應(yīng)用暴露相關(guān)的劑量估算模型(ERDEM)構(gòu)建甲胺磷的大鼠生理藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)(PBPK/PD)模型

巢迎妍，張 輝，劉 艷，張曉菲

應(yīng)用暴露相關(guān)的劑量估算模型(ERDEM)構(gòu)建甲胺磷的大鼠生理藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)(PBPK/PD)模型

巢迎妍1a，張 輝2，劉 艷1b，張曉菲3

目的 為了解有機(jī)磷類殺蟲劑——甲胺磷在大鼠體內(nèi)的吸收、分布、代謝、排泄和毒性。方法 采用暴露相關(guān)的劑量估算模型(ERDEM)構(gòu)建大鼠的生理藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)模型。模型結(jié)構(gòu)包括完整的胃腸道、肝臟代謝、尿排泄、糞便消除以及甲胺磷對(duì)乙酰膽堿酯酶(AChE)的雙分子模式抑制。結(jié)果 該模型可對(duì)多種給藥途徑后的血藥濃度進(jìn)行擬合。尿中累積排泄率為劑量的52.7%，糞消除為劑量的2.4%(相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為52%和2.7%)。對(duì)大鼠血液及腦內(nèi)AChE活性亦有近似的模擬。對(duì)一組未用于模型優(yōu)化的血AChE活性劑量效應(yīng)的模擬證明模型具有優(yōu)良的預(yù)測(cè)能力。結(jié)論 所構(gòu)建的甲胺磷的大鼠PBPK/PD模型有助于甲胺磷的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和多個(gè)有機(jī)磷的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

甲胺磷；PBPK/PD模型；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；ERDEM

0 引言

甲胺磷(Methamidophos)屬劇毒級(jí)有機(jī)磷類殺蟲劑。商品名為“達(dá)馬隆”(Tamaron)，化學(xué)名稱為O，S-二甲基胺基硫代磷酸酯。其毒副作用主要表現(xiàn)為對(duì)乙酰膽堿酯酶(AChE)的活性抑制。我國(guó)自2008年起已停止生產(chǎn)。但是由于市場(chǎng)上尚有殘存的甲胺磷流通以及非法使用，其人、畜中毒事件還時(shí)有發(fā)生。另外，本品是另一個(gè)有機(jī)磷類殺蟲劑—乙酰甲胺磷(Acephate)的活性代謝產(chǎn)物。構(gòu)建其生理藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)(PBPK/PD)模型可以了解其吸收、分布、代謝、消除和毒性(ADMET)。同時(shí)，甲胺磷在有機(jī)磷類殺蟲劑的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中是標(biāo)準(zhǔn)化合物[1]。其他有機(jī)磷農(nóng)藥的劑量都需要轉(zhuǎn)化為甲胺磷等同毒性的劑量，然后累積的毒性劑量可由所有等同劑量相加而得到。因此，基于對(duì)甲胺磷暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或者多個(gè)有機(jī)磷類農(nóng)藥的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需要，本研究通過文獻(xiàn)搜集和優(yōu)化模型參數(shù)在暴露相關(guān)的劑量估算模型(ERDEM)的平臺(tái)下構(gòu)建了甲胺磷的大鼠PBPK/PD模型。

1 儀器和試藥

采用由美國(guó)環(huán)保局開發(fā)的暴露相關(guān)的劑量估算模型(Exposure-Related Dose Estimating Model，ERDEM)[2]構(gòu)建PBPK/PD模型。其全部質(zhì)量守衡方程亦有報(bào)道[2]。

2 方法與結(jié)果

2.1 模型結(jié)構(gòu) 大鼠模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)詳見先前的報(bào)道[3]。所有代謝產(chǎn)物見于Knaak等[4]研究。肝臟代謝動(dòng)力學(xué)和腎臟排泄采用飽和米曼方程的最大速度(Vmax)和米曼常數(shù)(Km)來描述。對(duì)AChE的抑制采用雙分子的酶抑制來描述(Ki)。代謝物的組織/血液分配系數(shù)見于Knaak等[4]的研究。

2.2 用于參數(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 初始模型需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次模擬和優(yōu)化。Gray等[5]報(bào)道了靜脈給予同位素標(biāo)記的甲胺磷后大鼠各組織的放射活性濃度及尿和糞便的累積排出，并檢測(cè)了腦內(nèi)AChE活性。大鼠靜脈給藥還見于Eigenberg等[6]的報(bào)道。宋春艷等[7]報(bào)道了對(duì)小鼠靜脈給藥后的血藥濃度和單次口服給藥的血AChE活性。Robinson等[8]報(bào)道了大鼠腹腔注射給藥后腦內(nèi)膽堿酯酶的活性。Moser[9]報(bào)道了大鼠口服給藥后血和腦內(nèi)AChE活性。

2.3 模型驗(yàn)證及應(yīng)用 Singh等[10]報(bào)道了在大鼠腹腔注射不同劑量的甲胺磷后1 h的紅細(xì)胞中AChE的活性。此數(shù)據(jù)因沒有用于優(yōu)化模型，該項(xiàng)模擬被用來驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)能力。完成后的模型進(jìn)一步用來預(yù)測(cè)大鼠急性經(jīng)口給藥后的無明顯不良反應(yīng)值(NOAEL)并與文獻(xiàn)報(bào)道值進(jìn)行對(duì)比。NOAEL的效應(yīng)為腦內(nèi)AChE活性被抑制到正常的10%。

2.4 構(gòu)建后的大鼠模型 代謝反應(yīng)見于Knaak等[4]的研究。氧化與水解Vmax分別為0.007、0.011 mM/h,Km均為0.01 mM。甲胺磷AChE抑制的雙分子抑制常數(shù)Ki值源于Gray 等的報(bào)道[5]。大鼠血和腦內(nèi)的Ki值分別為8.2 × 102和1.8 × 103/(M·min)。轉(zhuǎn)化為ERDEM的單位后分別為49.2和108 /(mM·h)。經(jīng)對(duì)比其他研究后表明，此組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)條件控制較好、質(zhì)量高、可信度好。因此，此文報(bào)道的Ki值作為模型的初始值。經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，最終的Ki值血液內(nèi)為25 /(mM·h)，腦內(nèi)為40 /(mM·h)。

2.5 大鼠多種給藥途徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬 模型能較好地復(fù)制多個(gè)靜脈給藥后的甲胺磷的血藥濃度[5-7](圖1A、B)。對(duì)小鼠單次口服給藥的血藥濃度[7]模擬中，模型的消除要快于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖1C)。對(duì)放射活性的累計(jì)尿、糞消除[5]模擬中，模型尿排泄為劑量的52.7%，糞消除為2.4%。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為52%和2.7%(圖2A、B)。大鼠口服8 mg/kg[9]、靜注8 mg/kg[5]、腹腔注射12.5 mg/kg[8]甲胺磷后，腦及血液中AChE活性的最大實(shí)驗(yàn)值(和發(fā)生時(shí)間)分別為：腦16.7%(1.5 h)[9]、血10.8%(1.5 h)[9]、血31.3%(0.5 h)[5]、腦22%(1 h)[8]。模型模擬值按順序相應(yīng)為腦19%(2 h)、血27%(2.4 h)、血24.3%(2 h)、腦13.4%(2.9 h)。腦及血液中AChE活性的最大實(shí)驗(yàn)值和發(fā)生時(shí)間，均可被模型正確地?cái)M合(圖3)。

圖1 甲胺磷靜脈(圖A、 B )及口服(圖C )給藥后的血藥濃度及模型模擬曲線

圖2 尿(A)、糞(B)累積排出的放射活性的實(shí)驗(yàn)值及模型模擬曲線

圖3 大鼠口服、靜脈注射、腹腔注射甲胺磷后，腦及血液中AChE活性的實(shí)驗(yàn)值及模型模擬曲線

圖4 大鼠腹腔注射不同劑量甲胺磷后1 h，血AChE活性的劑量效應(yīng)曲線及模型模擬曲線

2.6 模型驗(yàn)證及大鼠的NOAEL值的預(yù)測(cè) 對(duì)Singh等[10]大鼠腹腔注射不同劑量的甲胺磷后1 h的紅細(xì)胞中AChE的活性的模擬表明，模型與實(shí)驗(yàn)值非常接近(圖4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：79.7%(7.06 mg/kg)、48.2%(14.11 mg/kg)、22.4%(28.23 mg/kg)、13.3%(42.34 mg/kg)。模擬相同劑量的結(jié)果分別為79.1%、54.0%、19.9%、7.1%。以腦內(nèi)AChE的活性獲得10%的抑制為觀察終點(diǎn)，模型對(duì)一系列的口服劑量進(jìn)行模擬，以找到能致10%抑制的劑量。模型對(duì)口服給藥腦內(nèi)AChE 抑制的NOAEL值的推測(cè)結(jié)果為0.3 mg/kg。文獻(xiàn)報(bào)道值為1.1 mg/kg[11]。

3 討論

為環(huán)境化合物建立相應(yīng)的人和動(dòng)物的PBPK/PD模型在暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中起著越來越重要的作用。模型不僅可以對(duì)組織內(nèi)毒物濃度進(jìn)行估算，還可以獲得人群的暴露水平及風(fēng)險(xiǎn)的群體分布[12]。甲胺磷是USEPA的有機(jī)磷類殺蟲劑的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的標(biāo)準(zhǔn)化合物[1]。因此為其構(gòu)建模型對(duì)有機(jī)磷殺蟲劑的累積健康評(píng)估有重要意義。

本模型不僅能較好地對(duì)甲胺磷的多種給藥途徑后的血藥濃度進(jìn)行擬合，而且能夠準(zhǔn)確地描述代謝產(chǎn)物的尿排泄(模型為52.7%，實(shí)驗(yàn)值為52%)和糞消除(模型為2.4%，實(shí)驗(yàn)值為2.7%)。因此模型可用于通過尿內(nèi)的生物標(biāo)記物進(jìn)行逆向的暴露水平重建。但是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自不同的大鼠品系和小鼠，數(shù)據(jù)本身存在變異和不確定性，因此會(huì)給模型的擬合帶來難度，對(duì)某些數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合出現(xiàn)差異也就無法避免。相同的情況亦見于對(duì)血和腦的乙酰膽堿酯酶的擬合。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取樣點(diǎn)少或間隔時(shí)間較長(zhǎng)，酶活性的最大抑制未必能在實(shí)驗(yàn)中被捕捉到。因此，模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異無法避免。本模型預(yù)測(cè)的腦內(nèi)AChE的NOAEL要比文獻(xiàn)報(bào)道值敏感，可能由于實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行微小劑量的檢測(cè)，得出的結(jié)果往往會(huì)偏高。而模型的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)任何微小劑量進(jìn)行模擬，敏感度較高(低于實(shí)驗(yàn)值)?？傊?，本研究構(gòu)建的甲胺磷的大鼠模型對(duì)于其毒理學(xué)研究和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有著極大的幫助。此模型還可以進(jìn)一步放大為人體模型，用于農(nóng)用與非農(nóng)用殺蟲劑的暴露環(huán)境的模擬、考察食物中農(nóng)藥殘量對(duì)人體的影響，甚至對(duì)人群的某一毒理學(xué)指標(biāo)的群體分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，繼而對(duì)于高危人群進(jìn)行防護(hù)性管理。

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Construction of a PBPK/PD model for methamidophos in rats using the exposure-related dose estimating model (ERDEM)

CHAO Ying-yan1a,ZHANG Hui2,LIU Yan1b,ZHANG Xiao-fei3

(1.a.Department of Pharmacy,b.Department of Information,Liaoning Cancer Hospital and Institute,Shenyang 110012,China;2.Dental Department,The People′s Hospital of Liaoning Province,Shenyang 110012,China;3.Toxico Dynamics,Riverside CA 92508，USA)

Objective To characterize the disposition and toxicity for an organophosphate pesticide—methamidophos in the rat. Methods ERDEM was used to build the rat PBPK/PD model.Model structures included a full gastrointestinal compartment,liver metabolism,urinary excretion,fecal elimination,and bimolecular AChE inhibition. Results The model could closely simulate the blood concentration time history data by various exposure routes.The cumulative urinary excretion was 52.7% and cumulative fecal elimination was 2.4% by the model (corresponding experimental measurement was 52% and 2.7%,respectively).Simulation to the AChE activity in the blood and brain was also satisfactory.Model simulation to a dose response curve which was not used in the model calibration showed the model could replicate the relationship between dose and AChE activity in the blood.Conclusion The constructed model will be useful in the risk assessment for methamidophos and the cumulative risk assessment for multiple organophosphate pesticides.

Methamidophos;PBPK/PD model;Risk assessment;ERDEM

2014-04-03

1.遼寧省腫瘤醫(yī)院a藥學(xué)部，b.信息科,沈陽110012；2.遼寧省人民醫(yī)院口腔科，沈陽 110012;3.Toxico Dynamics,Riverside CA 92508

10.14053/j.cnki.ppcr.201502014