基于PBPK模型評價三氯乙烯的職業暴露健康風險

劉遠，王中鈺，陳景文，喬顯亮

大連理工大學環境學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連116024

三氯乙烯(TCE)作為脫脂劑和清洗劑被廣泛應用于五金、電鍍和電子等行業[1]。2012年TCE在中國的總產量約57萬t[2]。由于被大量長期使用，TCE成為空氣、地下水和食品中常檢出的污染物[3]。由于具有很強的揮發性，在使用脫脂劑或清洗劑的電子、五金和電鍍等工作場所的空氣中，TCE的檢出濃度可以達到18～683 mg·m-3[4-5]。TCE的職業暴露會產生過敏綜合癥[6]和致癌風險[7]。2012年，TCE被美國環保局(US EPA)和國際癌癥研究機構列為1類致癌物[7-8]。研究表明，TCE在體內的代謝產物與肺部、肝臟和腎臟腫瘤均存在相關性[1,9]。因此，有必要評估TCE及代謝產物在職業暴露中對人體健康的致癌風險。

傳統的人體暴露風險評價一般基于環境中污染物的外暴露水平[10-11]。污染物進入人體后會在不同組織和器官中進行分配，在肝臟等器官中還會存在代謝過程[12]。基于生理學的藥代動力學(physiologically based pharmacokinetic, PBPK)模型可以用于模擬預測外源物質在體內的動態分布和代謝過程，已被用于芘[13]、氯仿[14]和尼古丁[15]等物質在人體內的分布、代謝和健康風險研究。本研究采用吸附管采樣-熱脫附/氣相色譜-質譜法分析了大連市某企業車間生產工況下空氣中TCE濃度，基于PBPK模型預測了呼吸暴露途徑下人體組織中TCE的動態變化、代謝產物生成情況和致癌風險，并對模型結果進行了敏感性和不確定性分析。本研究的發現可以為TCE的職業暴露致癌風險提供參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 車間空氣中TCE樣品采集和分析

基于本課題組建立的工廠車間空氣中揮發性有機物的測定方法[16]，于2017年8月份使用吸附管(Tenax, 6 mm×4 mm×200 mm)采樣-熱脫附/氣相色譜-質譜法(Markes Series 2 Unity TD/Agilent 7890A-5975C GCMS)分析了大連市某企業車間生產工況下空氣中TCE濃度，將該企業辦公區域設置為對照，車間和辦公區分別設置3次重復。

1.2 TCE在人體內的代謝產物

根據前人研究，TCE在人體內主要被細胞色素P450酶氧化或者被谷胱甘肽(GSH)轉移酶催化代謝[7,12,17]。P450酶氧化主要在肝臟中進行。進入肝臟的TCE被其氧化為三氯乙醛(CHL)；CHL被醇脫氫酶轉化為三氯乙醇(TCOH)。TCOH既可被糖酯化生成相應的葡糖苷酸(TCOG)，也可被醛脫氫酶氧化為三氯乙酸(TCA)，還可被還原為二氯乙酸(DCA)。TCOG可通過肝腸循環轉化為TCOH，TCA可脫氯轉化為DCA。GSH酶催化途徑大致為肝臟中大量谷胱甘肽S-轉移酶與TCE發生親核取代生成S-二氯乙烯基-L-谷胱甘肽(DCVG)。DCVG在腎臟中轉化為S-二氯乙烯基-L-半胱氨酸(DCVC)，最后以N-乙酰-S-(1,2-二氯乙烯)-L-氨酸(NacDCVC)排出體外。GSH酶催化途徑產生的DCVC對人類腎癌具有重要貢獻[7]。CHL、TCA和DCA也具有毒理學效應[1]。

1.3 PBPK模型結構和計算方法

TCE及代謝產物的人體PBPK模型由包含血氣交換系統、支氣管組織(TBT)、脂肪組織(Fat)、充分灌注室(RPT)、非充分灌注室(PPT)、腸組織(Gut)、肝臟組織(Liver)、動脈血(AB)和靜脈血(VB)的生理學腔室組成，其中腎臟包含于RPT(圖1)。模型初始參數中TCE血液/空氣分配系數(Pb)為9.2，其變異系數為50%[9]。體重(BW)、心輸出血流量(QC)和肺換氣流量(QP)分別為70 kg、315 L·h-1和436 L·h-1，其變異系數分別為79%、40%和30%[9]。與生理學腔室有關的其他參數及變異情況見表1～3。對于TCE進入人體的吸收、分布、代謝和排泄過程簡單表述如下，詳細公式見Clewell等[17]的報道。

吸收過程：當空氣中TCE濃度為CInh(mg·L-1)時，經血氣交換系統后TCE在動脈血中的濃度CAB(mg·L-1)如式(1)所示，

(1)

式中，Pb表示TCE的血液/空氣分配系數。

分布過程：TCE在靜脈血和各組織靜脈血中的濃度CVB(mg·L-1)和CVTissue(mg·L-1)分別如式(2)和(3)所示，其中ATissue(mg)為各組織內目標化合物質量，

(2)

(3)

代謝過程：以TCE在代謝組織中的轉化速率RAMTissue(mg·h-1)和腎臟中DCVC的轉化為例，其分別如式(4)和(5)所示，

(4)

(5)

式中，MW表示化合物分子量。

排泄過程：以NacDCVC的排泄為例，其如式(6)所示，

(6)

圖1 三氯乙烯(TCE)及代謝產物的人體基于生理學的藥代動力學(PBPK)模型Fig. 1 Human physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model for trichloroethylene (TCE) and its metabolites

根據質量守恒原理，將描述TCE在人體各組織中藥代動力學過程的微分方程聯立方程組，車間空氣中TCE濃度設為CInh(mg·L-1)，各組織中TCE初始濃度均為零，以1×10-5h為步長，職業工人工作時間為暴露時長(8 h)，模擬24 h。模型參數初始值如表1～3所示，使用Python(3.6)科學計算庫SciPy中integrate模塊下的odeint函數對方程組進行計算求解，結果得到人體各組織中TCE及代謝產物濃度。其中代謝產物TCA、DCA、TCOH和TCOG對應的體內表觀分布體積所占體重的比例分別為0.1、0.1、0.65和0.65，其變異系數均為79%[9]。

1.4 外暴露和內暴露方法評價職業暴露風險

TCE職業工人外暴露致癌風險基于US EPA推薦的吸入風險評估模型和職業暴露參數[10,18]。致癌風險(Risk)如式(7)所示，

Risk=IUR×EC

(7)

式中，IUR為TCE的吸入單位風險4.10×10-6(μg·m-3)-1[19]，EC為職業工人在工作車間內的暴露濃度(μg·m-3)，如式(8)所示：

(8)

式中，CA為空氣中TCE濃度(μg·m-3)，ET為暴露時間(8 h·d-1)，EF為暴露頻率(250 d·a-1)，ED為持續暴露階段(20 a)，AT為平均壽命(70 a)。

TCE職業工人的內暴露致癌風險基于PBPK模型預測的最大內暴露濃度與相應的內暴露單位風險的乘積[20,21]。TCE及代謝產物在組織中的內暴露單位風險計算如下，以IURTCE對應的空氣濃度(2.44×10-1μg·m-3)[22]做為CInh，模型計算過程如1.3節所述，得到安全閾值下TCE及代謝產物對應的最大內暴露濃度，基于風險閾值1.0×10-6將最大內暴露濃度轉換為相應的內暴露單位風險[23]。以肝臟中TCE和組織中TCE代謝產物DCVC為例，最大內暴露濃度分別為1.97 μg·m-3和8.27×10-4μg·m-3；其內暴露單位風險分別為5.08×10-7(μg·m-3)-1和1.21×10-3(μg·m-3)-1。

由于個體間PBPK模型參數存在變異性，模型生理參數值和代謝參數值分別服從正態分布和對數正態分布[9,17]，其范圍用變異系數(CV)表示，CV = 100%×標準偏差/均值，如表1～3所示。基于PBPK模型結合Monte Carlo方法可以體現模型參數變化對預測結果的影響，從而可以提高模型預測結果的準確性[24]。預測TCE及代謝產物的內暴露濃度時，利用Monte Carlo方法從PBPK模型參數的概率分布范圍(均值±標準偏差)內隨機抽取10萬次并代入模型，計算過程如1.3節所述，得到TCE及代謝產物對應的最大內暴露濃度。由于PBPK模型參數存在較大的變異性[9,17]，為了降低參數極值對預測結果的影響，選擇模型預測的最大內暴露濃度5%～95%分位數的平均值來計算致癌風險。

1.5 模型參數的敏感性分析及不確定性分析

敏感性系數(SC)常用于判斷PBPK模型預測結果對模型參數的敏感性[25-26]。SC計算為模型參數初始值θ變化±5%時模型預測結果f(θ)的相對變化程度，如式(9)所示，

(9)

其可分為低敏感(0 < |SC| ≤ 0.5)、中敏感(0.5 < |SC| ≤ 1)和高敏感(|SC| > 1)[26]。Monte Carlo方法常用來評價PBPK模型預測結果的不確定性[24]。以PBPK模型預測肝臟中TCE和組織中TCE代謝產物DCVC的內暴露濃度為例，結合Monte Carlo方法在模型參數的概率分布范圍(均值±標準偏差)內隨機抽取后代入模型，計算過程如1.3節所述，得到不同參數值下TCE及代謝產物最大內暴露濃度的不確定性范圍[17]。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 職業工人體內TCE及代謝產物的動力學模擬

大連市某企業生產工況下車間空氣中TCE濃度為(39.2±24.4) μg·m-3，辦公區對照點的濃度為(0.08±0.06) μg·m-3。空氣中TCE濃度在車間區高于辦公區與其作為清洗劑的使用有關。當職業工人在車間內工作8 h后離開，基于PBPK模型模擬24 h內TCE經呼吸暴露在人體內的分布和代謝過程。模擬結果表明TCE及代謝產物在人體組織中的濃度隨暴露時間增長逐漸升高。預測的組織中TCE最大濃度呈現出脂肪>腸>充分灌注室>支氣管>非充分灌注室>肝臟>靜脈血>動脈血的趨勢(圖2a)。相對于其他組織，TCE易于在脂肪組織中富集，可能與TCE的脂肪/血液分配系數PFat= 73高有關[17]。前人發現芘(PFat= 11.8)[13]和甲基叔丁基醚(PFat= 6.5)[27]等也具有易在脂肪內富集的特征。

模擬結果表明，TCE代謝產物在人體組織中的最大濃度呈現出CTCA> CTCOH> CTCOG> CDCA> CCHL> CDCVC的趨勢(圖2b)。代謝產物濃度分布與其相應的生成途徑有一定關聯，表現為P450酶氧化途徑產物濃度大于GSH酶催化途徑產物濃度。實驗表明TCE在大鼠體內的代謝也表現出類似的趨勢[28]。TCE在嚙齒動物和人體內具有相似的代謝過程，這說明該模型可以模擬TCE在人體內的分布和代謝過程。

2.2 外暴露和內暴露方法評估TCE職業暴露風險

當該車間職業工人在(39.2±24.4) μg·m-3TCE濃度水平下，暴露8 h·d-1，連續暴露20年時，采用外暴露方法評估致癌風險均值為1.31×10-5，高于可接受的風險閾值1.0×10-6。污染物進入人體后會在不同組織和器官中進行分配，在肝臟等器官中還會存在代謝過程[12]。通過PBPK模型計算進入靶組織的具有致癌活性物質的劑量，可以基于內暴露劑量來評估致癌風險[11]。在本研究監測的濃度水平下，通過PBPK模型預測TCE內暴露濃度計算的致癌風險與基于外暴露濃度計算的風險基本一致(表4)。前人研究表明，TCE的主要代謝產物如肝臟中的TCA和腎臟中的DCVC也具有致癌風險[1,7]。本研究采用PBPK模型預測的TCA和DCVC內暴露濃度分別計算獲得的致癌風險值是基于TCE外暴露濃度風險值的1.73和1.17倍(表4)。考慮到本次調查車間空氣TCE濃度較低(μg·m-3)，本研究選取文獻報道的TCE高暴露水平(119 mg·m-3)來分析暴露水平對風險評價結果的影響[5]。如表4所示，高濃度水平下，基于TCE、TCA和DCVC內暴露的致癌風險是外暴露風險的1.05～1.95倍。以上分析說明TCE的暴露水平對內暴露方法與外暴露方法評價結果存在一定影響，暴露水平越高，內、外暴露的風險評價結果差異越大，這與前人的研究發現一致[20,23]。綜上，評價TCE的人體健康風險非常需要考慮其在人體內的分布和代謝過程。

表1 與組織類型有關的人體PBPK模型生理參數值aTable 1 Physiological parameter values of human PBPK model related to types of tissue a

注：a參數值來自Clewell等[17]的報道，體積分數值和血流量分數值需分別乘以體重0.75和心輸出血量轉換。b變異系數值來自Hack等[9]的報道。c包含于充分關注組織參數值中。

Note:aParameter values from Clewell et al[17], fractional volumes and fractional blood flows scaled by 0.75 power of the body weight and cardiac output, respectively.bThe CV values from Hack et al[9].cValue belongs to QRPT.

表2 肝臟和腸組織中的人體PBPK模型代謝參數值aTable 2 Metabolic parameter values of human PBPK model in liver and gut tissue a

注：a參數值來自Clewell等[17]的報道，代謝速率需乘以體重0.75轉換，動力學常數和排泄常數需乘以體重-0.25轉換。變異系數值除b為79%和c為490%，其余均為200%，變異系數值都來自Hack等[9]的報道。d無參數。TCA表示三氯乙酸，DCA表示二氯乙酸，TCOH表示三氯乙醇，TCOG表示三氯乙醇葡糖苷酸。PO表示比例常數，ku表示排泄常數，kehr表示膽汁排泄常數。

Note:aParameter values from Clewell et al[17]; values of Vmaxscaled by 0.75 power of the body weight; values of kinetics and excretion scaled by -0.25 power of the body weight. The CV values were 200% except forbof 79% andcof 490%, and the CV values from Hack et al[9].dNo parameters. TCA, trichloroacetate; DCA, dichloroacetate; TCOH, trichloroethanol; TCOG, trichloroethanol glucuronide; PO, percent of TCE; ku, urinary excretion; kehr, biliary excretion.

表3 腎臟和支氣管組織中的人體PBPK模型代謝參數值aTable 3 Metabolic parameter values of human PBPK model in kidney and trachea-bronchial tissue a

注：a參數值來自Clewell等[17]的報道，代謝速率需乘以體重0.75轉換，動力學常數需乘以體重-0.25轉換，變異系數值均為200%來自Hack等[9]的報道。b無參數。DCVC表示S-二氯乙烯基-L-半胱氨酸，CHL表示三氯乙醛。

Note:aParameter values from Clewell et al[17]; values of Vmaxand kinetics scaled by 0.75 power of and -0.25 power of the body weight, respectively. All the CV values were 200% and from Hack et al[9].bNo parameters. DCVC, S-(1,2-dichlorovinyl)-L-cysteine; CHL, chloral.

圖2 人體PBPK模型預測組織中TCE(a)及代謝產物(b)的濃度分布注：VB表示靜脈血，AB表示動脈血。Fig. 2 Levels of TCE (a) and its metabolites levels (b) in tissues predicted by human PBPK modelNote: VB, venous blood; AB, arterial blood.

2.3 模型參數對預測TCE及代謝產物濃度的影響

為了考察不同模型參數對PBPK模型輸出結果的影響[25]，本研究進行了模型敏感性分析。由于DCVC與腎癌存在關系，且DCVC的生成主要在肝臟和腎臟中進行[7]，以模型預測的體內DCVC最大濃度、肝臟和充分灌注室(包括腎臟)中TCE最大濃度為輸出結果考察敏感性。根據前人的研究[26]，基于敏感性系數(SC)可將三氯乙烯的人體PBPK模型參數分為低敏感(0 < |SC|≤ 0.5)、中敏感(0.5 < |SC| ≤ 1)和高敏感(|SC| > 1)。模擬條件為職業工人在該企業車間空氣TCE監測水平下工作8 h，模擬24 h。本研究得到具有中敏感性和高敏感性的參數如表5所示。模型預測結果對心輸出血流量(QC)和充分灌注室血流量(QRPT)具有高敏感性，這與血流量對于TCE及代謝產物在不同組織中的輸送和分配具有重要影響有關[29]。模型預測結果對DCVC生成常數(KF)、腎臟體積(VKidney)、肝臟體積(VLiver)以及肝臟/血液分配系數(PLiver)等具有中敏感性，這可能與TCE由血液進入主要代謝器官肝臟后代謝為DCVG，DCVG再進入腎臟代謝為DCVC有關[12]。

表4 基于PBPK模型預測的TCE及代謝產物組織內暴露致癌風險值Table 4 Cancer risks of internal tissue levels of TCE and its metabolites based on PBPK model

注：a基于組織最大濃度5%～95%分位數的均值。b空氣濃度為39.2 μg·m-3。c空氣濃度為119 mg·m-3。

Note:aBased on mean value of 5thto 95thpercentile maximal tissue concentration.bAir level of 39.2 μg·m-3.cAir level of 119 mg·m-3.

表5 TCE及代謝產物人體PBPK模型的中敏感性和高敏感性系數Table 5 Medium and high sensitivity coefficients in human PBPK model for TCE and its metabolites

注：QC表示心輸出血流量，QTissue表示組織血流量，QP表示肺換氣流量，BW表示體重。

Note: QC, cardiac output; QTissue, blood flow to tissue; QP, pulmonary ventilation; BW, body weight.

由于人體生理參數和代謝參數在個體層面存在較大的變異[9,25]，這些參數的變化會影響PBPK模型輸出結果。本研究基于表1～3中各參數的變異性，以體內TCE及代謝產物的最大濃度為輸出結果，采用Monte Carlo方法對PBPK模型的不確定性進行了分析。在本研究監測的TCE濃度水平下，以肝臟中TCE濃度和組織DCVC濃度為例，結果表明，10萬次Monte Carlo模擬時其最大濃度值趨于收斂，說明模型輸出結果趨于穩定。CTCE-Liver對應的5%、50%和95%分位數分別為8.31×10-5、2.85×10-4和8.07×10-4mg·L-1；CDCVC對應的5%、50%和95%分位數分別為1.85×10-8、1.10×10-7和6.25×10-7mg·L-1。不確定性分析表明，模型參數變化會顯著地影響PBPK模型的輸出結果，但輸出結果差異一般小于1個數量級，處于模型預測的可接受水平。

采用吸附管采樣-熱脫附/氣相色譜-質譜法測定了某企業車間生產工況下TCE濃度，為(39.2±24.4) μg·m-3。PBPK模型預測表明，工人暴露8 h后TCE在不同組織中的最大濃度呈現出脂肪>腸>充分灌注室>支氣管>非充分灌注室>肝臟>靜脈血>動脈血的趨勢。體內會生成多種與致癌有關的代謝產物，最大濃度表現為TCA > DCA > CHL > DCVC。基于TCE、TCA和DCVC內暴露濃度與TCE外暴露濃度計算的致癌風險評價結果存在顯著差異。敏感性分析表明血流量參數對模型輸出結果有重要影響，不確定性分析表明模型參數變化會顯著地影響PBPK模型輸出結果，但變異在可接受水平。TCE的人體健康風險評價需要考慮其在體內的分布和代謝過程。