Previsione degli agenti di guerra chimica basata sulla meta di tipo array colinergico

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16709 (2022) Citare questo articolo

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Le conoscenze molecolari sulla sicurezza chimica sono molto importanti per lo sviluppo sostenibile e per la valutazione del rischio. Questo studio considera come gestire i futuri agenti nocivi, in particolare gli agenti potenzialmente colinergici di guerra chimica (CWA). A questo scopo, le strutture di agenti colinergici noti sono state codificate da descrittori molecolari. E poi ciascuna interazione farmaco-bersaglio (DTI) è stata appresa dalle strutture codificate e dalle loro attività colinergiche per costruire modelli di classificazione DTI per cinque bersagli colinergici con validazione statistica affidabile (insieme-AUC: fino a 0,790, MCC: fino a 0,991, accuratezza: fino a 0,995). I classificatori raccolti sono stati trasformati in meta-predittori di tipo array 2D o 3D per multi-task: (1) previsione colinergica e (2) rilevamento CWA. La capacità di rilevamento dei classificatori dell'array è stata verificata nel set di dati sbilanciato tra CWA e nessun CWA (area sotto la curva di richiamo di precisione: fino a 0,997, MCC: fino a 0,638, punteggio F1 di nessun CWA: fino a 0,991, F1- punteggio di CWA: fino a 0,585).

Gli agenti di guerra chimica (CWA) e le sostanze chimiche pericolose minacciano la sicurezza chimica1,2. Prima della convenzione sulle armi chimiche, i CWA venivano intenzionalmente inventati e sintetizzati per le operazioni militari. Al giorno d'oggi, ci sono preoccupazioni riguardo alle invenzioni involontarie di CWA insieme ai loro incidenti inaspettati attraverso (1) chimica sintetica correlata a CWA noti (ad esempio derivati ​​organofosforici)2,3 o (2) prodotti chimici per farmaci terapeutici (ad esempio codice BZ assegnato dalla NATO) e droghe illegali4. Terrori seriali come il Sarin in Giappone nel 1994, il VX in Malesia nel 2017 e il Novichok (agente non dichiarato) in Siria nel 2018, rendono possibili le preoccupazioni sulle armi chimiche5. Inoltre, alcune sostanze chimiche dannose (come mostrato nella Fig. 1) non sono state registrate nell’elenco delle organizzazioni per la proibizione delle armi chimiche (OPCW) della CWA, ma hanno provocato vittime devastanti e le tragedie continuano ancora: (1) etossietil guanidinio (PGH)/poliesametilene guanidina (PHMG), ingredienti degli sterilizzatori Reckitt Benckiser, che hanno provocato la morte di neonati e donne incinte a causa dei disinfettanti in Corea del Sud6,7, e (2) TCDD, una traccia di impurità dell'Agente Orange (erbicida e sostanza chimica defoliante ) durante la guerra del Vietnam, che ha promosso la trasmissione epigenetica transgenerazionale delle malattie8,9.

Le minacce chimiche includono agenti di guerra chimica (CWA) a cui sono stati assegnati codici NATO, stimolanti CWA, nuove sostanze psicoattive (NPS) e pericoli chimici come PHMG (sterilizzatore) e TCDD.

Per quanto riguarda la sicurezza chimica, gli esseri umani hanno creato regolamenti o sistemi per controllare il rischio derivante da sostanze chimiche dannose10,11,12. Con tali sistemi, il rilevamento di agenti pericolosi o le relative tecnologie di disintossicazione sono stati continuamente sviluppati13,14,15,16. Nonostante la storia, il tasso di diffusione degli agenti nocivi è più rapido del tasso di adozione di una regolamentazione o di una tecnologia di rilevamento. Ad esempio, dal 2014 al 2014 sono state monitorate più di 450 nuove sostanze psicoattive (NPS) o droghe sintetiche, progettate per imitare gli effetti farmacologici di droghe illegali note che potrebbero evitare una regolamentazione delle droghe illegali e/o il rilevamento nei test antidroga standard. 201717,18,19. Durante questi periodi, qualsiasi sistema di sicurezza non potrebbe controllare in modo adeguato e tempestivo le NSP: la loro identificazione e rilevazione, la valutazione della loro tossicità e l’istituzione di una regolamentazione20. Naturalmente, i pericoli chimici o le sostanze tossiche non definite in un sistema non possono essere prevenuti, riconosciuti o controllati21. Pertanto, le "sostanze chimiche non ancora esistenti ma di prossima uscita (sostanze chimiche NE)" nocive e pericolose dovrebbero essere predefinite in anticipo per la valutazione del rischio. Tuttavia, la previsione del “non esistente” è vaga e indefinita. Fortunatamente, quando una macchina apprende le strutture e le proprietà di sostanze chimiche dannose note e analizza le loro relazioni, la relazione appresa può teoricamente suggerire uno schema di sostanze chimiche NE22. In altre parole, una parte dello spazio pericoloso e tossico può essere definita utilizzando le caratteristiche molecolari (variabili) di sostanze chimiche note (Fig. 2). Poiché 'spazio chimico' significa che comprende tutte le possibili piccole molecole23, è stato nominato uno spazio pericoloso e tossico che comprende tutte le possibili sostanze chimiche pericolose e tossiche. Più auspicabilmente, se la definizione viene raggiunta in modo ideale, può essere utilizzata per la regolamentazione preventiva. Con questa considerazione, abbiamo cercato di definire una parte dello spazio di pericolo e di tossicità utilizzando meta-predittori colinergici. In questo studio, lo spazio degli agenti pan-colinergici è definito a priori dalle loro strutture molecolari, e quindi il modello colinergico degli agenti nervini come CWA nello spazio viene appreso da una rete neurale convoluzionale (CNN). Il primo è la generazione di meta-predittori colinergici e il secondo è il rilevamento CWA basato sui meta-predittori.