Subcellular Delivery of Hydrogen Sulfide Using Small Molecule Donors Impacts Organelle Stress

使用小分子供體進(jìn)行硫化氫的亞細(xì)胞傳遞會(huì)影響細(xì)胞器應(yīng)激

來源：J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 17651?17660

 

一、摘要概述

 

本文開發(fā)了首個(gè)亞細(xì)胞器靶向的硫化氫（H?S）供體庫，通過將高爾基體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）和線粒體的靶向基團(tuán)與硫代氨基甲酸酯（TCM）支架結(jié)合（圖1b），實(shí)現(xiàn)了H?S在特定細(xì)胞器的定位釋放。

 

 

關(guān)鍵創(chuàng)新：

 

利用點(diǎn)擊化學(xué)構(gòu)建模塊化供體庫（圖1a）。

 

通過酯酶激活釋放羰基硫（COS），經(jīng)碳酸酐酶（CA）轉(zhuǎn)化為H?S。

 

核心發(fā)現(xiàn)：

 

靶向供體在200 nM低濃度下即可在活細(xì)胞中定位釋放H?S（圖3-4）。

 

 

 

高爾基體靶向供體（GolgiTCM）顯著緩解高爾基應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡（圖6）。

 

 

二、研究目的

 

解決關(guān)鍵需求：填補(bǔ)非線粒體細(xì)胞器（如高爾基體、溶酶體、ER）靶向H?S供體的空白，克服傳統(tǒng)供體（如無機(jī)硫鹽）的脫靶效應(yīng)和高濃度毒性問題。

 

探究亞細(xì)胞H?S功能：揭示H?S在調(diào)節(jié)細(xì)胞器應(yīng)激（如ER應(yīng)激、溶酶體功能障礙）中的特異性作用機(jī)制。

 

三、研究思路

 

采用分子設(shè)計(jì)→體外驗(yàn)證→細(xì)胞功能驗(yàn)證的三步策略：

 

分子設(shè)計(jì)：

 

支架選擇：基于TCM的酯酶激活機(jī)制（圖1b），釋放COS/ H?S。

 

靶向基團(tuán)修飾：

 

線粒體：三苯基膦鹽（MitoTCM）。

 

溶酶體：?jiǎn)徇↙ysoTCM）。

 

ER：對(duì)甲苯磺酰胺（ERTCM）。

 

高爾基體：苯磺酰胺（GolgiTCM）。

 

體外驗(yàn)證：

 

H?S釋放效率：H?S選擇性電極測(cè)量顯示供體釋放效率為9-30%（圖2a）。

 

 

釋放動(dòng)力學(xué)：磺酰胺基供體（ERTCM/GolgiTCM）釋放效率較低，可能與CA活性抑制相關(guān)（圖2b）。

 

細(xì)胞功能驗(yàn)證：

 

定位成像：使用細(xì)胞器特異性H?S熒光探針（如Mito-HS、Lyso-AFP）確認(rèn)H?S靶向釋放（圖3）。

 

應(yīng)激保護(hù)：評(píng)估供體對(duì)細(xì)胞器特異性應(yīng)激的保護(hù)作用（如Monensin誘導(dǎo)的高爾基應(yīng)激）。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. H?S釋放動(dòng)力學(xué)（圖2）

 

數(shù)據(jù)來源：圖2a（釋放曲線）、圖2b（速率常數(shù)）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

LysoTCM釋放效率最高（30%），ERTCM最低（9%）。

 

初始釋放速率：MitoTCM（0.12 μM/s）> GolgiTCM（0.08 μM/s）。

 

研究意義：證實(shí)靶向基團(tuán)影響H?S釋放動(dòng)力學(xué)，為供體優(yōu)化提供依據(jù)。

 

2. 亞細(xì)胞H?S定位成像（圖3-4）

 

數(shù)據(jù)來源：圖3（共定位成像）、圖4（熒光響應(yīng)強(qiáng)度）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

MitoTCM與線粒體探針（Mito-HS）共定位系數(shù)達(dá)0.96（圖3a）。

 

GolgiTCM處理組熒光強(qiáng)度比非靶向供體高4倍（圖4b）。

 

研究意義：首次直接可視化H?S在非線粒體細(xì)胞器（如高爾基體、ER）的定位釋放。

 

3. 細(xì)胞保護(hù)效應(yīng)（圖6）

 

數(shù)據(jù)來源：圖6（細(xì)胞存活率）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

高爾基應(yīng)激模型：GolgiTCM（1 μM）將細(xì)胞存活率從40%提升至80%（*p<0.001）。

 

特異性對(duì)比：溶酶體靶向供體（LysoTCM）加劇細(xì)胞死亡，揭示H?S的細(xì)胞器依賴性雙效性。

 

研究意義：證明靶向H?S遞送可增強(qiáng)對(duì)特定細(xì)胞器應(yīng)激的保護(hù)，且濃度（200 nM）比傳統(tǒng)供體低100倍。

 

五、結(jié)論

 

技術(shù)突破：成功構(gòu)建首個(gè)多細(xì)胞器靶向H?S供體庫，實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞特異性H?S遞送。

 

生物學(xué)意義：

 

H?S的保護(hù)作用高度依賴釋放位點(diǎn)（如高爾基體靶向保護(hù) vs. 溶酶體靶向毒性）。

 

靶向遞送將有效濃度降至nM級(jí)，規(guī)避傳統(tǒng)供體的脫靶毒性。

 

應(yīng)用前景：為研究阿爾茨海默癥（高爾基體碎裂）、心血管疾病（線粒體氧化應(yīng)激）等提供精準(zhǔn)化學(xué)工具。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 電極原理與優(yōu)勢(shì)

 

技術(shù)特點(diǎn)：Unisense H?S微電極（如Sulf-100）采用安培法檢測(cè)，通過氧化電流定量H?S濃度，具備：

 

高時(shí)空分辨率：尖端直徑可至25 μm，適用于單細(xì)胞微環(huán)境監(jiān)測(cè)。

 

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤：秒級(jí)響應(yīng)，捕捉H?S釋放瞬態(tài)過程。

 

2. 在本研究的應(yīng)用關(guān)聯(lián)

 

互補(bǔ)性驗(yàn)證：

 

本研究使用H?S選擇性電極（圖2）證實(shí)供體釋放效率，而Unisense電極可進(jìn)一步：

 

空間分辨：驗(yàn)證亞細(xì)胞H?S梯度（如線粒體基質(zhì) vs. 胞質(zhì)）。

 

動(dòng)力學(xué)細(xì)化：量化局部釋放速率（如溶酶體酸性環(huán)境對(duì)LysoTCM激活的影響）。

 

拓展應(yīng)用場(chǎng)景：

 

組織層面：植入式微電極可活體監(jiān)測(cè)腦缺血模型中靶向H?S的時(shí)空分布。

 

機(jī)制研究：結(jié)合熒光探針，區(qū)分H?S與中間體COS的貢獻(xiàn)（如CO水解依賴CA亞型分布）。

 

3. 研究意義

 

深化機(jī)制理解：Unisense電極可解析靶向供體在病理模型（如中風(fēng)后ER應(yīng)激）中的H?S動(dòng)力學(xué)，揭示局部濃度-效應(yīng)關(guān)系。

 

技術(shù)協(xié)同優(yōu)勢(shì)：與熒光成像互補(bǔ)，提供定量化學(xué)數(shù)據(jù)支持成像結(jié)論（如確認(rèn)圖4中熒光強(qiáng)度與H?S濃度的線性關(guān)聯(lián)）。

 

總結(jié)：本研究通過創(chuàng)新性供體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了亞細(xì)胞精度H?S遞送，揭示了H?S的細(xì)胞器依賴性功能。丹麥Unisense電極作為高精度定量工具，可進(jìn)一步拓展該技術(shù)在病理模型中的機(jī)制研究和治療應(yīng)用。