生理毒代動力學模型及其在有機污染物水生生態毒理研究中的應用

呂銀知，張芊芊，趙建亮,*，姚理，應光國

1. 中國科學院廣州地球化學研究所 有機地球化學國家重點實驗室，廣州 510640 2. 中國科學院大學，北京 100049 3. 華南師范大學 環境研究院，廣州 510006

近年來，隨著化學合成工業的發展，人工合成化學品數量急劇增加。據ECHA統計，目前全球商用化學品數量達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、內分泌干擾作用等毒性。例如，工業和農業生產中廣泛使用的有機磷酸酯(OPEs)類農藥具有致癌性和神經毒性，在多個國家的地表水、污水和地下水等環境介質中均有殘留，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境激素，在水體、土壤和大氣環境中分布廣泛，降解速率慢，生物富集性強，具有較強的內分泌干擾效應[4]。環境中污染物類別不勝枚舉，對生態系統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的復雜代謝行為。與外暴露相比，污染物的內暴露劑量與其對機體的效應關系更為緊密[7-11]。此外，動物暴露實驗操作繁瑣復雜，面對數以萬計的化合物并不具優勢，因此需要更加有效的方法解決這一問題。生理毒代動力學(PBTK)模型在研究化合物的代謝動力學方面獨具優勢，是一種模擬化合物在生物體內吸收、分布、代謝和排泄(ADME)過程的數學模型。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。利用生理學和解剖學知識，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連接，以描述化合物在生物體內的轉運和代謝等動力學行為[12-13]。

與PBTK模型相比，較為簡單的毒代動力學模型是經典的房室模型，多為一室、二室和三室模型。經典毒代動力學房室模型作為經驗模型當前仍在使用，但其房室沒有實際的解剖學和生理學意義，可以滿足一些化合物的毒代動力學研究，但當遇到具有復雜動力學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還未出現，無法求解模型中涉及的質量平衡微分方程。后來隨著計算機技術的發展，模型中的數學問題逐漸得到了解決，PBTK模型的發展也取得了很大進步[18]，并用于人體或哺乳動物體內污染物的模擬，但在水生生物體內的應用還十分有限[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構[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。可以說，PBTK模型應用于水生毒理學的研究有助于了解污染物在生物體的行為及其毒性效應機制。本文簡要概括了PBTK模型的建立過程以及目前在生態毒理研究中的應用及趨勢。

1 毒代動力學模型(Toxicokinetic models)

毒物代謝動力學模型主要分為兩大類[27]：一類是僅通過實驗數據建立的傳統房室模型，另一類是基于解剖學的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據建立的，因此這些房室并不等同于真實的組織和器官。化合物在每個房室中的濃度用質量平衡方程描述，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]。模型參數通過分析或擬合實驗數據，或憑經驗確定，缺乏解剖學知識的支撐，限制了種間外推應用。

1.2 PBTK模型

PBTK模型是以解剖學和生物體實際的生理機能為基礎，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、代謝和轉化過程[22]。與傳統房室模型相比，PBTK模型不是單靠實驗數據定義房室，而是用機體重量和血流速率等數據描述實際的組織和器官；PBTK模型中各種速率常數的確定不僅是通過對實驗數據的擬合，還通過測定化合物的各種理化和生化參數確定。由于PBTK模型是建立在機體生理基礎上的整體模型，因此每個房室都對應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，收集模型動物相關的生理特征參數、化合物相關的生理生化參數、及其在模型動物體內的毒物代謝動力學過程等相關資料。然后，基于這些資料劃分模型房室結構，依據質量守恒定律編寫各房室相應的微分方程。最后，編寫模型代碼，利用軟件優化參數，并進行模型評估和校正。

1.2.1 模型結構

PBTK模型的結構主要由生物體內污染物的生理性質和建模目的決定[31]。根據血液灌注特征和化合物在機體內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。

將毒物代謝動力學特征難以區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特征是否可區分的方法有2種：一種是比較組織的速率常數，另一種是比較組織合并狀態下和分離狀態下的模型性能。此外，對于不同性質的化合物，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，即模型中房室數量越多，模型結構越接近于真實的生理環境，理論上模型的預測效果會更好。但房室數量的增多也意味著模型參數和方程數量的增加，模型結構更加復雜，操作難度增加。因此，應該結合模型應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模型[22]。

圖1 典型有機化合物在虹鱒魚體內的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量守恒微分方程描述，即：該房室內物質單位時間的變化量=隨動脈血流入房室的物質瞬時質量-隨靜脈血流出該房室的物質瞬時質量+物質在該房室的生成項-物質在該房室的消除項[31]。通常模型中的房室與微分方程一一對應。在書寫模型的數學方程時，按質量守恒定律，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方程如表1所示[22,32]。

1.2.2 模型輸入參數

PBTK模型建立的關鍵是確定模型參數。如表2所示，模型參數主要概括為兩大類：反映生物體基本特征的生理參數和反映機體與化合物間相互作用的生化參數。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。其他生理參數可直接從相關文獻資料中獲取，或通過“種間異數推算”(allometric scaling)得到。“種間異數推算”是指利用某些生理指標與體重之間的相關性(Y=a·Wb，其中Y為生理指標，W為生物體重，a為異數推算系數，b為異數推算指數)獲得具體參數值的方法[17,33]。血/水分配系數和組織/血液分配系數既可通過體外實驗(平衡實驗、平衡透析等)獲取[27]，也可由經驗推導得到[34-35]。而組織/水分配系數可通過計算血/水分配系數和組織/血液分配系數的乘積得到。代謝參數和吸收參數通過實驗較難獲取，一般會采取參數優化的方法，即借助最大似然法等統計檢驗手段或MATLAB等計算軟件，使得模型預測濃度-時間曲線盡可能接近實驗數據。Nichols等[36]歸納了從魚的體外肝代謝常數外推得到體內代謝速率常數的方法，并描述了如何將這些外推數據分別并入魚的房室毒代動力學模型和PBTK模型。由于大部分關于魚生物轉化的研究通過體外實驗進行，因此體內外肝臟代謝數據的外推方法對于PBTK模型建立過程中相關代謝參數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；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；Km為米氏常數。

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

在模型結構和所需參數已經確定的情況下，即可使用計算軟件對質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，要依據模型輸出結果與實驗數據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計的PBTK模型要應用到其他化合物時，也需要對模型的結構或參數進行修正。模型評價一般包括評估模型結構和輸入參數的合理性及模型在用于外推時的置信度[37]。越重要的參數，其取值的不確定性越大。因此，一般情況下應進行參數值的不確定性分析。在表征參數的不確定性時，要確定參數在什么取值范圍內與數據明顯不一致。保持其他參數值不變，改變一個參數值大小(±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行為的關鍵參數，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模型在水生生態毒理學研究中的應用Table 3 Application of PBTK model in aquatic ecotoxicology

續表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、內臟、身體其他部分Skin tissue group, gills, blood, fat tissue group, viscera, and carcass模型能有效預測氯代乙烷在黑頭呆魚體內的富集情況,結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模型準確預測了芳香化酶抑制劑FAD內分泌干擾效應的劑量-效應關系和時間變化情況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化合物的生物富集,且發現這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模型準確預測了刺鰩體內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數據與模型預測結果大致一致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,且能準確預測內部濃度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模型能很好地預測化合物在不同魚種體內的生物富集潛能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模型模擬結果表明較低的血液到組織的分布系數值會導致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模型預測了TCDD在各組織房室中的分布和排泄濃度,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模型在水生態毒理研究中的應用(Application of PBTK model in aquatic ecotoxicology)

在污染物水生態毒理研究中，模型常用來模擬生物體的內暴露情況，確定污染物的生物有效劑量(即直接導致毒性效應的內劑量)，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 內暴露模擬

表3總結了有機污染物在不同水生生物的PBTK模型應用現狀。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。在真實水環境中，魚類不是單獨經受某一種暴露途經，而是同時經受著呼吸、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現這2種魚的鰓暴露和皮膚暴露對四氯聯苯(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模型中，從而建立了虹鱒魚對四氯聯苯的飲食吸收和呼吸暴露的PBTK模型，為描述特定腸道區域出現的動力學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的變化有助于理解化合物的代謝轉化和效應。另外胃腸道也可能是一個潛在的毒效應位點，因此對胃腸道的動力學行為的描述是必要的。

傳統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境濃度，并將環境濃度與半數致死濃度(LD50s)或無觀察效應濃度(NOECs)做比較而確定。但由于生物體內化合物動力學行為的復雜性，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疑[59-60]。Mackay等[61]通過比較指出基于生物體的內部濃度指標-臨界體內殘留(CBR)在評價化合物相對毒性方面比LD50s更勝一籌。利用PBTK模型描述生物對環境中化合物的吸收、分布、代謝和消除等一系列行為的經時過程，確定最終到達靶組織/器官的生物有效劑量，與相應的內暴露指標對比，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模型相結合，預測了懸浮沉積物攜帶的污染物(芘)在虹鱒魚體內的吸收、代謝和排泄，證明了毒代動力學模型預測生物有效劑量的潛力。

毒物效應動力學(toxicodynamics, TD)是指污染物對機體產生的效應隨時間變化的動力學過程。生理毒代動力學模型和毒物效應動力學模型結合的產物，即PBTK-TD模型，可同時預測生物體內不同組織/器官的化合物水平和相應毒效應指標隨時間的動態變化情況，明確了暴露劑量與內劑量以及毒效應之間的定量關系，便于對化合物的潛在風險作出評估。Abbas和Hayton[43]建立了虹鱒魚的PBPK-PD模型，精確預測了對氧磷在生物體內的吸收，分布和對乙酰膽堿酶(AChE)的抑制效應，指出AChE的受抑制程度取決于游離態的對氧磷濃度，而與穩態對氧磷濃度無關。

2.2 外推

在研究污染物的水生態毒理時，可借助外推的手段建立水生生物的PBTK模型。在得到的關于要外推的目標生物參數足夠的情況下，通過改變模型中具體的組織/器官參數，可以實現模型的種間外推。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。如虹鱒魚經口攝入疏水性化合物時，因首過效應(污染物在未達到血液循環之前就被代謝吸收的現象[61])的存在，實際吸收進入血液循環的化合物比例小于100%；當化合物經魚鰓進入時，則不存在首過效應。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，首先要在原模型結構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，要根據肌肉注射后藥物會經注射位點迅速完全吸收進入靜脈血這一假設，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構和方程無誤后，進行模型模擬。由于慢性毒性實驗耗時、費用高、操作復雜，故在實驗室內多進行暴露濃度相對較高的急性毒性試驗。但實際環境中，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，結合生物體生理結構，通過改變模型輸入參數(暴露時間、給藥劑量等)，外推至低劑量，從而模擬真實環境中的暴露場景做出毒性預測。

由于現實環境的復雜性，環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雜場景。考慮到模型的實用性，多因素暴露下的混合PBTK模型的建立是必要的。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不同化合物的PBTK模型，在發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模型的實驗數據，所以目前此類模型的實用性不高。

3 結論與展望(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毒理研究中的應用情況。由于PBTK模型與傳統毒理實驗相比，能更清楚地從生理結構的角度描述生物體內化合物的代謝動力學(ADME)過程，并預測內部濃度，進行不同物種、劑量和暴露條件間的外推應用，所以PBTK模型在今后會具有廣闊的發展前景，甚至有可能逐步代替動物實驗成為污染物生態毒理研究的重要手段。但目前PBTK模型在水生態毒理中的應用還存在一些局限：

(1) 模型的建立需要諸多參數，由于學科限制等因素導致一些參數難以獲取，給模型的建立帶來了困難。一些復雜的PBTK模型(如多因素暴露下的混合模型)雖然得以建立，但是由于缺乏相關實驗數據使得模型無法得到驗證。

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

計算(預測)毒理是21世紀毒理學研究的關鍵內容之一[64-65]。作為預測毒理學模型格局中的重要一環，PBTK模型通過模擬化合物在生物體內的分布情況，找出關鍵的靶器官、靶細胞，為使用計算化學模型進一步探索分子水平上的毒性機制提供依據。總的說來，PBTK模型的建立過程相對復雜，可能涉及解剖學、生理學、毒理學、數學以及計算機學等多學科的專業知識，需要各學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毒理中的進一步應用。