基于形態(tài)修正的描述符構(gòu)建可電離化合物對(duì)大型溞急性毒性的QSAR模型

席越，楊先海，張紅雨，劉會(huì)會(huì)

南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇省化工污染控制與資源化高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094

在商用化學(xué)品中，可電離有機(jī)化合物(ionogenic organic chemicals, IOCs)往往占有較大比例[1]，例如，在歐盟登記注冊(cè)的14萬(wàn)余種化學(xué)品中，約50%為IOCs[2]；此外，> 60%的藥物為IOCs[3]，大部分個(gè)人護(hù)理用品也屬于IOCs[4]。隨著IOCs的大量生產(chǎn)、使用，可能導(dǎo)致IOCs通過(guò)多種途徑進(jìn)入水環(huán)境。據(jù)估計(jì)，每年約有3億噸合成化學(xué)物質(zhì)被排放進(jìn)入水環(huán)境[5]，導(dǎo)致水環(huán)境中IOCs等化合物的環(huán)境檢出率和檢出濃度越來(lái)越高。進(jìn)入水環(huán)境的IOCs，會(huì)對(duì)各種水生生物產(chǎn)生持續(xù)暴露，進(jìn)而引發(fā)各種生態(tài)危害效應(yīng)。因此，有必要篩選評(píng)估具有毒性效應(yīng)的IOCs，并對(duì)其進(jìn)行管控，以減少其對(duì)水生生物的危害。

在環(huán)境水體中，IOCs會(huì)解離為不同比例的分子和離子形態(tài)。各形態(tài)存在比例取決于IOCs自身的酸堿解離常數(shù)(pKa)和環(huán)境pH條件，一元酸堿的解離程度可采用下式計(jì)算：

(1)

式中，δM和δI分別是分子和離子態(tài)的比例分?jǐn)?shù)；酸堿化合物的Iab分別取值1和-1。前人研究結(jié)果表明，化合物的分子和離子態(tài)具有不同的環(huán)境行為、生物富集能力和毒性效應(yīng)。例如，在IOCs對(duì)大型溞的毒性研究中，發(fā)現(xiàn)隨著溶液pH的增加，酚類、苯甲酸類IOCs對(duì)大型溞的毒性作用降低，而苯胺類IOCs對(duì)大型溞的毒性效應(yīng)則相反，說(shuō)明酸堿化合物的分子態(tài)具有更強(qiáng)的水生急性毒性[6]。而在IOCs與運(yùn)甲狀腺素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的相互作用過(guò)程中，IOCs的離子態(tài)具有更重要的貢獻(xiàn)[7-8]。因此，在研究IOCs的環(huán)境行為、健康與生態(tài)毒性效應(yīng)時(shí)，不能忽視離子化的影響。

雖然各種健康和生態(tài)毒性效應(yīng)測(cè)試體系已建立數(shù)十年，但由于實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，難以對(duì)所有14萬(wàn)多種商用化學(xué)品進(jìn)行一一測(cè)試，導(dǎo)致僅有少部分化合物具有完整的毒性數(shù)據(jù)[9]。為了應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，美國(guó)、歐盟、經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)和世界衛(wèi)生組織(WHO)等國(guó)家或組織都大力倡導(dǎo)應(yīng)用定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系(QSAR)等計(jì)算毒理學(xué)技術(shù)填補(bǔ)缺失的化學(xué)品數(shù)據(jù)[10-12]。那么在構(gòu)建QSAR等預(yù)測(cè)模型時(shí)，如何表征IOCs離子化的影響就成為需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。在前人的研究中，一般通過(guò)以下幾種方式表征離子化的影響：(1)采用形態(tài)修正的正辛醇-水分配系數(shù)(logKOW)，即正辛醇-水分布系數(shù)(logDOW)[13]，但是該參數(shù)只能用于評(píng)估與分配相關(guān)的過(guò)程；(2)采用酸堿解離常數(shù)(pKa)、分子態(tài)和離子態(tài)的比例分?jǐn)?shù)(δM和δI)[14]；(3)采用引入離子參數(shù)的多參數(shù)線性自由能關(guān)系(PP-LFER)[15]，該方法僅能適用于部分有離子參數(shù)的化合物；(4)采用基于形態(tài)修正的描述符，其計(jì)算方法如下：

(2)

式中，XM和XI-i分別是化合物分子態(tài)和第i種解離態(tài)的描述符值；δI-i是化合物第i種解離態(tài)的比例分?jǐn)?shù)。從定義式可以看出，該方法的本質(zhì)是通過(guò)考慮目標(biāo)化合物在給定條件下所有存在形態(tài)的貢獻(xiàn)而計(jì)算一個(gè)表觀值。近年來(lái)，筆者所在課題組采用該方法，計(jì)算了10多種基于形態(tài)修正的量化描述符，并成功使用這些參數(shù)構(gòu)建了IOCs與運(yùn)甲狀腺素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[7-8,16]、血清蛋白[17]、結(jié)構(gòu)蛋白[18]和磷脂膜[19]相互作用的預(yù)測(cè)模型。在本研究中，我們將進(jìn)一步探索采用基于形態(tài)修正的描述符來(lái)構(gòu)建IOCs對(duì)水生毒性效應(yīng)的預(yù)測(cè)模型的可行性。基于此，本研究將構(gòu)建2類模型：(1)僅采用logKOW和分子形態(tài)計(jì)算的量化描述符構(gòu)建預(yù)測(cè)模型；(2)采用logDOW和基于形態(tài)修正的量化描述符構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而通過(guò)模型表征，比較2類模型預(yù)測(cè)性能的差異。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)集包含63個(gè)取代苯酚、苯胺和苯甲酸類IOCs對(duì)大型溞的24 h急性毒性數(shù)據(jù)(表1)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于包信等[20]的研究。原始文獻(xiàn)測(cè)定和整理了pH = 6.0、7.8和9.0共3個(gè)條件的毒性數(shù)據(jù)，本研究選取pH = 7.8的數(shù)據(jù)作為代表進(jìn)行研究。所有化合物信息及其效應(yīng)值列于表1。

表1 模型化合物信息、大型溞急性毒性實(shí)驗(yàn)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Information of model compounds, their observed and predicted acute toxicity data of Daphnia magna

續(xù)表1序號(hào)No.名稱Chemical nameCAS號(hào)CAS No.-logEC50實(shí)驗(yàn)值Observed模型IModel I模型IIModel II502,5-二氯苯甲酸 2,5-Dichlorobenzoic acid000050-79-32.993.042.67512,4,6-三氯苯甲酸 2,4,6-Trichlorobenzoic acid000050-43-13.252.873.18522,3,4,5-四氯苯甲酸 2,3,4,5-Tetrachlorobenzoic acid?000050-74-83.433.593.80532-氨基苯甲酸 2-Aminobenzoic acid000118-92-32.882.953.08543-氨基苯甲酸 3-Aminobenzoic acid000099-05-82.453.332.59554-氨基苯甲酸 4-Aminobenzoic acid000150-13-02.403.112.62564-羥基苯甲酸 4-Hydroxybenzoic acid?000099-96-72.312.732.68573-羥基苯甲酸 3-Hydroxybenzoic acid000099-06-92.012.92.53582-羥基苯甲酸 2-Hydroxybenzoic acid000069-72-72.692.972.57592,4-二羥基苯甲酸 2,4-Dihydroxybenzoic acid000089-86-13.023.202.98602,5-二羥基苯甲酸 2,5-Dihydroxybenzoic acid?000490-79-93.254.102.87613,4,5-三羥基苯甲酸 3,4,5-Trihydroxybenzoic acid000149-91-73.883.312.4662鄰苯二甲酸 2-Phthalic acid000088-99-31.531.811.7063間苯二甲酸 Isophthalic acid000121-91-51.442.231.47

注： * 驗(yàn)證集化合物。

Note: * Compounds selected as the external validation set.

1.2 分子描述符計(jì)算

其次，從EPI Suit 4.10軟件查詢了logKOW實(shí)驗(yàn)值，其中4個(gè)無(wú)實(shí)驗(yàn)值的化合物采用預(yù)測(cè)的logKOW數(shù)據(jù)。采用MarvinSketch (ChemAxon 15.6.29.0, http://www.chemaxon.com)軟件計(jì)算pH = 7.8的logDOW,δM,δI。其中，DOW在該軟件中的定義為：

(3)

式中，mi,正辛醇相和mi,水相分別是化合物第i種存在形態(tài)在正辛醇相和水相中的濃度。

1.3 QSAR模型構(gòu)建與表征

采用基于杠桿值(leverage)的Williams圖和歐幾里德距離圖定義模型的應(yīng)用域[27]。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 大型溞急性毒性與logKOW, logDOW的關(guān)系

logKOW表征了化合物分子態(tài)在正辛醇相和水相間的分配能力。不可電離化合物的水生毒性效應(yīng)往往與logKOW存在較好的線性相關(guān)性[28]。對(duì)IOCs該關(guān)系是否依然存在呢？從圖1可以看出，對(duì)所研究的63種取代苯酚、苯胺和苯甲酸類化合物對(duì)大型溞的24 h急性毒性而言，logKOW與-logEC50的Pearson相關(guān)系數(shù)僅為0.265，雖然仍具有顯著相關(guān)性，但相關(guān)性較差。通過(guò)引入考慮解離態(tài)貢獻(xiàn)的logDOW后，logDOW與-logEC50的Pearson相關(guān)系數(shù)增加到0.848。這說(shuō)明在構(gòu)建IOCs的水生毒性效應(yīng)預(yù)測(cè)模型時(shí)采用logDOW要優(yōu)于logKOW。

2.2 最優(yōu)模型及其表征結(jié)果

僅采用化合物分子態(tài)描述符構(gòu)建的最優(yōu)模型(模型I)為：

(4)

圖1 -logEC50與logKOW, logDOW的關(guān)系注：logKOW表示正辛醇-水分配系數(shù)，logDOW表示正辛醇-水分布系數(shù)。Fig. 1 Relationship between -logEC50 and logKOW, logDOWNote: logKOW is n-octanol/water partition coefficient; logDOW is n-octanol/water distribution coefficient.

= 0.609, MAEEXT= 0.423

采用基于形態(tài)修正的描述符構(gòu)建的最優(yōu)模型(模型II)為：

(5)

表2 模型所選描述符的t, P, VIF值Table 2 Values of t, P, VIF for selected descriptors

圖2 模型I (A)和模型II (B)中-logEC50實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的關(guān)系Fig. 2 Plots of the observed versus predicted -logEC50 for the model I (A) and model II (B)

2.3 應(yīng)用域表征

模型應(yīng)用域表征結(jié)果如圖3所示。從圖3A可以看出，僅1個(gè)驗(yàn)證集化合物(2,4,6-三溴苯胺)處于訓(xùn)練集化合物定義的結(jié)構(gòu)域外。在Williams圖中，若化合物的標(biāo)準(zhǔn)殘差δ*落在±3.0以外時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)是離群點(diǎn)。從圖3B可見(jiàn)，僅一個(gè)化合物(3,4,5-三羥基苯甲酸)的標(biāo)準(zhǔn)殘差δ*落于±3.0以外。由于其類似物如4-羥基苯甲酸、3-羥基苯甲酸、2-羥基苯甲酸、2,4-二羥基苯甲酸、2,5-二羥基苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)殘差δ*均落于±3.0以內(nèi)，說(shuō)明模型能夠正確預(yù)測(cè)該類化合物的毒性效應(yīng)。導(dǎo)致3,4,5-三羥基苯甲酸離群的原因可能是實(shí)驗(yàn)高估了其對(duì)大型溞的急性毒性。在圖3B中有2個(gè)物質(zhì)(間苯二甲酸和2,4,6-三溴苯胺)的杠桿值均大于警戒值h*。但是模型較好地預(yù)測(cè)了間苯二甲酸和2,4,6-三溴苯胺對(duì)大型溞的急性毒性，說(shuō)明模型具有較好的延展性[29]。

2.4 機(jī)理解釋

圖3 基于歐幾里德距離方法(A)和Williams圖(B)表征的模型II應(yīng)用域模Fig. 3 Characterization of application domain for model II based on the Euclidean distance (A) and Williams plot (B)

2.5 模型比較

包信等[20]分別構(gòu)建了針對(duì)19種苯酚類、17種苯胺類和24種苯甲酸類物質(zhì)大型溞急性毒性的局域預(yù)測(cè)模型，從表3可以看出，針對(duì)19種苯酚類、17種苯胺類物質(zhì)的模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，但是對(duì)24種苯甲酸類物質(zhì)的模型預(yù)測(cè)能力較差，僅在刪除部分苯甲酸類物質(zhì)的情況下，才能得到預(yù)測(cè)能力較好的模型。他們構(gòu)建的局域模型可以用于分別預(yù)測(cè)苯酚類、苯胺類和苯甲酸類物質(zhì)對(duì)大型溞的急性毒性數(shù)據(jù)。本研究針對(duì)19種苯酚類、20種苯胺類和24種苯甲酸類物質(zhì)，構(gòu)建了能同時(shí)預(yù)測(cè)上述3類物質(zhì)對(duì)大型溞急性毒性的模型，所建模型具有較好的內(nèi)部和外部預(yù)測(cè)能力，并進(jìn)行了應(yīng)用域表征。

綜上，本研究探索了采用基于形態(tài)修正的描述符構(gòu)建IOCs水生毒性指標(biāo)預(yù)測(cè)模型的可行性。研究結(jié)果表明，使用基于形態(tài)修正的描述符構(gòu)建的IOCs大型溞急性毒性模型預(yù)測(cè)能力要優(yōu)于僅采用分子形態(tài)描述符的模型。因此，在將來(lái)構(gòu)建IOCs水生毒性效應(yīng)預(yù)測(cè)模型時(shí)，可考慮引入基于形態(tài)修正的描述符。

表3 本研究與文獻(xiàn)模型比較Table 3 Comparison of the current model with previous QSAR models