生理藥動學(xué)模型在納米材料毒理學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

孫晉都，薛玉英，唐 萌

（教育部環(huán)境醫(yī)學(xué)工程重點實驗室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院＆蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省生物材料與器件重點實驗室，江蘇南京 210009）

生理藥動學(xué)模型在納米材料毒理學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

孫晉都，薛玉英，唐 萌

（教育部環(huán)境醫(yī)學(xué)工程重點實驗室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院＆蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省生物材料與器件重點實驗室，江蘇南京 210009）

以生理學(xué)為基礎(chǔ)的藥動學(xué)模型，簡稱生理藥動學(xué)（PBPK）模型，是根據(jù)現(xiàn)有的人類或其他動物的解剖和生理知識及其生物化學(xué)數(shù)據(jù)建立，通過數(shù)學(xué)方法模擬化學(xué)物質(zhì)在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄的過程，進(jìn)而實現(xiàn)劑量外推和種間外推，預(yù)測化學(xué)物質(zhì)在特定組織或時間內(nèi)的劑量水平。在納米材料的毒理學(xué)研究方面，納米銀、納米氧化鋅、納米二氧化鈦以及多聚納米材料等都逐步建立了PBPK模型。PBPK模型不僅能提供納米材料在體內(nèi)動態(tài)變化情況，也對定量評價納米材料的生物安全性具有重要意義，將是納米材料毒理學(xué)研究及安全性評價的發(fā)展方向。

納米材料；藥動學(xué)；毒理學(xué)；安全性評價

進(jìn)入21世紀(jì)，納米科技迅猛發(fā)展。統(tǒng)計顯示，截止到2015年3月，在世界范圍內(nèi)含納米材料的商品增加到1814種，約為2005年的30倍，涉及人類生活的方方面面，由此造成人體和環(huán)境對納米材料的廣泛接觸和暴露，進(jìn)一步引起了國際社會和科學(xué)界對其可能存在的潛在危險性的著重關(guān)注［1］。其中，納米銀、納米氧化鋅和納米二氧化（TiO2）等納米顆粒，因各自獨特的理化特性如抗菌性、紫外線屏蔽性［2-4］等，在化妝品、食品和藥品等領(lǐng)域應(yīng)用尤其廣泛［5-6］。對于越來越多的新型納米材料，在生物安全性評估方面將給研究人員帶來極大的挑戰(zhàn)。

有研究報道，納米材料具有穿透各種生物膜屏障進(jìn)入機(jī)體不同組織的能力［7］。由于納米顆粒與生命機(jī)體中一些重要物質(zhì)（如蛋白質(zhì)和DNA）的粒徑相當(dāng)，納米顆粒與機(jī)體相互作用將對生命過程產(chǎn)生從分子、細(xì)胞、器官及整體水平的系列生物學(xué)效應(yīng)，表現(xiàn)出細(xì)胞毒性、免疫毒性、神經(jīng)毒性、遺傳毒性和生殖毒性等。其在靶器官（如肺和肝）內(nèi)的長期蓄積，還可能誘發(fā)肺纖維化和肝細(xì)胞壞死。

由于納米材料的特殊尺寸效應(yīng)，相對于傳統(tǒng)外源性化學(xué)物的生物安全性評價有更高的難度，人們開始通過構(gòu)建以生理學(xué)為基礎(chǔ)的藥動學(xué)（physio?logically based pharmacokinetics，PBPK）模型，簡稱生理藥動學(xué)模型來對不同的納米材料進(jìn)行生物安全性評價。PBPK模型是建立在機(jī)體的生理、生化、解剖和藥物熱力學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上的一種整體模型，模型將每個相應(yīng)的組織器官單位單獨作為一個房室看待，以“生理學(xué)房室”代替經(jīng)典模型中“房室”，這些“生理學(xué)房室”分別代表與外源物質(zhì)體內(nèi)分布主要相關(guān)的臟器、組織或體液。當(dāng)外源物質(zhì)隨血流進(jìn)入機(jī)體后可透過生物膜進(jìn)入“生理學(xué)室”，通過各種清除率描述離開該“生理學(xué)室”時可能發(fā)生的消除，如代謝清除率、排泄清除率。再根據(jù)體內(nèi)各組織和器官血液循環(huán)的質(zhì)量守衡原理，構(gòu)建微分方程組模擬外源化學(xué)物在體內(nèi)的代謝過程，PBPK模型利用有生理學(xué)意義的參數(shù)，構(gòu)建更貼近實際代謝過程的劑量反應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)學(xué)計算，模擬并預(yù)測外源物質(zhì)在體內(nèi)動態(tài)變化的實際情況，并能在納米材料的毒理學(xué)研究中提供重要的定量化評估依據(jù)［8-9］。

近年來，在納米材料的毒理學(xué)研究中，對于PBPK模型的研究還處于起步階段，2010年Li等［10］在ACS Nano上發(fā)表綜述強(qiáng)調(diào)PBPK模型在納米研究和風(fēng)險評估中的重要作用以及應(yīng)用前景。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（Organization for Economic Cooperation and Development）和《化學(xué)品的注冊、評估和授權(quán)》（Registration，Evaluation，and Authorization of Chemicals）法規(guī)等也將PBPK模型列為納米材料風(fēng)險評估的有效定量工具。本文將詳細(xì)綜述幾種典型納米材料的PBPK模型。

1 PBPK模型在納米材料毒理學(xué)研究中的應(yīng)用

1.1 納米銀

構(gòu)建納米銀的PBPK模型可模擬評價不同屬性納米銀在不同暴露條件下的生物效應(yīng)。Bachler等［11］在研究粒徑為10～150 nm納米銀的體內(nèi)動力學(xué)及銀離子、單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)（mononuclear phagocyte system，MPS）和包被對納米銀顆粒吸收、分布、代謝及排泄過程的影響時，建立了納米銀的PBPK模型。在機(jī)體對銀離子和納米銀吸收分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定了PBPK模型的結(jié)構(gòu)；然后，根據(jù)文獻(xiàn)提供的毒物動力學(xué)和毒理學(xué)數(shù)據(jù)確定模型中重要的生理生化參數(shù)［12-13］；最后使用該模型來預(yù)測在人體內(nèi)納米銀顆粒的存在狀態(tài)及人均日常攝入量，發(fā)現(xiàn)在各組織器官中納米銀顆粒更多是以粒子的形式而不是以銀離子的形式儲存，并模擬出人均日常銀吸入量為10.2 μg。這一數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［14］所報道的吸收值（1～90 μg）范圍一致，說明人們?nèi)粘z入的納米銀對人體的危害并不大。

Lankveld等［15］在對不同粒徑納米銀顆粒組織分布的動力學(xué)研究中建立了納米銀顆粒的PBPK模型。用PBPK模型模擬驗證20，80和110 nm 3種粒徑納米銀經(jīng)大鼠靜脈連續(xù)染毒5 d后的組織分布，5 d染毒總量約為118 μg。研究表明，20 nm納米銀在體內(nèi)主要的蓄積場所為肝，其次為脾和腎；而粒徑較大的納米銀顆粒在體內(nèi)的主要蓄積場所為脾，其次為肝和肺。研究結(jié)果顯示，該P(yáng)BPK模型能很好地模擬實驗結(jié)果，對納米銀的血液和組織器官毒代動力學(xué)研究能提供至關(guān)重要的信息。

1.2 納米氧化鋅

為更好地描述納米氧化鋅顆粒在生物體內(nèi)的代謝過程，Chen等［16］構(gòu)建了納米氧化鋅顆粒在小鼠體內(nèi)動態(tài)變化的PBPK模型，模型中關(guān)鍵的理化參數(shù)（分配系數(shù)、排泄和清除率等）數(shù)值來源于前期工作［17-18］，模擬粒徑分別為10和71 nm的納米氧化鋅顆粒和硝酸鋅在小鼠體內(nèi)不同組織器官中的生物分布。模型主要由9個主要房室構(gòu)成（血液、心、肝、脾、肺、腎、腦、胃腸道和機(jī)體其他部分），將各相應(yīng)的參數(shù)值代入微分方程，可計算納米氧化鋅顆粒在體內(nèi)不同器官的實時變化量。模型模擬結(jié)果顯示，10 nm氧化鋅顆粒比71 nm氧化鋅顆粒和硝酸鋅在體內(nèi)的蓄積時間長，并通過模型能有效預(yù)測10 nm氧化鋅顆粒在體內(nèi)緩慢溶解動態(tài)變化。這將為評估納米氧化鋅顆粒在機(jī)體內(nèi)的實時動態(tài)變化提供很好的技術(shù)支持。

1.3 納米二氧化鈦

Bachler等［19］為了研究納米TiO2顆粒的毒代動力學(xué)和不同途徑的內(nèi)、外暴露劑量的關(guān)系，通過搜集文獻(xiàn)的毒動學(xué)和毒理學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建了納米TiO2顆粒相關(guān)的PBPK模型。模型中各器官納米TiO2顆粒轉(zhuǎn)運率及參數(shù)校準(zhǔn)參照文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［10，20］，再通過各器官的鈦含量模擬值與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，評估PBPK模型的預(yù)測能力，并預(yù)測納米TiO2顆粒在人群飲食過程中的風(fēng)險。模擬結(jié)果顯示，各器官鈦含量預(yù)測值總是高于文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)值，大約是實測值的3.9倍，在對這一影響因子校正后能得到線性相關(guān)較好的實驗?zāi)M值。另外，納米TiO2顆粒的PBPK模型可評估人們?nèi)粘１┞讹L(fēng)險，模型模擬出的體內(nèi)各器官納米TiO2含量均＜170 mg·kg-1，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以往對納米TiO2體外毒性研究的劑量，所以人群日常暴露于納米TiO2顆粒的毒性被估計過高，通過模型預(yù)測的實際暴露相對來說是比較安全的。由此可知，模型可通過外暴露水平預(yù)測各器官的內(nèi)劑量水平，定量評價納米TiO2顆粒的攝入風(fēng)險性及安全性。

1.4 其他納米材料

高聚合納米材料的生產(chǎn)越來越多，在對這些復(fù)合納米材料的毒理學(xué)研究中，如對每一種材料都進(jìn)行毒理學(xué)評估，需要大量的資源支持。Li等［21］通過構(gòu)建PBPK模型來模擬不同種類的甲氧基聚乙二醇（methoxy polyethylene glycol，mPEG）和聚乳酸羥基乙酸聚合物〔poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA〕形成的聚合納米材料的物理化學(xué)特性。通過搜集5種由mPEG和PLGA組合而成的聚合納米材料的數(shù)據(jù)［22］，再經(jīng)過多元回歸分析處理后獲得模型中的關(guān)鍵理化參數(shù)，從膜限制模型和灌注限制模型兩方面進(jìn)行模擬，以此來預(yù)測同種類新型聚合納米材料PLGA-mPEG495的生物分布。模擬結(jié)果獲得的相關(guān)系數(shù)（R2）分別為0.9947和0.9528，達(dá)到較好的擬合效果，為后續(xù)的同類型聚合納米材料的生物安全性研究與材料設(shè)計提供了幫助。由此可見，PBPK模型具有外推能力，在新型納米材料的毒理學(xué)評估中有重要作用，能在降低資源消耗的情況下做出可信的生物安全性評價。

2 結(jié)語

本文概述了PBPK模型在幾種納米材料中的應(yīng)用。通過構(gòu)建PBPK模型及計算出的模擬值，可實時描述納米材料在機(jī)體內(nèi)的動態(tài)變化，并從定量的角度對納米材料進(jìn)行評估；另外，對上述PBPK模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整與校正后，能實現(xiàn)同種材料之間及不同種屬之間數(shù)據(jù)的模擬外推，獲得更加直觀的安全性評價依據(jù)。

值得注意的是，納米材料因其自身特殊的理化屬性，在構(gòu)建PBPK模型時需要對限制模型建立的條件有相關(guān)認(rèn)識，如①器官容積和組織體積；②各器官組織的血流速度；③納米材料穿越生物膜的傳送機(jī)制；④納米材料的膽汁和尿排泄；⑤新陳代謝、退化或改變納米材料在體內(nèi)的狀態(tài)；⑥納米材料與血漿或者組織蛋白結(jié)合等。另外，模型參數(shù)選擇的過程中還受到MPS的影響，盡管MPS對體內(nèi)納米材料的攝取量比較小，但對于肝、脾和肺等MPS豐富的主要蓄積器官仍然有一定的影響［23］。機(jī)體的MPS對于納米顆粒的攝取機(jī)制比較復(fù)雜，在內(nèi)劑量較低時可忽略不計，但在內(nèi)劑量超過一定閾值時，MPS就會對模型的構(gòu)建產(chǎn)生一定的影響。

PBPK模型在進(jìn)行外推應(yīng)用時需要調(diào)整自身參數(shù)，參數(shù)的校準(zhǔn)也會受到不同因素的影響，如研究對象的自身屬性、暴露條件、靶器官或組織的特異性以及機(jī)體或者人群的差異性等。在這些因素的影響下，盡管PBPK模型的參數(shù)可根據(jù)其敏感性在可信限水平上作相應(yīng)的調(diào)整，但一旦超過了自身可信限范圍模型就不適合進(jìn)行外推。所以，在PBPK模型進(jìn)行外推前，模型自身必須先得到體內(nèi)實驗的進(jìn)一步驗證。對于納米材料PBPK模型的應(yīng)用尚需深入探索其適用條件，從而更好地發(fā)揮模型的外推作用。

隨著越來越多的新型納米材料出現(xiàn)，需要大量的研究工作來對其進(jìn)行生物安全性評價，按照以往的經(jīng)典毒理學(xué)評估方式，需要做大量的體內(nèi)外實驗來獲得數(shù)據(jù)，才能做出簡單的生物安全性預(yù)測。PBPK模型不僅可很好地描述納米顆粒在機(jī)體中的吸收、分布、代謝以及排泄過程，在相應(yīng)調(diào)整模型參數(shù)后還能實現(xiàn)對不同暴露條件、不同種屬之間的外推應(yīng)用，這將在極大減少所需實驗資源的基礎(chǔ)上對納米材料作出更有效的生物安全性評價，也將成為納米材料毒理學(xué)研究的一個趨勢。

［1］Vance ME，Kuiken T，Vejerano EP，McGinnis SP，Hochella MF Jr，Rejeski D，et al.Nanotechnology in the real world：Redeveloping the nanomaterial consumer products inventory［J］.Beilstein J Nano? technol，2015，6：1769-1780.

［2］Kim JS，Kuk E，Yu KN，Kim JH，Park SJ，Lee HJ，et al.Antimicrobial effects of silver nanoparticles［J］.Nanomedicine，2007，3（1）：95-101.

［3］Fabian E，Landsiedel R，Ma-Hock L，Wiench K，Wohlleben W，van Ravenzwaay B.Tissue distribu?tion and toxicity of intravenously administered tita?nium dioxide nanoparticles in rats［J］.Arch Toxicol，2008，82（3）：151-157.

［4］Tian WJ，Bai W，Zhao CL，Zhang ZY，Cui JA，He X，et al.Effects of ZnO nanoparticles on antioxidant enzyme system of zebrafish embryos［J］.China Environ Sci（中國環(huán)境科學(xué)），2010，30（5）：705-709.

［5］Kostarelos K.The emergence of nanomedicine：a field in the making［J］.Nanomedicine（Lond），2006，1（1）：1-3.

［6］ Dobrovolskaia MA，McNeil SE.Immunological properties of engineered nanomaterials［J］.Nat Nanotechnol，2007，2（8）：469-478.

［7］Zhao YL，Chai ZF.Status of study of bio-environ?mental activities of nanoscale materials［J］.Bull Chin Acad Sci（中國科學(xué)院院刊），2005，20（3）：194-199.

［8］Kato M，Shitara Y，Sato H，Yoshisue K，Hirano M，Ikeda T，et al.The quantitative prediction of CYP-mediated drug interaction by physiologically based?pharmacokinetic modeling［J］.Pharm Res，2008，25（8）：1891-1901.

［9］Wang GJ.Pharmacokinetics（藥物代謝動力學(xué)）［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2005：158-160.

［10］ Li M， Al-Jamal KT，Kostarelos K，Reineke J. Physiologically based pharmacokinetic modeling of nanoparticles［J］.ACS Nano，2010，4（11）：6303-6317.

［11］ Bachler G，von Goetz N，Hungerbühler K.A phys?iologically based pharmacokinetic model for ionic silver and silver nanoparticles［J］.Int J Nanomed，2013，8：3365-3382.

［12］ Walczak AP，F(xiàn)okkink R，Peters R，Tromp P，Herrera Rivera ZE，Rietjens IM，et al.Behaviour of silver nanoparticles and silver ions in an in vitro human gastrointestinal digestion model［J］.Nanotoxicology，2013，7（7）：1198-1210.

［13］ Park K，Park EJ，Chun IK，Choi K，Lee SH，Yoon J，et al.Bioavailability and toxicokinetics of citrate-coated silver nanoparticles in rats［J］.Arch Pharm Res，2011，34（1）：153-158.

［14］Wijnhoven SWP，Peijnenburg WJGM，Herberts CA，Hagens WI，Oomen AG，Heugens EHW，et al.Nanosilver：a review of available data and know-l edge gaps in human and environmental risk assessment［J］.Nanotoxicology，2009，3（2）：109-138.

［15］Lankveld DP，Oomen AG，Krystek P，Neigh A，Troost-de Jong A， Noorlander CW， et al.The kinetics of the tissue distribution of silver nanoparti?cles of different sizes［J］.Biomaterials，2010，31（32）：8350-8361.

［16］Chen WY，Cheng YH，Hsieh NH，Wu BC，Chou WC，Ho CC，et al.Physiologically based pharmacokinetic modeling of zinc oxide nanoparti?cles and zinc nitrate in mice［J］.Int J Nanomed，2015，10：6277-6292.

［17］ Davies B，Morris T.Physiological parameters in laboratory animals and humans［J］.Pharm Res，1993，10（7）：1093-1095.

［18］ Yeh TK，Chen JK，Lin CH，Yang MH，Yang CS，Chou FI，et al.Kinetics and tissue distribution of neutron-activated zinc oxide nanoparticles and zinc nitrate in mice：effects of size and particulate nature［J］.Nanotechnology，2012，23（8）：85-102.

［19］Bachler G，von Goetz N，Hungerbuhler K.Using physiologicallybased pharmacokinetic（PBPK）modeling for dietary risk assessment of titanium? dioxide（TiO2）nanoparticles［J］.Nanotoxicology，2015，9（3）：373-380.

［20］Xie G，Wang C，Sun J，Zhong G.Tissue distribu?tion and excretion of intravenously administered titanium dioxide nanoparticles［J］.Toxicol Lett，2011，205（1）：55-61.

［21］Li M，Panagi Z，Avgoustakis K，Reineke J.Physio?logically based pharmacokinetic modeling of PLGA nanoparticles with varied mPEG content［J］.Int J Nanomed，2012，7：1345-1356.

［22］Avgoustakis K，Beletsi A，Panagi Z，Klepetsanis P，Livaniou E，Evangelatos G，et al.Effect of copoly?mer composition on the physicochemical character?istics，in vitro stability，and biodistribution of PLGA-mPEG nanoparticles［J］.Int J Pharm，2003，259（1-2）：115-127.

［23］Kim YS，Kim JS，Cho HS，Rha DS，Kim JM，Park JD，et al.Twenty-eight-dayoraltoxicity，genotoxicity，and gender-related tissue distribution of silver nanoparticles in Sprague-Dawley rats［J］. Inhal Toxicol，2008，20（6）：575-583.

Application of physiologically based pharmacokinetic model in toxicology of nanomaterials:research advances

SUN Jin-du,XUE Yu-ying,TANG Meng
(Environmental Medicine Engineering,Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices, Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology,School of Public Health,Southeast University,Nanjing 210009,China)

Physiologically based pharmacokinetic(PBPK)modeling is established based on the information of existing human or other animal anatomy,knowledge of physiology and biochemical data.The model uses mathematical methods to simulate chemicals′process of absorption,distribution,metabolism and excretion in the body,in order to achieve the dose and interspecific extrapolation and to predict the chemical level in the specific organ at the specific time.In studies on toxicology of nanomaterials,the PBPK models in the silver nanoparticles,zinc oxide nanoparticles,titanium dioxide nanoparticles and polymer nanomaterials are gradually established.PBPK modeling can not only provide information on the dynamic change of nanomaterials in the body,but is of great significance for to quantitative evaluation of biological safety of nanomaterials.PBPK modeling will be a hot spot for research in the field of nanotoxicology.

nanomaterials;pharmacokinetics;toxicology;safety evaluation

XUE Yu-ying,E-mail:yyxue@seu.edu.cn

R969.1

A

1000-3002-（2017）02-0203-04

10.3867/j.issn.1000-3002.2017.02.12

Foundation item:The project supported by National Natural Science Foundation of China(81573186);National Natural Science Foundation of China(81502783);National Natural Science Foundation of China(81473003);and National Natural Science Foundation of China(81302461)

2016-05-10 接受日期：2016-10-12）

（本文編輯：沈海南齊春會）

國家自然科學(xué)基金（81573186）；國家自然科學(xué)基金（81502783）；國家自然科學(xué)基金（81473003）；國家自然科學(xué)基金（81302461）

孫晉都，碩士研究生，主要從事納米毒理學(xué)研究。

薛玉英，E-mail：yyxue@seu.edu.cn