OPAHs對斑馬魚胚胎的急性毒性預測

金玲敏，徐童，喬顯亮

大連理工大學環(huán)境學院，工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，大連 116024

含氧多環(huán)芳烴(oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbon, OPAHs)是由化石燃料不完全燃燒，或多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAHs)化學氧化、光化學氧化或生物氧化形成的一類新污染物[1-3]。OPAHs表現(xiàn)出致癌性、致突變性和發(fā)育毒性等毒性[4-7]。一些OPAHs產(chǎn)生的毒性效應比母體化合物更強。例如，Mattsson等[7]通過人肝癌細胞實驗，發(fā)現(xiàn)一些OPAHs對DNA的損傷顯著強于PAHs。Chibwe等[8]的研究表明，PAHs污染土壤經(jīng)好氧生物修復后致突變性增強，認為與OPAHs等轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的生成有關。迄今，越來越多OPAHs在環(huán)境中被檢出[9]，但是很多OPAHs的毒性數(shù)據(jù)仍然缺失。

采用實驗方法獲取OPAHs的毒性數(shù)據(jù)需要消耗大量的人力、經(jīng)費和時間。為了減少動物實驗和高效地獲取毒性數(shù)據(jù)，計算模擬方法被越來越多地用于化學品的毒性預測。其中，定量構效關系(QSAR)方法可以通過揭示有機化合物分子結(jié)構和毒性之間聯(lián)系，已經(jīng)被成功用于多種有機污染物(如PAHs、呋喃、二噁英以及多氯聯(lián)苯等)的毒性預測[10-12]。目前，關于OPAHs急性毒性的預測模型還鮮有報道。

本研究參照經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)關于QSAR模型構建和評估的導則[13]，基于Knecht等[4]通過斑馬魚胚胎急性毒性實驗得到的32種OPAHs的毒性數(shù)據(jù)(logEC50)(表1)，采用多元線性逐步回歸法篩選OPAHs的描述符，建立OPAHs斑馬魚胚胎急性毒性的QSAR模型，驗證其預測能力，表征了模型的應用域，為OPAHs的生態(tài)風險評估提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法(Materials and methods)

2 結(jié)果(Results)

2.1 模型的建立

本研究分別采用Dragon描述符、量子化學描述符以及綜合以上2類描述符建立了3個QSAR模型(表2)。基于2 629種OPAHs Dragon描述符，采用多元線性逐步回歸法篩選出模型(1)的R2為0.524，表明模型的擬合優(yōu)度不高。使用多元線性逐步回歸法篩選量子化學描述符和logKow，建立了模型(2)的R2為0.436，模型的擬合優(yōu)度也不高。本研究綜合了量子化學描述符和Dragon描述符，得到模型(3)，統(tǒng)計學參數(shù)表明，模型(3)的擬合優(yōu)度較好，篩選出4種描述符包括化學勢(μ)、最大電拓撲參數(shù)(MAXDP)、Moriguchi正辛醇-水分配系數(shù)(MLOGP)和芳香性指數(shù)(AROM)，說明量子化學描述符和Dragon描述符可以從不同的角度表征OPAHs的分子屬性，更有利于揭示分子結(jié)構與其毒性的關聯(lián)。由于模型(1)和(2)不能滿足預測的參數(shù)要求，下文重點對模型(3)進行了詳細討論。OPAHs的斑馬魚胚胎急性毒性實驗數(shù)據(jù)(logEC50)和最優(yōu)模型的預測數(shù)據(jù)以及篩選出4種描述符的具體數(shù)值分別如表1和表2所示。

表1 OPAHs的logEC50實驗值與預測值及模型篩選出的分子描述符計算值Table 1 The experimental and predicted values of logEC50 for OPAHs and molecular descriptors values

2.2 模型的解釋

模型(3)的4個描述符中，μ與logEC50的相關性最高，相關系數(shù)為0.554。μ可以表征分子失電子的能力，μ值越小，分子越不穩(wěn)定，容易失去電子[22-23]。OPAHs是一類含氧的PAHs衍生物，含氧基團的存在使得電子密度發(fā)生顯著的變化(圖1)，也會影響其得失電子的能力[24]。OPAHs的μ與logEC50呈正相關，說明OPAHs越不穩(wěn)定，其斑馬魚胚胎急性毒性越大。MAXDP、MLOGP和AROM都為拓撲描述符。MAXDP可以表征分子的親電性[25]，OPAHs的親電性越強，其毒性越強。MLOGP表征分子的疏水性[20]，MLOGP與logEC50表現(xiàn)出負相關，說明OPAHs疏水性越強毒性也越強。AROM表征了分子的芳香性，其值越大表明OPAHs共軛結(jié)構越穩(wěn)定，其毒性越小[26]。綜上所述，OPAHs的得失電子能力和疏水性是影響其毒性的主要因素。

表2 OPAHs的logEC50 QSAR模型參數(shù)Table 2 Parameters of QSAR models for OPAHs logEC50 values

圖1 含氧多環(huán)芳烴(OPAHs)特征化合物的電子密度圖Fig. 1 The electron density maps of typical oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbon (OPAHs)

2.3 模型的驗證

3 討論(Discussion)

前人開展的QSAR模型研究也表明，PAHs及其衍生物的毒性與其得失電子能力和疏水性有關。Li等[27]建立了24種羥基PAHs與DNA損傷的QSAR模型(R2=0.751)，發(fā)現(xiàn)羥基PAHs與DNA的靜電相互作用影響二者的結(jié)合能力；分子對接分析表明氫鍵、π-π作用會顯著影響羥基PAHs與DNA的結(jié)合能力。本文所研究的化合物中除了羥基PAHs也存在酮羰基PAHs，化合物的毒性除了與分子的得失電子能力有關，還與分子的疏水性存在一定關聯(lián)。Gbeddy等[28]建立了30種PAHs及其衍生物致癌性毒性當量因子的QSAR模型(R2=0.720)，發(fā)現(xiàn)分子量越大、疏水性越強，其毒性越強。Chlebowski等[29]通過分子對接研究硝基取代和雜環(huán)結(jié)構的PAHs發(fā)育毒性，表明疏水性更強的化合物，如7-硝基苯[k]熒蒽和二硝基芘，發(fā)育毒性更強。這與本研究模型(3)篩選出的表征疏水性的MLOGP值與斑馬魚胚胎急性毒性呈正相關的結(jié)果一致。

綜上所述，本研究采用B3LYP/6-31G(d,p)方法優(yōu)化OPAHs分子結(jié)構，計算了量子化學描述符和Dragon描述符，使用多元線性逐步回歸法建立了斑馬魚胚胎logEC50的QSAR模型，發(fā)現(xiàn)OPAHs的得失電子能力和疏水性是影響OPAHs斑馬魚胚胎急性毒性的重要原因。所建立最優(yōu)模型的R2為0.781，內(nèi)部驗證和外部驗證說明該模型具有較好的穩(wěn)健性和預測能力。采用Williams圖表征了模型的應用域，表明模型具有良好的適應性和延展性，通過模型預測的斑馬魚胚胎急性毒性可以為OPAHs的生態(tài)風險評價提供毒性數(shù)據(jù)支持。

圖2 OPAHs斑馬魚胚胎logEC50實驗值和預測值的擬合(a)和Williams圖表征的模型(3)應用域(b)Fig. 2 The fitting diagram of the experimental and predicted values of zebrafish embryos logEC50 for OPAHs (a) and the application domain of the model (3) based on Williams diagram (b)