hERGAPDbase：记录化合物hERG通道抑制电位和APD延长活性的数据库

摘要

介绍

心电图的QT间期是心室去极化和复极持续时间的度量。当心室复极延迟且QT间期延长时，室性快速心律失常的风险增加。心室复极由心脏动作电位的持续时间决定，心脏动作电位持续时间因向内钠的失活减少而延长⁺或Ca²⁺电流，增加钙的活化²⁺电流或一个或多个外向K的抑制⁺电流。延迟整流器钾电流的快速激活成分，称为外向K⁺电流（IKr）似乎在决定动作电位的持续时间以及QT间期方面起着最重要的作用。药物引起的QT间期延长被称为药物诱导的QT间隔延长。

药物引起的QT间期延长是过去十年药物退出市场的最常见原因之一。药物诱导的QT间期延长可能会导致多形性室性心动过速，即“尖端扭转型心肌病”（TdP），在最坏的情况下，TdP可能会引发心室颤动和猝死(1). 因此，在过去的十年里，至少有九种药物，即特非那定、阿司咪唑、格雷帕沙星、特罗地林、氟哌利多、核黄素、塞吲哚、左旋甲基苯丙胺和西沙必利，由于参与药物诱导的QT间期延长，已被从市场上撤下或其使用受到严重限制。有趣的是，这九种药物的化学结构无关，它们是非心血管药物。

根据最近的研究，人类醚-à-go-go相关基因（hERG）编码一种成孔蛋白，该蛋白可能代表负责IKr的人类钾通道的α亚基。

hERG通道在动作电位复极阶段起重要作用。心室心肌细胞动作电位的持续时间决定了表面心电图QT间期的长度。hERG通道阻滞剂延迟复极，从而延长动作电位持续时间（APD），这转化为QT间期延长。

药物诱导QT间期延长的最常见机制可能是药物抑制hERG通道，继而延长APD(2,三); 换言之，hERG通道阻滞剂可能延长心脏动作电位，从而导致长QT综合征的发生(4).

此外，药物引起的QT间期延长引起的TdP是提交监管批准的药物的一个主要安全问题。为了避免严重的药物心脏毒性，建议遵守国际协调会议（ICH）S7B指南“人类药物延迟心室复极（QT间期延长）可能性的非临床评估”；这涉及一种非临床测试策略，用于评估受试物延迟心室复极的潜力(5,6).

为了解决这些问题，我们提出了一个独特的数据库—ERGAPDbase。hERGAPDbase包含关于具有潜在hERG通道阻断效应的化合物的电生理实验数据，这些数据是使用膜片钳技术根据hERG信道中的IKr电流测量的。此外，有关化合物APD延长活性的电生理实验数据也将包括在hERGAPDbase中。这些数据可能是预测药物诱导QT间期延长的最重要指标之一。在输入hERGAPDbase之前，所有数据都是手动收集和整理的。

hERGAPDbase是一个基于网络的界面，允许用户搜索具有hERG阻断通道潜力和APD延长活性的化合物。hERGAPDbase还根据与用户查询的化合物的相似程度显示前30个化合物，并显示每个化合物的电生理实验数据。

尽管Fenichel的数据库(http://www.fenichel.net/pages/Professional/subpages/QT/Tables/pbydrug.htm)和波拉克等. (7)从科学论文和公开保存的用于评估化合物致扭转作用的数据库中收集到的hERG分析数据，可能没有数据库同时收集hERG和APD分析数据。在这种情况下，hERGAPDbase可能是唯一的。

因此，hERGAPDbase有助于更好地理解药物诱导的QT间期延长。未来，hERGAPDbase可能使科学家不仅可以预测药物的hERG通道阻断潜力，还可以预测药物研发早期对QT间期的影响。

数据收集

hERGAPDbase的总体数据收集方法概述如下图1hERGAPDbase中的主要数据来源是已发表的科学文献。关于hERG检测的论文(8)另一个是APD分析(8)从PubMed获得(9). 在PubMed中，我们搜索关键词“hERG”、“IC50”和短语“膜片钳”，以找到提及每种化合物的hERG通道抑制活性的科学论文。为了收集每种化合物的APD数据，我们搜索短语“动作电位持续时间”和关键字“APD30”、“APD60”和“APD90”。在PubMed上查找感兴趣的论文的搜索配置文件已经开发、改进，并与这些关键字和短语的重复使用相结合(图1A） ●●●●。

在单独的窗口中打开

图1。

hERGAPDbase数据收集的总体方法。(A类)两类论文与PubMed中发现的hERG分析和APD分析有关(B类)hERG分析数据和APD分析数据是从科学论文中手动提取的。化合物的结构数据（SDF、SMILES和JPEG文件）来自PubChem。

在找到感兴趣的论文后，人工提取了三种类型的信息hERG测定数据、APD测定数据和化合物数据(图1B） ●●●●。

hERG分析数据包括化学名称、IC50、物种、宿主细胞、hERG通道表达系统、实验温度和PMID等特征表1尽管从表达hERG通道的哺乳动物细胞获得的IC50值比从具有hERG通道异质性表达的细胞获得的IC50值更可靠(10,11)，我们以客观的方式从科学论文中收集电生理数据，以获取尽可能多的结构多样性的化合物信息。

APD分析数据，包括化学名称、浓度、种类、组织、细胞、灌注后测量（min）、刺激（Hz）、APD30、APD60、APD90和PMID，详细描述如下表2.

除了hERG和APD分析数据外，还从PubChem数据库中收集了三种类型的化合物文件，即结构数据格式（SDF）文件和简化分子输入行输入规范（SMILES）文件(12). 联合图像专家组（JPEG）文件也是通过使用免费软件MarvinView转换SDF文件的格式收集的(http://www.chemason.com/download/marvin/).

数据库模式和预处理

hERGAPDbase的数据库模式概述如下图2.

在单独的窗口中打开

图2。

hERGAPDbase体系结构示意图。hERGAPDbase由五个数据表组成：PubMed数据、化合物数据、FP-DB、APD分析数据和HERG分析数据。缩写APD和HERG分别表示APD和HERG。PubMed数据表由两个属性组成：PubMedUniqueIdentifier（PMID）和Link to Abstract。化合物数据表由五个属性组成：化学名称、Sybyl Mol2化学建模器输出（Mol2）、SDF、SMILES和JPEG）。FP-DB数据表包含两个属性：化学名称和FP。APD分析数据表包含11个属性：PMID、化学名称、浓度、物种、组织、细胞、灌注后测量、刺激、30%复极时的APD（APD30）、60%复极时APD（APD60）和90%复极时（APD90）。HERG分析数据表由七个属性组成：PMID、化学名称、半最大抑制浓度（IC50；µM）、物种、宿主细胞、HERG通道表达系统和实验温度。

所有hERG和APD分析数据均独立于各种科学论文收集。这些实验数据通过PMID相互关联。然而，所有化学信息都是根据科学论文中提到的化学名称从PubChem数据库中手动收集的。因此，不同的化学名称可能表示相同的化学结构。为了避免化学名称中的这种不一致，所有化学信息都被转换为二进制位字符串，该字符串在SDF和/或SMILES格式的化合物数据中描述化合物。这些二进制位字符串被添加到可搜索指纹（FP）数据库中，每个条目都与电生理实验数据相关，例如hERG和/或APD分析数据。

hERGAPDbase是使用开源MySQL关系数据库管理系统实现的，用于积累hERG分析数据(表1)和APD分析数据(表2).

为了快速处理相似性搜索，所有化合物数据都经过预处理，用于构建FP DB。首先，所有SDF和/或SMILES文件都通过OpenBabel软件转换为MOL2文件(13). OpenBabel，这是一个免费的软件(http://openbabel.org/)是一个专门的系统，主要用于转换化学文件格式。

然后，使用mol22aefp模块将所有MOL2文件转换为FP文件。mol22aefp模块是MOLPRINT 2D软件的一部分，是一个编译的C二进制程序(14). 最后，将所有FP文件累加到hERGAPDbase中以创建用于相似性搜索的FP数据库。

hERGAPDbase的Web界面

hERGAPDbase的基于web的界面是使用开源Linux–Apache–MySQL–PHP（LAMP）工具构建的，在图3.hERGAPDbase是FP DB中基于结构的相似性搜索的在线交互界面。

在单独的窗口中打开

图3。

hERGAPDbase的总体轮廓。(A类)hERGAPDbase主页。(B类)相似性搜索主页的屏幕截图，用于查询输入。在本例中，阿司咪唑在下拉菜单中指定。(C类)hERGAPDbase的FP DB中相似性搜索的结果表。(D类)本例中阿司咪唑的hERG分析数据表。(E类)阿司咪唑APD分析数据表。(F类)SDF、SMILES和JPEG文件的数据下载平台。(G公司)PubMed的hERG和APD测定数据资源的论文摘要。

hERGAPDbase查询输入和相似性搜索

这里详细描述了在hERGAPDbase中查询和相似性搜索，相似性搜索结果的示例以及如何浏览每种化合物的hERG和APD测定数据的描述。hERGAPDbase允许用户使用以下三种输入方法之一指定化合物或药物：化学名称、MOL2或SDF文件或SMILES(图3B） ●●●●。

在化学品名称窗口中，用户在下拉菜单中指定一种化合物或药物。通过MOL2或SDF文件窗口，用户可以上传任何MOL2和SDF文件的化合物数据。在SMILES窗口中，用户输入SMILES格式的化合物数据，这些数据是基于文本的化合物描述。

用户查询上述化合物或药物并单击搜索按钮后(图3B） ，hERGAPDbase在FP DB中启动相似性搜索。

相似性搜索是使用一个perl脚本tanimoto.pl执行的，该脚本是MOLPRINT 2D软件的一个程序。Tanimoto.pl是一种用于计算化合物之间相似性的有效算法：分数越高，化合物之间的结构相似性越高。

相似性搜索的结果

在进行相似性搜索后，hERGAPDbase将按相似性搜索得分的顺序显示列出前30种化合物的表格式结果(图4). 结果表包括以下列：编号、化学名称、结构、分数、hERG通道分析结果和APD分析结果。

在单独的窗口中打开

图4。

阿司咪唑相似性搜索结果的屏幕截图。结果表中列出的属性，即编号、化学名称、结构、得分、hERG通道分析结果和APD分析结果，表示化合物在前30个化合物中的相似性排名、化合物名称、化合物的JPG图像、tanimoto.pl计算的相似性得分，hERG检测结果和APD检测结果。

结果表中列出的属性编号。，化学名称、结构和分数分别决定了化合物在前30个化合物中的相似性排名、化合物名称、化合物的JPG图像和tanimoto.pl计算的相似性分数。此外，hERG通道分析和APD分析结果显示在结果表中。这两列都包含指向电生理实验数据的链接，如果没有数据，则列出“未找到数据”。

显示hERG和APD分析结果

用户可以访问hERG分析结果(图5)通过hERG通道分析结果列中的链接对每种化合物进行分类，如所示图4。如所示图5A、 用户会发现阿司咪唑抑制人hERG通道的活性，该通道在HEK 293细胞上稳定表达，IC50值为0.0013μM。此外，用户还将发现阿司咪唑抑制人类hERG通道在爪蟾卵母细胞IC50值为0.0484μM(图5B） ●●●●。

在单独的窗口中打开

图5。

阿司咪唑hERG分析结果的屏幕截图。(A类)使用在HEK 293细胞上稳定表达的hERG通道的hERG-分析结果示例。(B类)使用hERG通道瞬时表达于爪蟾卵母细胞。结果表中列出的属性，即化学名称、IC50（µM）、物种、宿主细胞和PMID，分别表示化合物的名称、hERG通道的半最大抑制浓度、hERG-通道的来源、天然和/或人工表达hERG渠道和PMID的细胞。

接下来，用户还可以访问APD分析结果(图6)通过APD分析结果列中的链接对每种化合物进行检测(图4). 如所示图6A、 0.1μmol/l阿司咪唑对豚鼠心室乳头肌的APD30、APD60和APD90无影响。此外，10.0μmol/l阿司咪唑对豚鼠心室乳头肌APD30无影响，但延长了4.0%的APD60和APD90(图6B） ●●●●。

在单独的窗口中打开

图6。

阿司咪唑APD分析结果的屏幕截图。(A类)0.1μmol/l浓度情况下的APD示例。(B类)浓度为10.0μmol/l时的APD示例。结果表中列出的属性，即化学名称、浓度（µM）、种类、组织、细胞、灌流后测量（min）、刺激（Hz）、APD30、APD60、APD90和PMID，表示化合物的名称、化合物的浓度和/或用于测量动作电位的药物，测试化合物动作电位的组织和细胞的来源，提取细胞的组织，从组织中提取用于测量动作电位的细胞，灌注化合物后动作电位的时间测量，制剂的电刺激频率，30%复极时的APD，APD分别为60%复极、90%复极和PMID。

hERGAPDbase的其他功能

hERGAPDbase提供了一个平台，可以通过点击、hERG分析结果中的化学名称或APD分析结果下载化合物数据(图3D–F）。通过这个平台(图3F） ，用户可以复制和粘贴SMILES格式的数据和JPG文件，并下载SDF文件。

此外，hERGAPDbase还提供到MEDLINE条目的链接，以便通过使用PMID点击访问与实验数据相关的科学论文摘要(图3G） ●●●●。

未来计划和升级

为了更好地了解化合物的致扭体反应活性，可能有必要收集已进行hERG和APD分析的化合物的其他信息。尽管我们目前专注于收集在电生理实验中显示阳性hERG和APD检测效果的化合物的信息，但收集具有负面影响的化合物的相关信息可能很重要。此外，当前版本的hERGAPDbase比APD检测数据具有更多的hERG检测数据；因此，应增加更多后者。

由于这些原因，hERGAPDbase仍在建设中，在当前状态下可能用处有限。因此，当新的文章和数据向公共领域开放时，hERGAPDbase将不断更新。我们计划通过添加新的电生理实验数据来增加结构无关的化合物数据条目的数量。此外，我们计划在未来收集临床测量的人体心电图数据。

关于基于web的界面，我们计划为用户提供下载完整数据集的能力，其中包含化学化合物信息，包括生物活性注释，以便更容易访问hERGAPDbase。

在下一版本的hERGAPDbase中，我们还计划在我们的数据库和主要开放和公共数据库（如PubChem）之间创建双向链接，以便更轻松、更全面地访问我们的数据库。

基金

我们的研究得到了九州大学农业学院遗传资源技术系和大冢制药有限公司的支持。

利益冲突。未声明。

致谢

工具书类