呂銀知，張芊芊，趙建亮,*，姚理，應(yīng)光國

1. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機地球化學(xué)國家重點實驗室，廣州 510640 2. 中國科學(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，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，目前全球商用化學(xué)品數(shù)量達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)中廣泛使用的有機磷酸酯(OPEs)類農(nóng)藥具有致癌性和神經(jīng)毒性，在多個國家的地表水、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，具有較強的內(nèi)分泌干擾效應(yīng)[4]。環(huán)境中污染物類別不勝枚舉，對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成的危害也不盡相同，因此有必要對化合物按照危害性大小進行管理，這就需要評估化合物對生物體的毒性[5-6]。傳統(tǒng)的化合物毒性評價方法是通過化合物的暴露，以化合物在生物體的外暴露濃度進行表征，但是外暴露一般無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)暴露劑量與其對機體的效應(yīng)關(guān)系更為緊密[7-11]。此外，動物暴露實驗操作繁瑣復(fù)雜，面對數(shù)以萬計的化合物并不具優(yōu)勢，因此需要更加有效的方法解決這一問題。生理毒代動力學(xué)(PBTK)模型在研究化合物的代謝動力學(xué)方面獨具優(yōu)勢，是一種模擬化合物在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄(ADME)過程的數(shù)學(xué)模型。PBTK模型的建立不需消耗大量的實驗動物，是一個減少甚至替代動物實驗的好方法。利用生理學(xué)和解剖學(xué)知識，將生物體的各組織器官按一定的原則分成不同的房室，房室之間通過血液循環(huán)連接，以描述化合物在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運和代謝等動力學(xué)行為[12-13]。

與PBTK模型相比，較為簡單的毒代動力學(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)典毒代動力學(xué)房室模型作為經(jīng)驗?zāi)Ｐ彤斍叭栽谑褂?，但其房室沒有實際的解剖學(xué)和生理學(xué)意義，可以滿足一些化合物的毒代動力學(xué)研究，但當遇到具有復(fù)雜動力學(xué)的化合物或需要種間外推時就難以達到目的，需要借助基于生理的毒代動力學(xué)模型手段[14-16]，即PBTK模型。PBTK模型最早由Teorell在1937年研究藥物時提出[17]，但由于當時計算機技術(shù)還未出現(xiàn)，無法求解模型中涉及的質(zhì)量平衡微分方程。后來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模型中的數(shù)學(xué)問題逐漸得到了解決，PBTK模型的發(fā)展也取得了很大進步[18]，并用于人體或哺乳動物體內(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PBTK模型最具代表性，其他魚種(如湖紅點鮭、歐洲鰻鱺、黑頭呆魚和日本青鳉等)的PBTK模型都參考了此模型結(jié)構(gòu)[23-25]。Brinkmann等[26]進一步建立了針對斑馬魚和斜齒鳊的PBTK模型，并將其與虹鱒魚、湖紅點鮭和黑頭呆魚的模型結(jié)合起來建立了多物種的PBTK模型，用來評估化合物的生物富集性?？梢哉f，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)機制。本文簡要概括了PBTK模型的建立過程以及目前在生態(tài)毒理研究中的應(yīng)用及趨勢。

1 毒代動力學(xué)模型(Toxicokinetic models)

毒物代謝動力學(xué)模型主要分為兩大類[27]：一類是僅通過實驗數(shù)據(jù)建立的傳統(tǒng)房室模型，另一類是基于解剖學(xué)的PBTK模型。

1.1 房室模型

房室模型將生物體簡化為一個房室或幾個房室，將具有相似動力學(xué)特征的組織或器官歸為一個房室。一室模型認為化合物在整個生物體內(nèi)分布均勻，濃度相同；多室模型認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驗數(shù)據(jù)建立的，因此這些房室并不等同于真實的組織和器官?；衔镌诿總€房室中的濃度用質(zhì)量平衡方程描述，一個房室中化合物總量的變化速率由化合物從血液進入房室的速率和離開房室的速率共同決定，同時考慮房室中化合物的清除速率[27]。模型參數(shù)通過分析或擬合實驗數(shù)據(jù)，或憑經(jīng)驗確定，缺乏解剖學(xué)知識的支撐，限制了種間外推應(yīng)用。

1.2 PBTK模型

PBTK模型是以解剖學(xué)和生物體實際的生理機能為基礎(chǔ)，將生物體簡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)化過程[22]。與傳統(tǒng)房室模型相比，PBTK模型不是單靠實驗數(shù)據(jù)定義房室，而是用機體重量和血流速率等數(shù)據(jù)描述實際的組織和器官；PBTK模型中各種速率常數(shù)的確定不僅是通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，還通過測定化合物的各種理化和生化參數(shù)確定。由于PBTK模型是建立在機體生理基礎(chǔ)上的整體模型，因此每個房室都對應(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間的變化情況，更加真實地模擬污染物在生物體內(nèi)的暴露濃度，并能夠進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模型的建立過程一般按照以下步驟進行[27,29-30]。首先，收集模型動物相關(guān)的生理特征參數(shù)、化合物相關(guān)的生理生化參數(shù)、及其在模型動物體內(nèi)的毒物代謝動力學(xué)過程等相關(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)量守恒定律編寫各房室相應(yīng)的微分方程。最后，編寫模型代碼，利用軟件優(yōu)化參數(shù)，并進行模型評估和校正。

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體內(nèi)分布特征對組織和器官進行分組，確定房室。如常見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。

將毒物代謝動力學(xué)特征難以區(qū)分的組織和器官合并為一個房室，反之則分開成不同的房室。確定不同組織間動力學(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。如魚鰓和脂肪組織對于揮發(fā)性親脂化合物苯乙烯建模很重要，需要分成單獨的房室，但對難揮發(fā)水溶性化合物氨甲葉酸卻不用單獨考慮[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)越接近于真實的生理環(huán)境，理論上模型的預(yù)測效果會更好。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)用目的合理對組織和器官進行分組，以保證模型的簡潔和高效。圖1為文獻中報道的虹鱒魚典型生理毒代動力學(xué)模型[22]。

圖1 典型有機化合物在虹鱒魚體內(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)單位時間的變化量=隨動脈血流入房室的物質(zhì)瞬時質(zhì)量-隨靜脈血流出該房室的物質(zhì)瞬時質(zhì)量+物質(zhì)在該房室的生成項-物質(zhì)在該房室的消除項[31]。通常模型中的房室與微分方程一一對應(yīng)。在書寫模型的數(shù)學(xué)方程時，按質(zhì)量守恒定律，即離開某一房室的血流量總和必定等于進入該房室的血流量總和。魚體PBTK模型中常用的房室及對應(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：反映生物體基本特征的生理參數(shù)和反映機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實驗即可獲得。其他生理參數(shù)可直接從相關(guān)文獻資料中獲取，或通過“種間異數(shù)推算”(allometric scaling)得到?！胺N間異數(shù)推算”是指利用某些生理指標與體重之間的相關(guān)性(Y=a·Wb，其中Y為生理指標，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)既可通過體外實驗(平衡實驗、平衡透析等)獲取[27]，也可由經(jīng)驗推導(dǎo)得到[34-35]。而組織/水分配系數(shù)可通過計算血/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)通過實驗較難獲取，一般會采取參數(shù)優(yōu)化的方法，即借助最大似然法等統(tǒng)計檢驗手段或MATLAB等計算軟件，使得模型預(yù)測濃度-時間曲線盡可能接近實驗數(shù)據(jù)。Nichols等[36]歸納了從魚的體外肝代謝常數(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)分別并入魚的房室毒代動力學(xué)模型和PBTK模型。由于大部分關(guān)于魚生物轉(zhuǎn)化的研究通過體外實驗進行，因此體內(nèi)外肝臟代謝數(shù)據(jù)的外推方法對于PBTK模型建立過程中相關(guān)代謝參數(shù)的獲取具有重要意義。

表1 魚體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a、c、p、k、f、r、l、v分別代表動脈血、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 模型求解及評估確認

在模型結(jié)構(gòu)和所需參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，即可使用計算軟件對質(zhì)量微分方程進行求解。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)果與實驗數(shù)據(jù)的一致程度對模型作出評價，并針對某些方面給予修正以完善模型；同樣，當針對某一化合物設(shè)計的PBTK模型要應(yīng)用到其他化合物時，也需要對模型的結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行修正。模型評價一般包括評估模型結(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)進行參數(shù)值的不確定性分析。在表征參數(shù)的不確定性時，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，改變一個參數(shù)值大小(±1%)，然后觀察這些改變對模型輸出的影響，從而可確定決定化合物毒代動力學(xué)行為的關(guān)鍵參數(shù)，這一過程稱為靈敏度分析[30]。

表2 魚體組織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代表魚體的任一個組織房室(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Reference斑點叉尾鮰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準確預(yù)測了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&斑點叉尾鮰 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僅占皮膚和鰓同時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&黑頭呆魚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)測氯代乙烷在黑頭呆魚體內(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、魚體其他部分 Liver, brain, ovary, gills, blood, and carcass模型準確預(yù)測了芳香化酶抑制劑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&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、魚體其他部分Skin, gills, and carcass模型能有效模擬小魚體內(nèi)化合物的生物富集,且發(fā)現(xiàn)這2種小魚的鰓暴露和皮暴露對TCB的吸收能力大致相當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)測值與實驗值一致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模型準確預(yù)測了刺鰩體內(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Reference角鯊魚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模型準確模擬了TCDD在溪紅點鮭各組織中的動力學(xué)行為The 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)測在暴露期間的任何時間點有機化合物在魚體及魚體任何組織的吸收和分布,且能準確預(yù)測內(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b5 kinds of fishb呼吸暴露Inhalation exposure中性有機化合物 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)測化合物在不同魚種體內(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模型可準確預(yù)測3種氯乙烷在湖紅點鮭中的吸收和分布The model accurately predicted the uptake and disposition of three chlorinated ethanes in lake troutLien等[23]Lien et al[23]斑馬魚 Zebrafish(Danio rerio)呼吸暴露Inhalation exposure有機化合物 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)測值與實驗值相對一致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個模型對主要食用組織的預(yù)測能力較好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)測了B[a]P在各器官房室中的濃度及其對消化腺的毒效應(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, 黑頭呆魚模型中無單獨腎臟房室；b, 5種魚分別為虹鱒魚、湖紅點鮭、黑頭呆魚、斑馬魚和斜齒鳊。

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種魚和2種軟體動物的PBTK模型，模型針對的化合物種類不盡相同，房室數(shù)量也隨模擬暴露途徑和建模目的而異(3～9個)。目前魚類的PBTK模型大多模擬的是呼吸暴露，而針對飲食和皮膚等暴露途徑的模型較少。在真實水環(huán)境中，魚類不是單獨經(jīng)受某一種暴露途經(jīng)，而是同時經(jīng)受著呼吸、飲食和皮膚暴露。Nichols等[46]通過對虹鱒魚和斑點叉尾鮰進行皮膚暴露模擬指出這2種魚經(jīng)皮吸收的化合物含量低于皮膚和鰓同時暴露時化合物吸收總量的10%；而Lien和McKim[51]通過模擬黑頭呆魚和青鳉的皮膚暴露發(fā)現(xiàn)這2種魚的鰓暴露和皮膚暴露對四氯聯(lián)苯(TCB)的吸收能力大致相當。因此對于魚類皮膚暴露的重要程度不能一概而論，需要更進一步的研究。Nichols等[44]在分析了魚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力學(xué)模型中，從而建立了虹鱒魚對四氯聯(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)的動力學(xué)行為提供了一個工具。相比之前將胃腸道看作一個均勻的房室，此模型更具實用性。描述上腸組織中化合物動力學(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潛在的毒效應(yīng)位點，因此對胃腸道的動力學(xué)行為的描述是必要的。

傳統(tǒng)的急慢性毒性實驗中，化合物的毒性往往是通過測定暴露環(huán)境濃度，并將環(huán)境濃度與半數(shù)致死濃度(LD50s)或無觀察效應(yīng)濃度(NOECs)做比較而確定。但由于生物體內(nèi)化合物動力學(xué)行為的復(fù)雜性，LD50s這類外部濃度指標并不能反映實際進入生物體和到達靶部位的化合物的量，因此無法準確評價化合物對生物的危害程度。相關(guān)報道也提出了對LD50s作為毒性評價指標合理性和實用性的質(zhì)疑[59-60]。Mackay等[61]通過比較指出基于生物體的內(nèi)部濃度指標-臨界體內(nèi)殘留(CBR)在評價化合物相對毒性方面比LD50s更勝一籌。利用PBTK模型描述生物對環(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)時過程，確定最終到達靶組織/器官的生物有效劑量，與相應(yīng)的內(nèi)暴露指標對比，確定化合物的相對毒性。Kuhnert等[62]將毒代動力學(xué)模型用于斑馬魚胚胎，建立了確定胚胎中4種中性有機化合物(萘、芴、熒蒽和苯并[a]蒽)實際濃度的方法。Brinkman等[41]將沉積物解吸模型和PBTK模型相結(jié)合，預(yù)測了懸浮沉積物攜帶的污染物(芘)在虹鱒魚體內(nèi)的吸收、代謝和排泄，證明了毒代動力學(xué)模型預(yù)測生物有效劑量的潛力。

毒物效應(yīng)動力學(xué)(toxicodynamics, TD)是指污染物對機體產(chǎn)生的效應(yīng)隨時間變化的動力學(xué)過程。生理毒代動力學(xué)模型和毒物效應(yīng)動力學(xué)模型結(jié)合的產(chǎn)物，即PBTK-TD模型，可同時預(yù)測生物體內(nèi)不同組織/器官的化合物水平和相應(yīng)毒效應(yīng)指標隨時間的動態(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，便于對化合物的潛在風(fēng)險作出評估。Abbas和Hayton[43]建立了虹鱒魚的PBPK-PD模型，精確預(yù)測了對氧磷在生物體內(nèi)的吸收，分布和對乙酰膽堿酶(AChE)的抑制效應(yīng)，指出AChE的受抑制程度取決于游離態(tài)的對氧磷濃度，而與穩(wěn)態(tài)對氧磷濃度無關(guān)。

2.2 外推

在研究污染物的水生態(tài)毒理時，可借助外推的手段建立水生生物的PBTK模型。在得到的關(guān)于要外推的目標生物參數(shù)足夠的情況下，通過改變模型中具體的組織/器官參數(shù)，可以實現(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)，生物體對污染物的吸收情況有所不同。如虹鱒魚經(jīng)口攝入疏水性化合物時，因首過效應(yīng)(污染物在未達到血液循環(huán)之前就被代謝吸收的現(xiàn)象[61])的存在，實際吸收進入血液循環(huán)的化合物比例小于100%；當化合物經(jīng)魚鰓進入時，則不存在首過效應(yīng)。因此，進行暴露途徑的外推時要充分考慮2種暴露途徑各自的特點，寫出合適的暴露途徑方程[27]。以鯽魚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，首先要在原模型結(jié)構(gòu)中增加一個作為肌肉注射位點的新房室，同時去掉代表口服吸收位點的胃房室；然后在書寫各房室微分方程時，要根據(jù)肌肉注射后藥物會經(jīng)注射位點迅速完全吸收進入靜脈血這一假設(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，同時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；確認外推后的模型結(jié)構(gòu)和方程無誤后，進行模型模擬。由于慢性毒性實驗耗時、費用高、操作復(fù)雜，故在實驗室內(nèi)多進行暴露濃度相對較高的急性毒性試驗。但實際環(huán)境中，水生生物往往遭受的是低濃度有毒化合物的長時間的暴露。這一問題通過應(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建立的PBTK模型，結(jié)合生物體生理結(jié)構(gòu)，通過改變模型輸入?yún)?shù)(暴露時間、給藥劑量等)，外推至低劑量，從而模擬真實環(huán)境中的暴露場景做出毒性預(yù)測。

由于現(xiàn)實環(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)雜場景?？紤]到模型的實用性，多因素暴露下的混合PBTK模型的建立是必要的?；旌衔颬BTK模型一般按照下述方法建立[63]：利用已建立好的針對不同化合物的PBTK模型，在發(fā)生代謝相互作用的不同組織將模型進行耦合，從而得到不同種污染物同時暴露的PBTK模型。由于缺乏驗證混合物PBTK模型的實驗數(shù)據(jù)，所以目前此類模型的實用性不高。

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)毒理實驗相比，能更清楚地從生理結(jié)構(gòu)的角度描述生物體內(nèi)化合物的代謝動力學(xué)(ADME)過程，并預(yù)測內(nèi)部濃度，進行不同物種、劑量和暴露條件間的外推應(yīng)用，所以PBTK模型在今后會具有廣闊的發(fā)展前景，甚至有可能逐步代替動物實驗成為污染物生態(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)實驗數(shù)據(jù)使得模型無法得到驗證。

(2) 在水生態(tài)毒理研究中，PBTK模型目前主要用于魚體，而針對其他水生生物的應(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。

計算(預(yù)測)毒理是21世紀毒理學(xué)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一[64-65]。作為預(yù)測毒理學(xué)模型格局中的重要一環(huán)，PBTK模型通過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、靶細胞，為使用計算化學(xué)模型進一步探索分子水平上的毒性機制提供依據(jù)?？偟恼f來，PBTK模型的建立過程相對復(fù)雜，可能涉及解剖學(xué)、生理學(xué)、毒理學(xué)、數(shù)學(xué)以及計算機學(xué)等多學(xué)科的專業(yè)知識，需要各學(xué)科工作人員的共同努力去打破這些限制，推進PBTK模型在污染物水生態(tài)毒理中的進一步應(yīng)用。