基于生理藥動(dòng)學(xué)模型預(yù)測(cè)玉米赤霉烯酮在豬組織中的濃度

楊 帆，楊 芳，王國(guó)永，趙振升，孔 濤

（河南科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEA）是一種由鐮孢菌屬真菌產(chǎn)生的毒素，具有雌激素樣效應(yīng)[1]，豬對(duì)該效應(yīng)最為敏感。除雌激素效應(yīng)外，ZEA的毒性還歸因于其合成代謝活性[2]：ZEA能夠引發(fā)動(dòng)物真菌毒素中毒，影響內(nèi)臟器官發(fā)育[3-4]，導(dǎo)致動(dòng)物消化功能紊亂[5]。動(dòng)物采食被ZEA污染的谷物或飼料后，ZEA會(huì)殘留在動(dòng)物組織中，嚴(yán)重威脅食品安全。因此預(yù)測(cè)ZEA在動(dòng)物體內(nèi)的殘留濃度，意義重大。生理藥動(dòng)學(xué)（Physiologically Based Pharmacokinetics，PBPK）模型是一種模擬機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)的血液流向，將各器官或組織連接起來(lái)而建立的整體模型[6]，可用于預(yù)測(cè)獸藥或外源物質(zhì)在動(dòng)物各組織中的濃度。本研究建立了ZEA在豬體內(nèi)的PBPK模型，預(yù)測(cè)了經(jīng)口暴露后ZEA在豬各組織中的濃度，為保證動(dòng)物性食品安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料 模型中涉及到的豬的生理學(xué)和解剖學(xué)參數(shù)（Q和V）均來(lái)自于文獻(xiàn)[7]，本試驗(yàn)中豬的體重（bodyweight，bw）為70 kg，豬的心臟全血輸出量（CO）為12 L/kg·h，以下式換算成血漿輸出量（Qtot）：Qtot=CO×bw0.74×(1-pcv)，其中pcv為紅細(xì)胞壓積，數(shù)值為0.33。ZEA在豬各組織中的組織-血漿分配系數(shù)（P）外推自Shin等[8]的報(bào)道。本試驗(yàn)利用acslXtreme軟件（AEgis Technologies公司；Version 3.0），以代碼形式建立此PBPK模型。

1.2 方法

1.2.1 整體模型與循環(huán)血流圖設(shè)計(jì) 經(jīng)口暴露后，ZEA在豬體內(nèi)吸收迅速，生物利用度（F）高達(dá)80%～85%，且存在肝腸循環(huán)現(xiàn)象[9]。Kuiper-Goodman等[10]的研究則表明ZEA易分布于脂肪組織。ZEA的主要代謝途徑包括兩步還原反應(yīng)：ZEA首先會(huì)被還原為α-或β-玉米赤霉烯醇，后者可進(jìn)一步被還原為α-或β-右環(huán)十四酮酚；肝臟是這兩步代謝反應(yīng)發(fā)生的主要器官[11]。除經(jīng)肝臟代謝消除外，剩余小部分ZEA會(huì)以原型經(jīng)膽汁排泄，并存在肝腸循環(huán)[5]。基于以上資料，本著刪繁就簡(jiǎn)原則，本文建立了一個(gè)包含14個(gè)房室模塊在內(nèi)的PBPK模型（圖1）。

本模型中，ZEA經(jīng)口暴露后迅速到達(dá)胃部，并在胃排空（速率常數(shù)為Kst）作用下到達(dá)小腸，小腸中85%（生物利用度=85%）的ZEA經(jīng)門(mén)靜脈進(jìn)入肝臟被吸收（速率常速為KA），之后在肝臟中大部分會(huì)以代謝形式清除（清除率為Cl），小部分則隨著膽汁回到小腸，并被重吸收（速率常數(shù)為Kra），完成肝腸循環(huán)過(guò)程，而小腸內(nèi)未被吸收部分（剩余15%）則隨排泄物一起排出體外（速率為Kgut）。同時(shí)，ZEA也會(huì)在血液循環(huán)的作用下，分布到其他的各組織和器官中。本模型中，胃是藥物暴露模塊，為模型提供劑量來(lái)源；肝臟為藥物清除模塊，且其內(nèi)藥物代謝假定符合線(xiàn)性過(guò)程。

1.2.2 微分方程組的書(shū)寫(xiě) 參照我們之前建立的氟苯尼考在鯽魚(yú)體內(nèi)的PBPK模型[12]，按照質(zhì)量平衡原理書(shū)寫(xiě)代表各組織中ZEA濃度或質(zhì)量隨時(shí)間變化的微分方程組。微分方程組的書(shū)寫(xiě)基于以下兩條基本假設(shè)[13]：（1）ZEA在各組織中的分布速度和程度取決于該組織的血流速率常數(shù)，即該模型為血流限速型；（2）ZEA從毛細(xì)血管到組織細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)瞬間即達(dá)平衡，此平衡取決于ZEA在組織-血漿中的分配行為。

1.2.3 模型參數(shù) 本研究所建PBPK模型包含了大多數(shù)組織器官，涉及到眾多參數(shù)，其中Q、V和P均來(lái)源于文獻(xiàn)報(bào)道[7-8]，生物利用度（F，85%）和經(jīng)口染毒后ZEA的Ka（9.3 h-1）則分別來(lái)源于Biehl等[9]和Ramos等[14]的報(bào)道。因ZEA主要通過(guò)肝臟代謝和膽汁排泄清除，因此利用Danicke等[15]報(bào)道的體內(nèi)清除率（48 mL/min·kg）來(lái)模擬ZEA的消除。另外模型中涉及到的肝腸循環(huán)過(guò)程中的3個(gè)參數(shù)（Kra、Kbile和Kga）、ZEA在代表其他所有組織隔室中的組織-血漿分配系數(shù)（Prest）及Kst則利用Danicke等[15]報(bào)道的濃度數(shù)據(jù)，在acslXtreme軟件中通過(guò)參數(shù)優(yōu)化獲得。

1.2.4 PBPK模型的建立 本文利用acsl語(yǔ)言建立代碼型PBPK模型，即在acslXtreme軟件中首先定義外源物質(zhì)暴露方案參數(shù)、體重及模型中其他各個(gè)變量（Q、V、P及各速率常數(shù)等），并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行賦值；之后以acsl語(yǔ)言對(duì)1.2.2部分的微分方程組進(jìn)行編譯，并進(jìn)行導(dǎo)數(shù)處理；此外還要定義模型運(yùn)行參數(shù)，如步長(zhǎng)、通信間隔、采樣時(shí)間、計(jì)算機(jī)算法等。

1.2.5 預(yù)測(cè)ZEA在豬各組織中的濃度 模型建立成功后，可以通過(guò)更改ZEA暴露劑量和時(shí)間，輕松預(yù)測(cè)ZEA在豬各組織中的濃度。本文預(yù)測(cè)了豬經(jīng)口多次（1 mg/d，連續(xù)7 d）染毒后，ZEA在各組織中的濃度。

2 結(jié)果

2.1 模型參數(shù) 豬的解剖學(xué)和生理學(xué)參數(shù)已有詳細(xì)報(bào)道[7]，而參數(shù)P則主要與化合物本身的物理化學(xué)性質(zhì)（主要是脂水分配系數(shù)）和組織的成分構(gòu)成有關(guān)，而不同種屬哺乳動(dòng)物間各組織在成分構(gòu)成上差別不大，因此在PBPK模型中一般假定同一化合物在不同種屬動(dòng)物間的P是近似相等的，這也是PBPK模型種屬間外推的基礎(chǔ)。因此，本文選取了已報(bào)道的ZEA在大鼠各組織中的P[8]建立模型。Prest及另5個(gè)速率常數(shù)（Kra、Kbile、Kga、Kst、Kgut）則通過(guò)參數(shù)優(yōu)化獲得，其數(shù)值分別為2.78（無(wú)單位）、1.24、3.31、1.56、3.41h-1和0.21h-1。

2.2 濃度預(yù)測(cè) 豬經(jīng)口多次（1mg/d，連續(xù)7 d）染毒后，各組織和血漿中ZEA的濃度見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，ZEA首次暴露后，吸收迅速，血漿中濃度迅速達(dá)到峰值，此外，脾臟、胃、腎臟、心臟和腦中濃度也迅速達(dá)峰，但這些組織中藥物消除也較快；而在脂肪和小腸中，ZEA最高濃度要低于肝臟和腎臟等，但其內(nèi)ZEA消除緩慢。另外，從圖2可以看出，連續(xù)暴露的7 d時(shí)間里，小腸和脂肪中的藥物濃度均較前一天有所增加，說(shuō)明ZEA在小腸和脂肪中存在較明顯的蓄積作用。

3 討論

目前有關(guān)ZEA的研究主要以毒性和代謝為主，其在動(dòng)物體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)和殘留消除的研究報(bào)道很少，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)中毒素暴露劑量較難控制，劑量過(guò)高易造成動(dòng)物中毒死亡，劑量過(guò)低又難以對(duì)組織中的毒素濃度進(jìn)行定量。家畜中，豬對(duì)ZEA最為敏感，已有的研究顯示ZEA經(jīng)口暴露后，能夠迅速且較完全地被豬吸收[9-14]，并在肝臟中發(fā)生代謝[15]，此外還存在部分膽汁排泄和肝腸循環(huán)[9]，ZEA在豬體內(nèi)分布廣泛[15]，并富集在生殖器官和脂肪組織中[11]。本研究結(jié)合以上事實(shí)，建立了一個(gè)PBPK模型，模型中包含了主要的可食性組織（肌肉、脂肪）、ZEA的主要代謝和排泄器官及ZEA的暴露途徑等。但因未檢索到豬生殖器官（睪丸和卵巢）的質(zhì)量和血流速率常數(shù)，因此本模型中未涉及到ZEA的毒性靶組織，也不能對(duì)雌雄動(dòng)物分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，這是該模型的一個(gè)不足之處。

在肝臟中，ZEA首先會(huì)被還原為α-或β-玉米赤霉烯醇，后者可進(jìn)一步被還原為α-或β-右環(huán)十四酮酚。因無(wú)法直接獲得ZEA在豬體外或體內(nèi)的代謝速率數(shù)據(jù)，且已有的經(jīng)口暴露后ZEA的代謝物在豬組織或血漿中的濃度數(shù)據(jù)也極其稀少，無(wú)法利用參數(shù)優(yōu)化的方法間接獲得這些代謝速率，所以本模型未對(duì)ZEA的代謝物濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在豬體內(nèi)ZEA以游離型和結(jié)合型兩種形式存在，并處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。本文因未獲得ZEA的血漿蛋白結(jié)合率及葡萄糖醛酸結(jié)合率等參數(shù)，所以未將游離型和結(jié)合型ZEA進(jìn)行區(qū)分，因此預(yù)測(cè)得到的濃度值是游離型和結(jié)合型ZEA的總和。

本文中使用的豬的生理學(xué)和解剖學(xué)參數(shù)均來(lái)源于健康動(dòng)物[7]，而ZEA會(huì)引起豬的臟器損傷，影響肝細(xì)胞功能[4]，干擾血液及生物化學(xué)參數(shù)[16]。即ZEA暴露后，會(huì)對(duì)動(dòng)物的多個(gè)組織器官產(chǎn)生影響，各組織質(zhì)量、血流量等參數(shù)均可能發(fā)生改變，因此如果能夠確定這些參數(shù)的改變量，并利用實(shí)際參數(shù)值建立模型的話(huà)，模型預(yù)測(cè)精度可能會(huì)有所提高。

本試驗(yàn)所建模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，ZEA在脂肪和小腸中消除較慢，這與已有的文獻(xiàn)報(bào)道[10]一致。豬經(jīng)口連續(xù)染毒過(guò)程中，每天各組織中ZEA的濃度值均有所升高，其中以脂肪和小腸的升高幅度最為明顯，提示ZEA在豬脂肪和小腸組織中可能存在較嚴(yán)重的蓄積效應(yīng)。

本試驗(yàn)通過(guò)文獻(xiàn)檢索獲得了模型的必須參數(shù)，以ZEA在豬體內(nèi)的處置特點(diǎn)為依據(jù)，建立了一個(gè)包含14個(gè)隔室的PBPK模型，并利用所建模型預(yù)測(cè)了ZEA多次暴露后在豬各組織中的濃度，為動(dòng)物組織中ZEA濃度監(jiān)控提供了一定指導(dǎo)。

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