生理毒代動(dòng)力學(xué)模型及其在有機(jī)污染物水生生態(tài)毒理研究中的應(yīng)用

呂銀知，張芊芊，趙建亮,*，姚理，應(yīng)光國(guó)

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 華南師范大學(xué) 環(huán)境研究院，廣州 510006

近年來(lái)，隨著化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展，人工合成化學(xué)品數(shù)量急劇增加。據(jù)ECHA統(tǒng)計(jì)，目前全球商用化學(xué)品數(shù)量達(dá)140 000余種[1-2]，且部分化合物具有三致(致癌、致畸和致突變)作用、內(nèi)分泌干擾作用等毒性。例如，工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的有機(jī)磷酸酯(OPEs)類(lèi)農(nóng)藥具有致癌性和神經(jīng)毒性，在多個(gè)國(guó)家的地表水、污水和地下水等環(huán)境介質(zhì)中均有殘留，一般通過(guò)污染源排放、大氣干濕沉降和滲漏等方式污染水體[3]。鄰苯二甲酸酯(PAEs)是一類(lèi)重要的外源性環(huán)境激素，在水體、土壤和大氣環(huán)境中分布廣泛，降解速率慢，生物富集性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的內(nèi)分泌干擾效應(yīng)[4]。環(huán)境中污染物類(lèi)別不勝枚舉，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成的危害也不盡相同，因此有必要對(duì)化合物按照危害性大小進(jìn)行管理，這就需要評(píng)估化合物對(duì)生物體的毒性[5-6]。傳統(tǒng)的化合物毒性評(píng)價(jià)方法是通過(guò)化合物的暴露，以化合物在生物體的外暴露濃度進(jìn)行表征，但是外暴露一般無(wú)法解釋污染物在生物體內(nèi)的復(fù)雜代謝行為。與外暴露相比，污染物的內(nèi)暴露劑量與其對(duì)機(jī)體的效應(yīng)關(guān)系更為緊密[7-11]。此外，動(dòng)物暴露實(shí)驗(yàn)操作繁瑣復(fù)雜，面對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的化合物并不具優(yōu)勢(shì)，因此需要更加有效的方法解決這一問(wèn)題。生理毒代動(dòng)力學(xué)(PBTK)模型在研究化合物的代謝動(dòng)力學(xué)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，是一種模擬化合物在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄(ADME)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。PBTK模型的建立不需消耗大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，是一個(gè)減少甚至替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的好方法。利用生理學(xué)和解剖學(xué)知識(shí)，將生物體的各組織器官按一定的原則分成不同的房室，房室之間通過(guò)血液循環(huán)連接，以描述化合物在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝等動(dòng)力學(xué)行為[12-13]。

與PBTK模型相比，較為簡(jiǎn)單的毒代動(dòng)力學(xué)模型是經(jīng)典的房室模型，多為一室、二室和三室模型。經(jīng)典毒代動(dòng)力學(xué)房室模型作為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤?dāng)前仍在使用，但其房室沒(méi)有實(shí)際的解剖學(xué)和生理學(xué)意義，可以滿(mǎn)足一些化合物的毒代動(dòng)力學(xué)研究，但當(dāng)遇到具有復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的化合物或需要種間外推時(shí)就難以達(dá)到目的，需要借助基于生理的毒代動(dòng)力學(xué)模型手段[14-16]，即PBTK模型。PBTK模型最早由Teorell在1937年研究藥物時(shí)提出[17]，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)還未出現(xiàn)，無(wú)法求解模型中涉及的質(zhì)量平衡微分方程。后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模型中的數(shù)學(xué)問(wèn)題逐漸得到了解決，PBTK模型的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步[18]，并用于人體或哺乳動(dòng)物體內(nèi)污染物的模擬，但在水生生物體內(nèi)的應(yīng)用還十分有限[19-21]。Nichols等[22]在1990年建立的虹鱒魚(yú)PBTK模型最具代表性，其他魚(yú)種(如湖紅點(diǎn)鮭、歐洲鰻鱺、黑頭呆魚(yú)和日本青鳉等)的PBTK模型都參考了此模型結(jié)構(gòu)[23-25]。Brinkmann等[26]進(jìn)一步建立了針對(duì)斑馬魚(yú)和斜齒鳊的PBTK模型，并將其與虹鱒魚(yú)、湖紅點(diǎn)鮭和黑頭呆魚(yú)的模型結(jié)合起來(lái)建立了多物種的PBTK模型，用來(lái)評(píng)估化合物的生物富集性。可以說(shuō)，PBTK模型應(yīng)用于水生毒理學(xué)的研究有助于了解污染物在生物體的行為及其毒性效應(yīng)機(jī)制。本文簡(jiǎn)要概括了PBTK模型的建立過(guò)程以及目前在生態(tài)毒理研究中的應(yīng)用及趨勢(shì)。

1 毒代動(dòng)力學(xué)模型(Toxicokinetic models)

毒物代謝動(dòng)力學(xué)模型主要分為兩大類(lèi)[27]：一類(lèi)是僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的傳統(tǒng)房室模型，另一類(lèi)是基于解剖學(xué)的PBTK模型。

1.1 房室模型

房室模型將生物體簡(jiǎn)化為一個(gè)房室或幾個(gè)房室，將具有相似動(dòng)力學(xué)特征的組織或器官歸為一個(gè)房室。一室模型認(rèn)為化合物在整個(gè)生物體內(nèi)分布均勻，濃度相同；多室模型認(rèn)為不同器官和組織間化合物濃度不同[28]。由于房室模型僅僅是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，因此這些房室并不等同于真實(shí)的組織和器官。化合物在每個(gè)房室中的濃度用質(zhì)量平衡方程描述，一個(gè)房室中化合物總量的變化速率由化合物從血液進(jìn)入房室的速率和離開(kāi)房室的速率共同決定，同時(shí)考慮房室中化合物的清除速率[27]。模型參數(shù)通過(guò)分析或擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或憑經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏解剖學(xué)知識(shí)的支撐，限制了種間外推應(yīng)用。

1.2 PBTK模型

PBTK模型是以解剖學(xué)和生物體實(shí)際的生理機(jī)能為基礎(chǔ)，將生物體簡(jiǎn)化為用血流連接的不同房室，模擬化合物在生物體中的吸收、分布、代謝和轉(zhuǎn)化過(guò)程[22]。與傳統(tǒng)房室模型相比，PBTK模型不是單靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定義房室，而是用機(jī)體重量和血流速率等數(shù)據(jù)描述實(shí)際的組織和器官；PBTK模型中各種速率常數(shù)的確定不僅是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，還通過(guò)測(cè)定化合物的各種理化和生化參數(shù)確定。由于PBTK模型是建立在機(jī)體生理基礎(chǔ)上的整體模型，因此每個(gè)房室都對(duì)應(yīng)著一種或幾種特定的組織和器官。PBTK模型可描述化合物及其代謝物在各房室中含量隨時(shí)間的變化情況，更加真實(shí)地模擬污染物在生物體內(nèi)的暴露濃度，并能夠進(jìn)行各種情形下的外推，包括劑量間外推、種間外推、暴露途徑間外推等[27]，使模型的應(yīng)用更加廣泛。

PBTK模型的建立過(guò)程一般按照以下步驟進(jìn)行[27,29-30]。首先，收集模型動(dòng)物相關(guān)的生理特征參數(shù)、化合物相關(guān)的生理生化參數(shù)、及其在模型動(dòng)物體內(nèi)的毒物代謝動(dòng)力學(xué)過(guò)程等相關(guān)資料。然后，基于這些資料劃分模型房室結(jié)構(gòu)，依據(jù)質(zhì)量守恒定律編寫(xiě)各房室相應(yīng)的微分方程。最后，編寫(xiě)模型代碼，利用軟件優(yōu)化參數(shù)，并進(jìn)行模型評(píng)估和校正。

1.2.1 模型結(jié)構(gòu)

PBTK模型的結(jié)構(gòu)主要由生物體內(nèi)污染物的生理性質(zhì)和建模目的決定[31]。根據(jù)血液灌注特征和化合物在機(jī)體內(nèi)分布特征對(duì)組織和器官進(jìn)行分組，確定房室。如常見(jiàn)的充分灌注組織和不充分灌注組織就是將血液灌注速率大的組織和灌注速率小的組織分別合并得到。

將毒物代謝動(dòng)力學(xué)特征難以區(qū)分的組織和器官合并為一個(gè)房室，反之則分開(kāi)成不同的房室。確定不同組織間動(dòng)力學(xué)特征是否可區(qū)分的方法有2種：一種是比較組織的速率常數(shù)，另一種是比較組織合并狀態(tài)下和分離狀態(tài)下的模型性能。此外，對(duì)于不同性質(zhì)的化合物，同一種組織或器官的分組狀況可能不同。如魚(yú)鰓和脂肪組織對(duì)于揮發(fā)性親脂化合物苯乙烯建模很重要，需要分成單獨(dú)的房室，但對(duì)難揮發(fā)水溶性化合物氨甲葉酸卻不用單獨(dú)考慮[27]。

組織和器官的合并程度越低，即模型中房室數(shù)量越多，模型結(jié)構(gòu)越接近于真實(shí)的生理環(huán)境，理論上模型的預(yù)測(cè)效果會(huì)更好。但房室數(shù)量的增多也意味著模型參數(shù)和方程數(shù)量的增加，模型結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，操作難度增加。因此，應(yīng)該結(jié)合模型應(yīng)用目的合理對(duì)組織和器官進(jìn)行分組，以保證模型的簡(jiǎn)潔和高效。圖1為文獻(xiàn)中報(bào)道的虹鱒魚(yú)典型生理毒代動(dòng)力學(xué)模型[22]。

圖1 典型有機(jī)化合物在虹鱒魚(yú)體內(nèi)的PBTK模型圖示Fig. 1 Diagram of a physiologically based toxicokinetic model for organic chemicals in rainbow trout

化合物在房室中的含量變化用質(zhì)量守恒微分方程描述，即：該房室內(nèi)物質(zhì)單位時(shí)間的變化量=隨動(dòng)脈血流入房室的物質(zhì)瞬時(shí)質(zhì)量-隨靜脈血流出該房室的物質(zhì)瞬時(shí)質(zhì)量+物質(zhì)在該房室的生成項(xiàng)-物質(zhì)在該房室的消除項(xiàng)[31]。通常模型中的房室與微分方程一一對(duì)應(yīng)。在書(shū)寫(xiě)模型的數(shù)學(xué)方程時(shí)，按質(zhì)量守恒定律，即離開(kāi)某一房室的血流量總和必定等于進(jìn)入該房室的血流量總和。魚(yú)體PBTK模型中常用的房室及對(duì)應(yīng)方程如表1所示[22,32]。

1.2.2 模型輸入?yún)?shù)

PBTK模型建立的關(guān)鍵是確定模型參數(shù)。如表2所示，模型參數(shù)主要概括為兩大類(lèi)：反映生物體基本特征的生理參數(shù)和反映機(jī)體與化合物間相互作用的生化參數(shù)。體重、組織重量、組織含水量和脂肪含量一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)即可獲得。其他生理參數(shù)可直接從相關(guān)文獻(xiàn)資料中獲取，或通過(guò)“種間異數(shù)推算”(allometric scaling)得到。“種間異數(shù)推算”是指利用某些生理指標(biāo)與體重之間的相關(guān)性(Y=a·Wb，其中Y為生理指標(biāo)，W為生物體重，a為異數(shù)推算系數(shù)，b為異數(shù)推算指數(shù))獲得具體參數(shù)值的方法[17,33]。血/水分配系數(shù)和組織/血液分配系數(shù)既可通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)(平衡實(shí)驗(yàn)、平衡透析等)獲取[27]，也可由經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)得到[34-35]。而組織/水分配系數(shù)可通過(guò)計(jì)算血/水分配系數(shù)和組織/血液分配系數(shù)的乘積得到。代謝參數(shù)和吸收參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)較難獲取，一般會(huì)采取參數(shù)優(yōu)化的方法，即借助最大似然法等統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)手段或MATLAB等計(jì)算軟件，使得模型預(yù)測(cè)濃度-時(shí)間曲線(xiàn)盡可能接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Nichols等[36]歸納了從魚(yú)的體外肝代謝常數(shù)外推得到體內(nèi)代謝速率常數(shù)的方法，并描述了如何將這些外推數(shù)據(jù)分別并入魚(yú)的房室毒代動(dòng)力學(xué)模型和PBTK模型。由于大部分關(guān)于魚(yú)生物轉(zhuǎn)化的研究通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，因此體內(nèi)外肝臟代謝數(shù)據(jù)的外推方法對(duì)于PBTK模型建立過(guò)程中相關(guān)代謝參數(shù)的獲取具有重要意義。

表1 魚(yú)體PBTK模型中常用的房室及方程Table 1 Compartments and equations used in fish PBTK models

注：下標(biāo)a、c、p、k、f、r、l、v分別代表動(dòng)脈血、心輸出、不充分灌注組織、腎臟、脂肪組織、充分灌注組織、肝臟和靜脈血；Pbw為血水分布系數(shù)；Qw為有效呼吸體積；Cw為進(jìn)入鰓的水中的化合物濃度；Vmax為最大代謝速率常數(shù)；Km為米氏常數(shù)。

Note： The subscripts a, c, p, k, f, r, l and v represent arterial blood, cardiac output, poorly perfused tissue group, kidney, fat tissue group, richly perfused tissue group, liver, and venous blood, respectively;Pbwis chemical blood-water partition coefficient;Qwis effective respiratory volume;Cwis chemical concentration in inspired water;Vmaxis Maximum enzymatic reaction rate;Kmis Michaelis-Menten constant for enzymatic reaction.

1.2.3 模型求解及評(píng)估確認(rèn)

在模型結(jié)構(gòu)和所需參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，即可使用計(jì)算軟件對(duì)質(zhì)量微分方程進(jìn)行求解。常用的軟件有ACSL (Advanced Continuous Simulation Language)、Berkeley Madonna、MATLAB、ModelMaker和SCoP (Simulation Control Program)等[27]。

模型建立后，要依據(jù)模型輸出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致程度對(duì)模型作出評(píng)價(jià)，并針對(duì)某些方面給予修正以完善模型；同樣，當(dāng)針對(duì)某一化合物設(shè)計(jì)的PBTK模型要應(yīng)用到其他化合物時(shí)，也需要對(duì)模型的結(jié)構(gòu)或參數(shù)進(jìn)行修正。模型評(píng)價(jià)一般包括評(píng)估模型結(jié)構(gòu)和輸入?yún)?shù)的合理性及模型在用于外推時(shí)的置信度[37]。越重要的參數(shù)，其取值的不確定性越大。因此，一般情況下應(yīng)進(jìn)行參數(shù)值的不確定性分析。在表征參數(shù)的不確定性時(shí)，要確定參數(shù)在什么取值范圍內(nèi)與數(shù)據(jù)明顯不一致。保持其他參數(shù)值不變，改變一個(gè)參數(shù)值大小(±1%)，然后觀(guān)察這些改變對(duì)模型輸出的影響，從而可確定決定化合物毒代動(dòng)力學(xué)行為的關(guān)鍵參數(shù)，這一過(guò)程稱(chēng)為靈敏度分析[30]。

表2 魚(yú)體組織PBTK模型的基本參數(shù)及獲取途徑Table 2 Parameters and sources for fish tissue PBTK models

注：i代表魚(yú)體的任一個(gè)組織房室(血液、肝臟、腎臟、脂肪組織、不充分灌注組織和充分灌注組織等)。

Note： The generic indexican be replaced by b, l, k, f, p and r referring respectively to blood, liver, kidney, fat tissue group, poorly perfused tissues and richly perfused tissues.

表3 PBTK模型在水生生態(tài)毒理學(xué)研究中的應(yīng)用Table 3 Application of PBTK model in aquatic ecotoxicology

續(xù)表3生物物種Species模型暴露途徑Route of exposure污染物Chemicals涉及組織Compartments模擬結(jié)果Results參考文獻(xiàn)Reference斑點(diǎn)叉尾鮰Channel catfish(Ictalurus punctatus)呼吸暴露Inhalation exposure五氯乙烷、六氯乙烷、四氯乙烷 Pentachloroethane, hexachloroethane and 1,1,2,2-tetrachloroethane (PCE, HCE, and TCE)肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了TCE的吸收和富集,但低估了PCE和HCE的吸收The model accurately simulated the accumulation of TCE in arterial blood and its uptake from water, but consistently underestimated the uptake and accumulation of both PCE and HCENichols等[45]Nichols et al[45]虹鱒魚(yú)&斑點(diǎn)叉尾鮰 Rainbow trout(Oncorhynchus mykiss) & Channel catfish(Ictalurus punctatus)經(jīng)皮暴露&呼吸暴露Dermal exposure & Inhalation exposure五氯乙烷、六氯乙烷、四氯乙烷 Pentachloroethane, hexachloroethane and 1,1,2,2-tetrachloroethane (PCE, HCE, and TCE)肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、皮膚、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, skin tissue group, gills, and blood模型模擬表明經(jīng)皮吸收的化合物含量?jī)H占皮膚和鰓同時(shí)暴露吸收總量的不到10%Model simulations suggest that dermal absorption would account for less than 10% of total uptake in a combined inhalation and dermal exposureNichols等[46]Nichols et al[46]虹鱒魚(yú)&黑頭呆魚(yú)aRainbow trout (Oncorhynchus mykiss) & Fathead minnows (Pimephales promelas)a呼吸暴露Inhalation exposure1,2,3,4-四氯苯、1,2,4-三氯苯、1,4-二氯苯、4-硝基酚、氰戊菊酯、六氯苯、五氯苯和五氯苯酚1,2,3,4-Tetrachlorobenzene, 1,2,4-trichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 4-nitrophenol, fenvalerate, hexachlorobenzene, pentachlorobenzene and pentachlorophenol肝、(腎)、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, (kidney), fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood與一室模型相比,PBTK模型能更好地模擬內(nèi)部化合物濃度The PBTK model outperformed the one-compartment models with respect to simulating chemical concentrations in the whole body (at least 88% of internal concentrations were predicted within 1 order of magnitude using the PBTK model)Stadnicka等[47]Stadnicka et al[47]黑頭呆魚(yú)Fathead minnows (Pimephales promelas)呼吸暴露&皮膚暴露Inhalation exposure & Dermal exposure五氯乙烷、六氯乙烷、四氯乙烷 Pentachloroethane, hexachloroethane and 1,1,2,2-tetrachloroethane (PCE, HCE, and TCE)皮膚、鰓、血液、脂肪、內(nèi)臟、身體其他部分Skin tissue group, gills, blood, fat tissue group, viscera, and carcass模型能有效預(yù)測(cè)氯代乙烷在黑頭呆魚(yú)體內(nèi)的富集情況,結(jié)果表明皮膚吸收分別占PCE吸收總量和HCE吸收總量的20%和30%The model can be used effectively to predict the accumulations of the chlorinated ethanes in fathead minnows. The results suggest that cutaneous absorption contributes approximately 20% and 30% toward the absorption of PCE and HCE, respectivelyLien等[48]Lien et al[48]呼吸暴露Inhalation exposure法倔唑和雌二醇 Fadrozole and 17β-estradiol (FAD and E2)肝、腦、卵巢、鰓、血液、魚(yú)體其他部分 Liver, brain, ovary, gills, blood, and carcass模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了芳香化酶抑制劑FAD內(nèi)分泌干擾效應(yīng)的劑量-效應(yīng)關(guān)系和時(shí)間變化情況The model accurately predicted dose-response and time-course behaviors for endocrine effects of the aromatase inhibitor, FAD炔雌醇、去甲雄三烯醇酮 17α-ethynylestradiol and 17β-trenbolone (EE2 and TB)肝、腦、性腺、鰓、血液、魚(yú)體其他部分 Liver, brain, gonad, gills, blood, and carcass模型模擬了TB和EE2的吸收、分布和排泄,并能有效評(píng)估雌、雄內(nèi)分泌干擾物造成的生殖不良后果The model simulates absorption, distribution, and elimination of TB and EE2, and is useful for evaluation of adverse outcomes on reproduction from both estrogenic and androgenic EDC exposureBreen等[49]Breen et al[49]Li等[50]Li et al[50]黑頭呆魚(yú)&青鳉 Fathead minnows (Pimephales promelas) & Medaka呼吸暴露&皮膚暴露Inhalation exposure & Dermal exposure四氯聯(lián)苯 2,2,5,5-Tetrachlorobiphenyl (TCB)皮膚、鰓、魚(yú)體其他部分Skin, gills, and carcass模型能有效模擬小魚(yú)體內(nèi)化合物的生物富集,且發(fā)現(xiàn)這2種小魚(yú)的鰓暴露和皮暴露對(duì)TCB的吸收能力大致相當(dāng)A physiologically based modeling approach can be used effectively to predict the bioconcentration of xenobiotics in small fish. Model simulations suggest that branchial and cutaneous surfaces have approx, equal capacity to support exchange of TCBLien和McKim[51]Lien and McKim[51]呼吸暴露Inhalation exposure二噁英 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) 肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值一致The final predictions were in strong agreement with the observations. The model developed in the present study can therefore be used in the prediction of the body burden of 2,3,7,8-TCDD in fathead minnow and medakaParhizgari和Li[25]Parhizgari and Li[25]刺鰩Sting rays (Dasyatidae sabina andD. sati)呼吸暴露Inhalation exposure氨甲葉酸 Methotrexate (MTX)肝、腎、肌肉、胃腸道、血漿Liver, kidney, muscle, G.I. tract, plasma模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了刺鰩體內(nèi)MTX的分布The model is capable of predicting the pharmacologic disposition of methotrexate (MTX) in the sting rayZaharko等[52]Zaharko et al[52]

續(xù)表3生物物種Species模型暴露途徑Route of exposure污染物Chemicals涉及組織Compartments模擬結(jié)果Results參考文獻(xiàn)Reference角鯊魚(yú)Dogfish shark(Squalus acanthias)靜脈注射Intravenous administration苯酚磺酞 Phenol red肝、腎、肌肉、膽汁、血漿Liver, kidney, muscle, bile, plasma數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果大致一致The agreement between the data and the model predictions is relatively goodBungay等[53]Bungay et al[53]溪紅點(diǎn)鮭-雌Brook trout(Salvelinus fontinalis) - female飲食暴露Dietary uptake二噁英 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD)肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、腸、卵巢、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gut, ovary, gills, and blood模型準(zhǔn)確模擬了TCDD在溪紅點(diǎn)鮭各組織中的動(dòng)力學(xué)行為T(mén)he model provided excellent descriptions of TCDD kinetics in brook trout tissues examinedNichols等[54]Nichols et al[54]歐洲鰻鱺 European eel(Anguilla anguilla)呼吸暴露Inhalation exposure殺螟硫磷、苯并噻吩、間二甲苯、鄰二甲苯、甲苯、苯Fenitrothion, dibenzothiophene, m-xylene, o-xylene, toluene, benzene肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood模型能很好預(yù)測(cè)在暴露期間的任何時(shí)間點(diǎn)有機(jī)化合物在魚(yú)體及魚(yú)體任何組織的吸收和分布,且能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)內(nèi)部濃度Such models can predict the uptake and distribution of water-borne organic chemicals in the whole fish and in different tissues at any time during exposure. The predicted internal concentrations were accurateBrinkmann等[24]Brinkmann et al[24]5種魚(yú)b5 kinds of fishb呼吸暴露Inhalation exposure中性有機(jī)化合物 Neutral organic chemicals肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood模型能很好地預(yù)測(cè)化合物在不同魚(yú)種體內(nèi)的生物富集潛能This model can play an important role in predicting a chemical’s bioaccumulation potential across different speciesBrinkmann等[26]Brinkmann et al[26]湖紅點(diǎn)鮭Lake trout(Salvelinus namaycush)呼吸暴露Inhalation exposure五氯乙烷、六氯乙烷、四氯乙烷Pentachloroethane, hexachloroethane and 1,1,2,2-tetrachloroethane (PCE, HCE, and TCE) 肝、腎、脂肪、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, kidney, fat tissue group, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)3種氯乙烷在湖紅點(diǎn)鮭中的吸收和分布The model accurately predicted the uptake and disposition of three chlorinated ethanes in lake troutLien等[23]Lien et al[23]斑馬魚(yú) Zebrafish(Danio rerio)呼吸暴露Inhalation exposure有機(jī)化合物 Organic chemicals肝、腦、性腺、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, brain, gonads, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)一致In general, the predictions are close to the experimental valuesPéry等[30]Péry et al[30]中華鱘 Chinese sturgeon(Acipenser sinensis)呼吸暴露&飲食暴露Inhalation exposure &Dietary uptake十溴二苯醚 2,2′,3,3′,4,4′,5,5′,6,6′-Decabromodiphenyl ether肝、脂肪、胃/腸、充分灌注組織、不充分灌注組織、鰓、血液Liver, fat tissue group, stomach/intestine, richly perfused tissues, poorly perfused tissues, gills, and blood模型模擬結(jié)果表明較低的血液到組織的分布系數(shù)值會(huì)導(dǎo)致BDE-209較高的生物富集值,尤其在吸收器官The result shows that low partition ratios from blood to tissues would lead to high bioaccumulation of BDE-209, especially in absorbing organsWan等[55]Wan et al[55]鯽魚(yú)Crucian carp(Carassius auratus)口服或肌肉注射Oral or intramuscular administration氟苯尼考 Florfenicol肝、腎、胃、肌肉、腸、膽囊、鰓、血液、魚(yú)體其他部分Liver, kidney, stomach, muscle, gut, gallbladder, gills, blood, and carcass口服吸收和肌肉注射2個(gè)模型對(duì)主要食用組織的預(yù)測(cè)能力較好The oral model and the intramuscular model had the good predictive ability in the main edible tissue, the muscleYang等[56]Yang et al[56]東部牡蠣Eastern oyster(Crassostrea virginica)呼吸暴露Inhalation exposure二噁英 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD)外套膜、鰓、閉殼肌、消化腺、性腺、腎/心臟、血淋巴Mantle, gill, adductor muscle, digestive gland, gonad, kidney/heart, and hemolymph模型預(yù)測(cè)了TCDD在各組織房室中的分布和排泄?jié)舛?高估了TCDD在血淋巴中的濃度,低估了TCDD在消化腺和性腺中的濃度The model predicted the distribution and the elimination concentrations for TCDD within each of the tissue compartments, overestimated TCDD concentrations in the hemolymph, and underestimated TCDD concentrations in the digestive gland and gonadWintermyer等[57]Wintermyer et al[57]

續(xù)表3生物物種Species模型暴露途徑Route of exposure污染物Chemicals涉及組織Compartments模擬結(jié)果Results參考文獻(xiàn)Reference櫛孔扇貝Scallop(Chlamys farreri)呼吸暴露Inhalation exposure苯并[a]芘 Benzo[a]pyrene (B[a]P)閉殼肌、消化腺、鰓、其他組織、血淋巴Adductor muscle, digestive gland, gill, other tissues, and hemolymph 模型較好預(yù)測(cè)了B[a]P在各器官房室中的濃度及其對(duì)消化腺的毒效應(yīng)The model predicted the B[a]P concentrations within each organ compartment and the toxic effects in digestive gland wellLiu等[58]Liu et al[58]

注：a, 黑頭呆魚(yú)模型中無(wú)單獨(dú)腎臟房室；b, 5種魚(yú)分別為虹鱒魚(yú)、湖紅點(diǎn)鮭、黑頭呆魚(yú)、斑馬魚(yú)和斜齒鳊。

Note： a, Due to the lack of data characterizing the kidney, a four-compartment (liver, fat, richly perfused tissues, and poorly perfused tissues) PBTK model was created for the fathead minnow; b, 5 kinds of fish include rainbow trout, lake trout, fathead minnow, zebrafish, and roach.

2 PBTK模型在水生態(tài)毒理研究中的應(yīng)用(Application of PBTK model in aquatic ecotoxicology)

在污染物水生態(tài)毒理研究中，模型常用來(lái)模擬生物體的內(nèi)暴露情況，確定污染物的生物有效劑量(即直接導(dǎo)致毒性效應(yīng)的內(nèi)劑量)，并進(jìn)行劑量間(高、低)、種系間(不同種水生生物)和暴露途徑間的外推。

2.1 內(nèi)暴露模擬

表3總結(jié)了有機(jī)污染物在不同水生生物的PBTK模型應(yīng)用現(xiàn)狀。目前已建立了13種魚(yú)和2種軟體動(dòng)物的PBTK模型，模型針對(duì)的化合物種類(lèi)不盡相同，房室數(shù)量也隨模擬暴露途徑和建模目的而異(3～9個(gè))。目前魚(yú)類(lèi)的PBTK模型大多模擬的是呼吸暴露，而針對(duì)飲食和皮膚等暴露途徑的模型較少。在真實(shí)水環(huán)境中，魚(yú)類(lèi)不是單獨(dú)經(jīng)受某一種暴露途經(jīng)，而是同時(shí)經(jīng)受著呼吸、飲食和皮膚暴露。Nichols等[46]通過(guò)對(duì)虹鱒魚(yú)和斑點(diǎn)叉尾鮰進(jìn)行皮膚暴露模擬指出這2種魚(yú)經(jīng)皮吸收的化合物含量低于皮膚和鰓同時(shí)暴露時(shí)化合物吸收總量的10%；而Lien和McKim[51]通過(guò)模擬黑頭呆魚(yú)和青鳉的皮膚暴露發(fā)現(xiàn)這2種魚(yú)的鰓暴露和皮膚暴露對(duì)四氯聯(lián)苯(TCB)的吸收能力大致相當(dāng)。因此對(duì)于魚(yú)類(lèi)皮膚暴露的重要程度不能一概而論，需要更進(jìn)一步的研究。Nichols等[44]在分析了魚(yú)的胃腸道生理和解剖學(xué)的前提下，將胃腸道分成不同的房室，并納入已有的呼吸暴露動(dòng)力學(xué)模型中，從而建立了虹鱒魚(yú)對(duì)四氯聯(lián)苯的飲食吸收和呼吸暴露的PBTK模型，為描述特定腸道區(qū)域出現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)行為提供了一個(gè)工具。相比之前將胃腸道看作一個(gè)均勻的房室，此模型更具實(shí)用性。描述上腸組織中化合物動(dòng)力學(xué)的變化有助于理解化合物的代謝轉(zhuǎn)化和效應(yīng)。另外胃腸道也可能是一個(gè)潛在的毒效應(yīng)位點(diǎn)，因此對(duì)胃腸道的動(dòng)力學(xué)行為的描述是必要的。

傳統(tǒng)的急慢性毒性實(shí)驗(yàn)中，化合物的毒性往往是通過(guò)測(cè)定暴露環(huán)境濃度，并將環(huán)境濃度與半數(shù)致死濃度(LD50s)或無(wú)觀(guān)察效應(yīng)濃度(NOECs)做比較而確定。但由于生物體內(nèi)化合物動(dòng)力學(xué)行為的復(fù)雜性，LD50s這類(lèi)外部濃度指標(biāo)并不能反映實(shí)際進(jìn)入生物體和到達(dá)靶部位的化合物的量，因此無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)化合物對(duì)生物的危害程度。相關(guān)報(bào)道也提出了對(duì)LD50s作為毒性評(píng)價(jià)指標(biāo)合理性和實(shí)用性的質(zhì)疑[59-60]。Mackay等[61]通過(guò)比較指出基于生物體的內(nèi)部濃度指標(biāo)-臨界體內(nèi)殘留(CBR)在評(píng)價(jià)化合物相對(duì)毒性方面比LD50s更勝一籌。利用PBTK模型描述生物對(duì)環(huán)境中化合物的吸收、分布、代謝和消除等一系列行為的經(jīng)時(shí)過(guò)程，確定最終到達(dá)靶組織/器官的生物有效劑量，與相應(yīng)的內(nèi)暴露指標(biāo)對(duì)比，確定化合物的相對(duì)毒性。Kuhnert等[62]將毒代動(dòng)力學(xué)模型用于斑馬魚(yú)胚胎，建立了確定胚胎中4種中性有機(jī)化合物(萘、芴、熒蒽和苯并[a]蒽)實(shí)際濃度的方法。Brinkman等[41]將沉積物解吸模型和PBTK模型相結(jié)合，預(yù)測(cè)了懸浮沉積物攜帶的污染物(芘)在虹鱒魚(yú)體內(nèi)的吸收、代謝和排泄，證明了毒代動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)生物有效劑量的潛力。

毒物效應(yīng)動(dòng)力學(xué)(toxicodynamics, TD)是指污染物對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的效應(yīng)隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。生理毒代動(dòng)力學(xué)模型和毒物效應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合的產(chǎn)物，即PBTK-TD模型，可同時(shí)預(yù)測(cè)生物體內(nèi)不同組織/器官的化合物水平和相應(yīng)毒效應(yīng)指標(biāo)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況，明確了暴露劑量與內(nèi)劑量以及毒效應(yīng)之間的定量關(guān)系，便于對(duì)化合物的潛在風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)估。Abbas和Hayton[43]建立了虹鱒魚(yú)的PBPK-PD模型，精確預(yù)測(cè)了對(duì)氧磷在生物體內(nèi)的吸收，分布和對(duì)乙酰膽堿酶(AChE)的抑制效應(yīng)，指出AChE的受抑制程度取決于游離態(tài)的對(duì)氧磷濃度，而與穩(wěn)態(tài)對(duì)氧磷濃度無(wú)關(guān)。

2.2 外推

在研究污染物的水生態(tài)毒理時(shí)，可借助外推的手段建立水生生物的PBTK模型。在得到的關(guān)于要外推的目標(biāo)生物參數(shù)足夠的情況下，通過(guò)改變模型中具體的組織/器官參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)模型的種間外推。不同的暴露途徑下(飲食暴露、皮膚暴露和呼吸暴露等)，生物體對(duì)污染物的吸收情況有所不同。如虹鱒魚(yú)經(jīng)口攝入疏水性化合物時(shí)，因首過(guò)效應(yīng)(污染物在未達(dá)到血液循環(huán)之前就被代謝吸收的現(xiàn)象[61])的存在，實(shí)際吸收進(jìn)入血液循環(huán)的化合物比例小于100%；當(dāng)化合物經(jīng)魚(yú)鰓進(jìn)入時(shí)，則不存在首過(guò)效應(yīng)。因此，進(jìn)行暴露途徑的外推時(shí)要充分考慮2種暴露途徑各自的特點(diǎn)，寫(xiě)出合適的暴露途徑方程[27]。以鯽魚(yú)口服吸收氟苯尼考的PBTK模型[56]為例：將此模型外推至肌肉注射模型時(shí)，首先要在原模型結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)作為肌肉注射位點(diǎn)的新房室，同時(shí)去掉代表口服吸收位點(diǎn)的胃房室；然后在書(shū)寫(xiě)各房室微分方程時(shí)，要根據(jù)肌肉注射后藥物會(huì)經(jīng)注射位點(diǎn)迅速完全吸收進(jìn)入靜脈血這一假設(shè)，在靜脈室的原微分方程中增加代表藥物肌肉注射的吸收項(xiàng)，同時(shí)去掉腸道房室方程和肝臟房室方程中涉及的藥物口服吸收項(xiàng)；確認(rèn)外推后的模型結(jié)構(gòu)和方程無(wú)誤后，進(jìn)行模型模擬。由于慢性毒性實(shí)驗(yàn)耗時(shí)、費(fèi)用高、操作復(fù)雜，故在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多進(jìn)行暴露濃度相對(duì)較高的急性毒性試驗(yàn)。但實(shí)際環(huán)境中，水生生物往往遭受的是低濃度有毒化合物的長(zhǎng)時(shí)間的暴露。這一問(wèn)題通過(guò)應(yīng)用PBTK模型的外推能力可得到解決。利用高濃度急性毒性試驗(yàn)建立的PBTK模型，結(jié)合生物體生理結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變模型輸入?yún)?shù)(暴露時(shí)間、給藥劑量等)，外推至低劑量，從而模擬真實(shí)環(huán)境中的暴露場(chǎng)景做出毒性預(yù)測(cè)。

由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜性，環(huán)境中生物面臨的往往是多種途徑暴露、多種化合物暴露等復(fù)雜場(chǎng)景。考慮到模型的實(shí)用性，多因素暴露下的混合PBTK模型的建立是必要的。混合物PBTK模型一般按照下述方法建立[63]：利用已建立好的針對(duì)不同化合物的PBTK模型，在發(fā)生代謝相互作用的不同組織將模型進(jìn)行耦合，從而得到不同種污染物同時(shí)暴露的PBTK模型。由于缺乏驗(yàn)證混合物PBTK模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以目前此類(lèi)模型的實(shí)用性不高。

3 結(jié)論與展望(Conclusion and prospect)

本文論述了PBTK模型的建模過(guò)程及其在污染物水生態(tài)毒理研究中的應(yīng)用情況。由于PBTK模型與傳統(tǒng)毒理實(shí)驗(yàn)相比，能更清楚地從生理結(jié)構(gòu)的角度描述生物體內(nèi)化合物的代謝動(dòng)力學(xué)(ADME)過(guò)程，并預(yù)測(cè)內(nèi)部濃度，進(jìn)行不同物種、劑量和暴露條件間的外推應(yīng)用，所以PBTK模型在今后會(huì)具有廣闊的發(fā)展前景，甚至有可能逐步代替動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成為污染物生態(tài)毒理研究的重要手段。但目前PBTK模型在水生態(tài)毒理中的應(yīng)用還存在一些局限：

(1) 模型的建立需要諸多參數(shù)，由于學(xué)科限制等因素導(dǎo)致一些參數(shù)難以獲取，給模型的建立帶來(lái)了困難。一些復(fù)雜的PBTK模型(如多因素暴露下的混合模型)雖然得以建立，但是由于缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使得模型無(wú)法得到驗(yàn)證。

(2) 在水生態(tài)毒理研究中，PBTK模型目前主要用于魚(yú)體，而針對(duì)其他水生生物的應(yīng)用還十分有限。且模擬大多為生物富集的內(nèi)暴露模擬，而生物轉(zhuǎn)化的模擬研究還基本未知。

計(jì)算(預(yù)測(cè))毒理是21世紀(jì)毒理學(xué)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一[64-65]。作為預(yù)測(cè)毒理學(xué)模型格局中的重要一環(huán)，PBTK模型通過(guò)模擬化合物在生物體內(nèi)的分布情況，找出關(guān)鍵的靶器官、靶細(xì)胞，為使用計(jì)算化學(xué)模型進(jìn)一步探索分子水平上的毒性機(jī)制提供依據(jù)。總的說(shuō)來(lái)，PBTK模型的建立過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，可能涉及解剖學(xué)、生理學(xué)、毒理學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)學(xué)等多學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，需要各學(xué)科工作人員的共同努力去打破這些限制，推進(jìn)PBTK模型在污染物水生態(tài)毒理中的進(jìn)一步應(yīng)用。