde dieren te voorspellen, wat vroege risicobeoordelingen bij de evaluatie van chemische veiligheid ondersteunt. De OECD QSAR Toolbox biedt een toegankelijke, geautomatiseerde workflow voor het genereren van predictieve gegevens die go/no-go-beslissingen bij lead-identificatie en preklinische prioritering informeren. Deze aanpak verhoogt de betrouwbaarheid van de voorspellingen door in silico-resultaten te correleren met experimentele LC50-waarden, waardoor de afhankelijkheid van arbeidsintensieve dierproeven wordt verminderd.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar mechanismen van endocriene disruptie mogelijk door LC50-waarden en bindingsaffiniteitsrelaties van oestrogeenreceptoren te voorspellen.
- Operationele waarde: Ondersteunt snelle screening van chemische bibliotheken met behulp van gestandaardiseerde identificatoren zoals CAS-nummers of SMILES-codes.
- Voorspellende waarde: Genereert kwantitatieve structuur-activiteitsrelaties tussen log Kow en LC50 om verbindingen met een lager milieurisico prioriteit te geven.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert reproduceerbare kwantitatieve voorspellingen van acute toxiciteit voor vissoorten onder gestandaardiseerde ecotoxicologische eindpunten.
- Operationele waarde: Automatiseert het verzamelen van gegevens en de export van experimentele en voorspelde waarden voor verdere analyse in spreadsheet- of PDF-formaten.
- Assay-gereedheid: Maakt batchverwerking van stoffenlijsten mogelijk om meerdere hormoonverstorende stoffen te evalueren met consistente profileringsmethoden.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Biedt mechanisch inzicht in hoe de binding aan de oestrogeenreceptor de toxiciteitsvoorspellingen beïnvloedt voor zowel bindende als niet-bindende verbindingen.
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen in silico gevarenidentificatie en preklinische ecotoxicologische evaluatie via gevalideerde correlaties tussen voorspellingen en experimenten.
- Risicobeperking: Identificeert verbindingen die binnen beschermende ranges vallen (92% in deze studie) om veiligere kandidaten in ontwikkelingspijplijnen verder te brengen.
Pipeline- & workflowintegratie
De methode integreert in vroege discovery-workflows door computationele hazard-profilering te bieden die voorafgaat aan in vitro- en in vivo-testen, wat een datagestuurde triage van chemische kandidaten mogelijk maakt op basis van voorspelde aquatische toxiciteit.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing over het potentieel voor endocriene verstoring door het modelleren van LC50- en Kow-relaties in vissoorten.
- Screening: Levert assay-klare kwantitatieve outputs via geautomatiseerde gegevensverzameling uit ecotoxicologische databases binnen de QSAR Toolbox.
- Analytics: Maakt vergelijking van voorspelde versus experimentele LC50-waarden mogelijk met behulp van log-log grafieken en betrouwbaarheidsintervalanalyse om de betrouwbaarheid van de voorspelling te beoordelen.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt computationele voorspellingen van oestrogeenreceptorbinding met waargenomen letaliteitsuitkomsten, ter ondersteuning van risicobeoordelingen die zijn afgestemd op biomarkers.
- Enterprise Hergebruik: Stelt een gestandaardiseerd, schaalbaar protocol vast dat toepasbaar is op verschillende chemische series voor een consistente ecotoxicologische profilering.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen bij de identificatie van gevaren van hormoonverstorende stoffen door kwantitatieve correlatie van computationele en experimentele toxiciteitsgegevens.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid en standaardisatie via geautomatiseerde workflows in de OECD QSAR Toolbox, waardoor handmatige variabiliteit wordt verminderd.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door vroege deprioritisering van risicovolle verbindingen mogelijk te maken, wat uitval in een laat stadium door milieutoxiciteit minimaliseert.
- Impact op portfolio: Faciliteert risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door verbindingen te identificeren met voorspelde LC50-waarden binnen beschermende veiligheidsdrempels.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist vaardigheid in het navigeren door de interface van de OECD QSAR Toolbox en inzicht in de selectie van ecotoxicologische eindpunten.
- Is afhankelijk van toegang tot gevalideerde ecotoxicologische databases en de juiste configuratie van profileringsmethoden voor aquatische toxiciteit.
- Vereist standaardisatie van de invoerformaten van stoffen (CAS of SMILES) om een nauwkeurige chemische identificatie en batchverwerking te waarborgen.
- Omvat cross-functionele afstemming tussen computationele chemici, toxicologen en teams voor milieuveiligheid over de interpretatie van betrouwbaarheidsintervallen van voorspellingen.
- Beperkt tot stoffen met unieke identificatoren; de toepasbaarheid is beperkt door de beschikbaarheid van gegevens voor specifieke eindpunten, zoals de LC50 voor vissen na 96 uur.
Veelgestelde vragen over biofarmaceutica
Chapters in this video
0:04
Title
0:36
QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) Input
1:51
Profiling
2:21
Data
3:04
Data Gap Filling
3:31
Report and Application
3:57
Results: Representative Predicted vs. Experimental Aquatic Toxicology of Endocrine Disruptors
5:09
Conclusion
