PBPK模型在苯并[α]芘健康風險評估中的應用探討

王宏洋，孟祥暉,2，孫宇巍，張明慧，王 旭，朱光燦

1. 中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

2. 東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096

3. 北京市密云區生態環境局，北京 101500

20世紀以來，工業化進程不斷加快，越來越多的污染物進入環境中，相應的健康危害也引起了廣泛關注，如何量化污染物帶來的人體健康風險成為環境健康領域的重要課題. 1983年美國環境保護局(U.S. Environmental Protection Agency, US EPA)率先建立健康風險評估框架，主要包括4個步驟，即危害識別、劑量反應評估、暴露評估和風險表征，一直被沿用至今. US EPA健康風險評估框架是基于外暴露濃度開展的，但是由于人體尿液、血液或體內其他部位的劑量水平更能直接反映細胞、組織或器官直接接觸污染物的情況，所以基于內暴露的健康風險評估結果將更科學、準確，是未來健康風險評估的一個發展方向. PBPK模型是一種預測污染物在生物體內部劑量的數學模型，模擬化合物在生物體內的吸收、分布、代謝和排泄等過程連接外部暴露和內部劑量，近年來在健康風險評估中應用廣泛. 許多學者基于PBPK模型，預測人體內部劑量水平，通過正向劑量學或反向劑量學將外暴露和內暴露聯系起來，另外作為種間外推工具，將不同物種的PBPK模型進行對比，可以量化物種間的代謝動力學差異.

多環芳烴作為一類持久性有機污染物，可以通過多個途徑進入人體，其中BaP是公認致癌性最強的多環芳烴之一，研究可以追溯到20世紀30年代.BaP廣泛存在于烘烤食物、土壤和街道空氣等環境中，具有污染分布廣、持續時間長和危害作用大等特點. 作為大分子化合物，BaP進入體內后極少部分以母體化合物形式隨糞便排出，其余在各種酶作用下分解為數十種代謝產物. 3-羥基苯并[α]芘〔3-Hydroxybenzo[a]pyrene, 3-OHBaP〕是BaP在體內進行氧化反應的最終產物，研究表明，該反應是減毒過程，只有少數文獻報道3-OHBaP對大鼠胚胎具有發育毒性效應. 盡管3-OHBaP毒性作用小且研究較少，但相比于其他代謝產物，它具有含量高、化學性質穩定、易檢測等優勢，已經成為了應用最廣泛的BaP內暴露生物標志物.

該文首先概述了BaP對不同生物的毒性危害，總結了BaP的PBPK模型研究進展，介紹了在動物PBPK模型的基礎上逐步建立完善人體PBPK模型的研究過程，指明模型還存在可靠性低等問題；之后結合其他污染物的PBPK模型應用案例，深入探討PBPK模型在BaP健康風險評估中的應用，分析了BaP的PBPK模型不確定性的來源，并提出了解決方法；最后，在此基礎上提出了展望，以便于建立更為完善、科學的BaP健康風險評估方法.

1 BaP的危害

BaP作為一種強致癌物，會對環境中的各種生物造成不同程度的毒性效應. 一般污染物健康危害的研究方法有三類：流行病學調查、動物試驗和體外試驗. 依據流行病學調查統計，BaP通過皮膚、呼吸道、消化道等進入人體，可以誘發多種癌癥，職業工人接觸高劑量BaP還有較高的泌尿系統組織癌變風險. 動物試驗表明，BaP會導致魚類肝臟細胞和腮細胞均出現不同程度的DNA斷裂，還會影響大鼠的性激素分泌和子宮胎兒發育. 另外，還有對小鼠、大鼠和人體細胞的體外試驗也證明了BaP具有生殖、免疫和心血管等毒性，并激活T細胞的有絲分裂過程和誘導人體臍靜脈上皮細胞產生氧化應激效應. 依據BaP健康危害的系統研究結果，國際癌癥研究機構將其歸類為1類人類致癌物.

2 BaP的PBPK模型研究進展及應用探討

2.1 BaP的PBPK模型研究現狀

PBPK模型(在毒理學領域稱PBTK模型)是一種計算目標組織內部劑量的數學模型，該模型將生物體內組織和器官以房室的形式表示，利用血液循環連接起來，最后基于質量平衡關系建立微分方程組來預測血液和房室中化合物的濃度-時間曲線. 多環芳烴PBPK模型研究經歷了長時間的探索. 由于大分子化合物的體內代謝過程復雜，所以首先建立了低環的多環芳烴(如萘等)模型，隨后逐步完善了BaP這種五環化合物的PBPK模型. 多環芳烴的PBPK模型結構示例如圖1所示.

圖1 PBPK模型結構示例[34]Fig.1 Example of PBPK model structure[34]

首先是小鼠和大鼠的PBPK模型在動物藥代動力學數據支撐下被建立起來. Crowll等建立的小鼠、大鼠PBPK模型可以較好地模擬BaP在肝臟的濃度峰值，但肝臟的分配和消除模擬結果與試驗數據有所偏差. 另外，一項肺部巨噬細胞體外試驗與PBTK模型相結合，分析了IL-1β和NCF1基因表達結果，研究表明BaP在肺部代謝相當微弱，所以之后的研究均考慮將肝臟作為唯一的代謝器官.Heredia等建立了BaP和代謝物3-OHBaP的大鼠PBPK模型，以大鼠試驗數據為基礎研究BaP和3-OHBaP在大鼠體內的代謝動力學，結果表明，BaP和3-OHBaP消除率是模型最敏感的參數. BaP動物PBPK模型的一系列研究確立了模型的主體房室結構，將3-OHBaP的藥代動力學過程納入模型中，為建立人體PBPK模型奠定了基礎.

在動物模型基礎上，逐步建立了人體BaP與3-OHBaP的PBPK模型. 由于BaP和3-OHBaP的人體代謝動力學數據缺失，Heredia等在大鼠模型的基礎上，將大鼠代謝參數進行異速縮放外推，估算得到了人體代謝參數并使用人體生物監測數據對模型進行評價；Campbell等基于PBPK模型模擬了大鼠和人體吸入BaP的體內代謝消除過程，并考慮了顆粒固體在呼吸道的沉積過程以及BaP吸附相的分離過程，該研究對BaP吸入暴露的人體肺部劑量學研究具有重要的意義. 隨后兩項研究利用人體的肝微粒對BaP及其代謝物的代謝速率進行了體外試驗，以期研究解決人體代謝動力學數據缺失的問題.Crowell等對BaP在大鼠、小鼠和人體的飽和動力學參數、親和常數和內在清除率進行了測定，結果表明，BaP消除率在雌性小鼠中最高，在成人女性中最低；Smith等進行了BaP二醇代謝物體外代謝試驗，發現大鼠和人類BaP二醇代謝物的代謝速度分別是BaP的2.5和1.8倍.

綜上，結合動物試驗，多項研究系統分析了BaP在大鼠和小鼠體內的藥代動力學過程，為BaP人體模型的建立奠定了基礎. 但是，目前人體PBPK模型中的BaP及其代謝物的代謝機制尚未完全明確，只考慮了3-OHBaP這一種代謝物，同時BaP和3-OHBaP相關的代謝參數可靠性不高，最新人體體外試驗數據也未納入模型之中，未來還需進一步開發更為準確可靠的人體PBPK模型.

2.2 PBPK模型在BaP健康風險評估中的應用探討

PBPK模型在BaP內暴露健康風險中的應用探討

傳統健康風險評估體系以污染物的外部暴露濃度作為風險估算的依據，但人體細胞、器官和組織直接接觸的是污染物或代謝產物體內劑量水平，所以近年來有人提出基于PBPK模型和人體生物監測數據進行內暴露健康風險評估是更為科學的論點.

3-OHBaP是BaP體內氧化反應的最終產物，常常在生物監測中作為生物標志物來表征BaP通過多個途徑暴露的累積情況. 但3-OHBaP劑量水平較低，考慮到檢測技術的限制，目前只用來評估職業暴露人群接觸BaP的情況，最近開發了新的檢測技術可以極大地降低3-OHBaP的檢出限，使其未來可應用于普通人群的健康風險評估，將更具有普適性. 普通人群和職業人群尿液中3-OHBaP的研究結果如表1所示.

表1 BaP內暴露監測研究案例Table 1 Case study of BaP internal exposure monitoring

PBPK模型在闡明內暴露監測結果及補充完善污染物在人體內的代謝過程方面也具有明顯優勢. 例如，已有研究發現，3-OHBaP具有延遲排泄現象，職業人群監測結果表明，下班后12～24 h內出現3-OHBaP排泄峰值. 基于PBPK模型，推斷3-OHBaP延遲排泄可能與其在腎臟的緩慢代謝過程和膀胱內的相互作用有關. 這一研究成果逐漸被Lutier等證實，即3-OHBaP的腎臟排泄機制復雜，在腎小管內歷經重吸收等過程. 另外，由于人體PBPK模型參數和代謝動力學數據大多來源于動物試驗，具有較高的不確定性，人體尿液3-OHBaP實測數據則可用于模型校正和評價，最近一項研究使用了職業工人的尿液3-OHBaP監測數據對PBPK模型進行了評價，結果顯示模型擬合效果較好.

綜上，PBPK模型在BaP及多環芳烴內暴露健康風險評估中主要用于解釋尿液3-OHBaP排泄動力學層面，初步探索構建人體PBPK模型模擬尿液3-OHBaP濃度. 此外，PBPK模型作為連接外暴露與內暴露的工具，能夠將外暴露基準值轉化為內暴露的基準值，并基于生物監測數據估算內暴露健康風險.例如，Pletz等基于PBPK模型和外部暴露參考值推導了鄰苯二甲酸鹽和苯酚的尿液濃度閾值，并結合人群生物監測數據估算健康風險值；還有多項研究將PBPK模型應用于組織器官(如肝、腎等)暴露于三氯乙烯、鹵代乙腈、銅、鋅等污染物的健康風險估算，提供了PBPK模型應用于內暴露健康風險的實踐案例. 未來亟需系統深入探討PBPK模型在BaP內暴露健康風險評估中的應用實踐方法.

PBPK模型在BaP外暴露健康風險中的應用探討

依據美國EPA健康風險評估體系，劑量反應評估(即污染物暴露后劑量和反應之間的定量分析)可以獲得非致癌基準值、致癌斜率因子和致癌單位風險等特征參數，是風險表征的基礎. 由于PBPK模型量化了污染物在動物與人體的藥代動力學差異，可以降低從動物健康劑量水平外推至人體基準值的不確定性，所以許多研究將PBPK模型應用于劑量反應評估環節并用于推導人體健康基準值.

種間外推

美國EPA依據經驗模型計算了BaP非致癌安全基準值和致癌斜率因子，為風險表征奠定了基礎.如表2所示，以BaP致癌毒性研究為例，闡述了不同暴露途徑的BaP劑量反應評估結果，但由于缺乏基于生理學和毒理學上的BaP外推劑量模型，導致在動物到人體的外推過程只能借助于基準劑量法、線性外推法和粗略經驗公式. 這些公式是依據經驗方法和參數，未充分考慮物種間生理代謝差異等問題，具有較高的不確定性.

表2 BaP的致癌毒性動物試驗研究Table 2 Animal experimental studies of BaP on carcinogenic toxicity

PBPK模型依據不同物種的生理特異性參數，量化了污染物在物種間生理代謝差異，所以該模型應用于種間外推具有一定優勢，目前基于PBPK模型進行種間外推、并估算化學品人體基準值的應用已有較多報道. Chou等對全氟辛烷磺酸的多物種PBPK模型進行了校準，將大鼠和人體PBPK模型估算得到平均血清濃度的比值作為外推常數，結合大鼠基準值估算了人體等效劑量，為推導全氟辛烷磺酸的非致癌參考劑量(Reference Dose，RfD)提供了科學依據.Sax等基于PBPK模型進行種間外推，應用于氯丁二烯的劑量反應評估中，研究表明，經過模型調整后的致癌吸入單位風險比EPA推薦值低兩個數量級；同時，對比人群腫瘤發生率的調查結果，發現調整后的值更具有準確性. 未來亟需將結合BaP體外試驗數據校準優化PBPK模型，基于可靠PBPK模型估算種間差異，并探索更新BaP非致癌參考劑量和致癌斜率因子的計算方法.

體外到體內的外推

劑量反應評估一般是基于動物毒性試驗獲得無明顯毒害作用水平劑量并外推至人體，但動物試驗存在耗時耗力、毒性機制不明確和需要倫理審核等問題，體外細胞試驗可解決這些問題. 但細胞試驗直接接觸的污染物量如何和體內暴露劑量聯系起來對于基于體外細胞試驗結果推導人體健康基準值是一大難題，21世紀以來許多學者探索基于體外細胞毒理學估算人群健康安全基準值. 最近的研究開展了基于PBPK模型的體外到體內外推，利用劑量反應模型計算人體健康基準值. 該方法是基于PBPK模型的反向劑量學，結合體外細胞毒性試驗的劑量反應關系，估算細胞試驗的無明顯毒害作用水平對應的人體外暴露濃度即為人體健康基準值.

目前，已有學者嘗試應用該方法推導污染物的人體健康基準值. Mcnally等結合乙二醇單乙醚及其代謝物甲氧基乙酸的大鼠細胞體外試驗，提出了利用PBPK模型將動物細胞試驗數據轉化為體內劑量反應數據的方法框架，最后提出該方法也可類推至人體. 另外，兩項研究分別探索了對全氟辛酸和全氟辛烷磺酸的體外到體內定量外推方法，基于PBPK模型估算了人體等效劑量(human equivalent dose，HED)和參考劑量(reference dose，RfD)，并綜合多個毒性作用終點估算了健康基準值的置信區間. 建議在已有研究的基礎上，進一步分析BaP及其代謝物的細胞毒性作用終點及機理機制，結合PBPK模型和BaP體外細胞毒性試驗開展體外到體內的外推應用研究.

3 BaP的PBPK模型不確定性探討

PBPK模型作為一個基于生理學的復雜多參數模型，如何有效地降低其在使用過程中的不確定性是重點研究課題之一.

a) 模型結構. PBPK模型房室結構的選擇是基于污染物在生物體內的吸收、分布、代謝和排泄過程.由于BaP體內代謝過程復雜，代謝產物眾多，所以最初BaP的小鼠和大鼠PBPK模型沒有考慮子代謝物在體內的循環和代謝. 之后3-OHBaP的藥代動力學研究和生物監測試驗推動了模型的發展，但是還未考慮其他有毒代謝物，是否存在其他重要活性代謝產物對于完善BaP的PBPK模型需要進一步研究探索.

b) 模型參數. PBPK模型涉及大量參數，包括生物的生理生化參數、目標物質的物化參數和代謝動力學參數等. 參數準確性對于模型結果尤為重要，在BaP的動物和人體模型中，動物模型參數大多來自試驗，但是人體模型中BaP和3-OHBaP的代謝參數僅僅依靠大鼠參數進行異速縮放，具有較高的不確定. 此外，最近的人體PBPK模型研究雖然考慮了生理參數的年齡段差異，但是不同年齡的人群對BaP代謝和排泄過程也有一定差別，這項研究未考慮代謝和排泄動力學參數的種內差異性，還需進一步完善，降低模型參數的不確定性.

c) 個體差異. 該模型在建立過程中針對的是某一生物種群，但實際運用可能未考慮種內差異，如性別和年齡分布等. Deng等的人體PBPK模型分析了不同年齡對BaP和3-OHBaP體內藥代動力學過程的影響，但未考慮老年人、不同性別人群的種內差異，未來進一步完善的同時還需基于可靠試驗數據進行驗證.

針對提高PBPK模型的精確性，還需進一步研究BaP及主要代謝物在生物體內的吸收、分布、代謝和排泄過程，并通過體外試驗等獲取重要參數值. 另外，在缺乏可靠參數時，美國EPA推薦使用基于貝葉斯推斷的馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法來對參數進行較為準確地估計，該方法依據實測數據不僅可以校準后驗參數分布，還能基于置信區間來降低不確定性.

4 展望

a) 探索PBPK模型應用于BaP健康風險評估的方法體系. 關于BaP的人體PBPK模型研究較多，但還存在著人體代謝參數是基于動物試驗外推等問題，其模型可靠程度還有待提高. 此外，由于BaP的PBPK模型發展得較晚，目前還沒有研究將PBPK模型應用于BaP的健康風險評估中. 所以亟需結合最近BaP代謝相關研究結果，特別是最新的人體BaP代謝動力學數據，建立可靠的PBPK模型，并探索模型應用于BaP健康風險評估的方法體系.

b) 探索可靠性更高的BaP健康風險評估概率模型. BaP的PBPK模型雖然作為一種更為科學的外推方法，在一定程度上降低了健康風險評估的不確定性，但模型本身結構復雜、參數眾多，并可能存在毒理學資料缺失等問題. 所以即使將PBPK模型方法更多地應用于BaP健康風險評估，最終結果依然是唯一的風險值，不確定性較大. 但是，基于風險評估概率模型的健康風險評估結果是一個風險概率分布，降低了風險評估過程的不確定性. 所以，未來亟需探索建立BaP健康風險評估概率模型方法，提高風險評估結果的可靠程度.

c) 開展BaP的生物標志物用于人體健康風險評估可行性研究. 目前已有研究將3-OHBaP作為BaP的生物標志物應用于評估人群接觸BaP的特征分析，但其對人體毒性效應較低，還需評估使用其他毒性更強的重要代謝產物作為BaP生物標志物的可行性.此外，職業人群和普通人群往往暴露于多種多環芳烴的環境中，3-OHBaP是否可以作為生物標志物用于評估該情景下造成的人體健康風險還有待探討. 亟需科學篩選BaP人體健康風險評估的生物標志物，明確該生物標志物用于評估BaP以及多環芳烴的人體健康風險評估方法.