基于生理药动学模型预测玉米赤霉烯酮在猪组织中的浓度

杨 帆，杨 芳，王国永，赵振升，孔 涛

（河南科技大学动物科技学院，河南 洛阳 471003）

玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEA）是一种由镰孢菌属真菌产生的毒素，具有雌激素样效应[1]，猪对该效应最为敏感。除雌激素效应外，ZEA的毒性还归因于其合成代谢活性[2]：ZEA能够引发动物真菌毒素中毒，影响内脏器官发育[3-4]，导致动物消化功能紊乱[5]。动物采食被ZEA污染的谷物或饲料后，ZEA会残留在动物组织中，严重威胁食品安全。因此预测ZEA在动物体内的残留浓度，意义重大。生理药动学（Physiologically Based Pharmacokinetics，PBPK）模型是一种模拟机体循环系统的血液流向，将各器官或组织连接起来而建立的整体模型[6]，可用于预测兽药或外源物质在动物各组织中的浓度。本研究建立了ZEA在猪体内的PBPK模型，预测了经口暴露后ZEA在猪各组织中的浓度，为保证动物性食品安全提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料 模型中涉及到的猪的生理学和解剖学参数（Q和V）均来自于文献[7]，本试验中猪的体重（bodyweight，bw）为70 kg，猪的心脏全血输出量（CO）为12 L/kg·h，以下式换算成血浆输出量（Qtot）：Qtot=CO×bw0.74×(1-pcv)，其中pcv为红细胞压积，数值为0.33。ZEA在猪各组织中的组织-血浆分配系数（P）外推自Shin等[8]的报道。本试验利用acslXtreme软件（AEgis Technologies公司；Version 3.0），以代码形式建立此PBPK模型。

1.2 方法

1.2.1 整体模型与循环血流图设计 经口暴露后，ZEA在猪体内吸收迅速，生物利用度（F）高达80%～85%，且存在肝肠循环现象[9]。Kuiper-Goodman等[10]的研究则表明ZEA易分布于脂肪组织。ZEA的主要代谢途径包括两步还原反应：ZEA首先会被还原为α-或β-玉米赤霉烯醇，后者可进一步被还原为α-或β-右环十四酮酚；肝脏是这两步代谢反应发生的主要器官[11]。除经肝脏代谢消除外，剩余小部分ZEA会以原型经胆汁排泄，并存在肝肠循环[5]。基于以上资料，本着删繁就简原则，本文建立了一个包含14个房室模块在内的PBPK模型（图1）。

本模型中，ZEA经口暴露后迅速到达胃部，并在胃排空（速率常数为Kst）作用下到达小肠，小肠中85%（生物利用度=85%）的ZEA经门静脉进入肝脏被吸收（速率常速为KA），之后在肝脏中大部分会以代谢形式清除（清除率为Cl），小部分则随着胆汁回到小肠，并被重吸收（速率常数为Kra），完成肝肠循环过程，而小肠内未被吸收部分（剩余15%）则随排泄物一起排出体外（速率为Kgut）。同时，ZEA也会在血液循环的作用下，分布到其他的各组织和器官中。本模型中，胃是药物暴露模块，为模型提供剂量来源；肝脏为药物清除模块，且其内药物代谢假定符合线性过程。

1.2.2 微分方程组的书写 参照我们之前建立的氟苯尼考在鲫鱼体内的PBPK模型[12]，按照质量平衡原理书写代表各组织中ZEA浓度或质量随时间变化的微分方程组。微分方程组的书写基于以下两条基本假设[13]：（1）ZEA在各组织中的分布速度和程度取决于该组织的血流速率常数，即该模型为血流限速型；（2）ZEA从毛细血管到组织细胞的转运瞬间即达平衡，此平衡取决于ZEA在组织-血浆中的分配行为。

1.2.3 模型参数 本研究所建PBPK模型包含了大多数组织器官，涉及到众多参数，其中Q、V和P均来源于文献报道[7-8]，生物利用度（F，85%）和经口染毒后ZEA的Ka（9.3 h-1）则分别来源于Biehl等[9]和Ramos等[14]的报道。因ZEA主要通过肝脏代谢和胆汁排泄清除，因此利用Danicke等[15]报道的体内清除率（48 mL/min·kg）来模拟ZEA的消除。另外模型中涉及到的肝肠循环过程中的3个参数（Kra、Kbile和Kga）、ZEA在代表其他所有组织隔室中的组织-血浆分配系数（Prest）及Kst则利用Danicke等[15]报道的浓度数据，在acslXtreme软件中通过参数优化获得。

1.2.4 PBPK模型的建立 本文利用acsl语言建立代码型PBPK模型，即在acslXtreme软件中首先定义外源物质暴露方案参数、体重及模型中其他各个变量（Q、V、P及各速率常数等），并对这些参数进行赋值；之后以acsl语言对1.2.2部分的微分方程组进行编译，并进行导数处理；此外还要定义模型运行参数，如步长、通信间隔、采样时间、计算机算法等。

1.2.5 预测ZEA在猪各组织中的浓度 模型建立成功后，可以通过更改ZEA暴露剂量和时间，轻松预测ZEA在猪各组织中的浓度。本文预测了猪经口多次（1 mg/d，连续7 d）染毒后，ZEA在各组织中的浓度。

2 结果

2.1 模型参数 猪的解剖学和生理学参数已有详细报道[7]，而参数P则主要与化合物本身的物理化学性质（主要是脂水分配系数）和组织的成分构成有关，而不同种属哺乳动物间各组织在成分构成上差别不大，因此在PBPK模型中一般假定同一化合物在不同种属动物间的P是近似相等的，这也是PBPK模型种属间外推的基础。因此，本文选取了已报道的ZEA在大鼠各组织中的P[8]建立模型。Prest及另5个速率常数（Kra、Kbile、Kga、Kst、Kgut）则通过参数优化获得，其数值分别为2.78（无单位）、1.24、3.31、1.56、3.41h-1和0.21h-1。

2.2 浓度预测 猪经口多次（1mg/d，连续7 d）染毒后，各组织和血浆中ZEA的浓度见图2。从图2可见，ZEA首次暴露后，吸收迅速，血浆中浓度迅速达到峰值，此外，脾脏、胃、肾脏、心脏和脑中浓度也迅速达峰，但这些组织中药物消除也较快；而在脂肪和小肠中，ZEA最高浓度要低于肝脏和肾脏等，但其内ZEA消除缓慢。另外，从图2可以看出，连续暴露的7 d时间里，小肠和脂肪中的药物浓度均较前一天有所增加，说明ZEA在小肠和脂肪中存在较明显的蓄积作用。

3 讨论

目前有关ZEA的研究主要以毒性和代谢为主，其在动物体内的药动学和残留消除的研究报道很少，这主要是因为试验中毒素暴露剂量较难控制，剂量过高易造成动物中毒死亡，剂量过低又难以对组织中的毒素浓度进行定量。家畜中，猪对ZEA最为敏感，已有的研究显示ZEA经口暴露后，能够迅速且较完全地被猪吸收[9-14]，并在肝脏中发生代谢[15]，此外还存在部分胆汁排泄和肝肠循环[9]，ZEA在猪体内分布广泛[15]，并富集在生殖器官和脂肪组织中[11]。本研究结合以上事实，建立了一个PBPK模型，模型中包含了主要的可食性组织（肌肉、脂肪）、ZEA的主要代谢和排泄器官及ZEA的暴露途径等。但因未检索到猪生殖器官（睾丸和卵巢）的质量和血流速率常数，因此本模型中未涉及到ZEA的毒性靶组织，也不能对雌雄动物分别进行预测，这是该模型的一个不足之处。

在肝脏中，ZEA首先会被还原为α-或β-玉米赤霉烯醇，后者可进一步被还原为α-或β-右环十四酮酚。因无法直接获得ZEA在猪体外或体内的代谢速率数据，且已有的经口暴露后ZEA的代谢物在猪组织或血浆中的浓度数据也极其稀少，无法利用参数优化的方法间接获得这些代谢速率，所以本模型未对ZEA的代谢物浓度进行预测。

在猪体内ZEA以游离型和结合型两种形式存在，并处于动态变化过程中。本文因未获得ZEA的血浆蛋白结合率及葡萄糖醛酸结合率等参数，所以未将游离型和结合型ZEA进行区分，因此预测得到的浓度值是游离型和结合型ZEA的总和。

本文中使用的猪的生理学和解剖学参数均来源于健康动物[7]，而ZEA会引起猪的脏器损伤，影响肝细胞功能[4]，干扰血液及生物化学参数[16]。即ZEA暴露后，会对动物的多个组织器官产生影响，各组织质量、血流量等参数均可能发生改变，因此如果能够确定这些参数的改变量，并利用实际参数值建立模型的话，模型预测精度可能会有所提高。

本试验所建模型预测结果显示，ZEA在脂肪和小肠中消除较慢，这与已有的文献报道[10]一致。猪经口连续染毒过程中，每天各组织中ZEA的浓度值均有所升高，其中以脂肪和小肠的升高幅度最为明显，提示ZEA在猪脂肪和小肠组织中可能存在较严重的蓄积效应。

本试验通过文献检索获得了模型的必须参数，以ZEA在猪体内的处置特点为依据，建立了一个包含14个隔室的PBPK模型，并利用所建模型预测了ZEA多次暴露后在猪各组织中的浓度，为动物组织中ZEA浓度监控提供了一定指导。

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