基于PBPK模型评价三氯乙烯的职业暴露健康风险

刘远，王中钰，陈景文，乔显亮

大连理工大学环境学院，工业生态与环境工程教育部重点实验室，大连116024

三氯乙烯(TCE)作为脱脂剂和清洗剂被广泛应用于五金、电镀和电子等行业[1]。2012年TCE在中国的总产量约57万t[2]。由于被大量长期使用，TCE成为空气、地下水和食品中常检出的污染物[3]。由于具有很强的挥发性，在使用脱脂剂或清洗剂的电子、五金和电镀等工作场所的空气中，TCE的检出浓度可以达到18～683 mg·m-3[4-5]。TCE的职业暴露会产生过敏综合症[6]和致癌风险[7]。2012年，TCE被美国环保局(US EPA)和国际癌症研究机构列为1类致癌物[7-8]。研究表明，TCE在体内的代谢产物与肺部、肝脏和肾脏肿瘤均存在相关性[1,9]。因此，有必要评估TCE及代谢产物在职业暴露中对人体健康的致癌风险。

传统的人体暴露风险评价一般基于环境中污染物的外暴露水平[10-11]。污染物进入人体后会在不同组织和器官中进行分配，在肝脏等器官中还会存在代谢过程[12]。基于生理学的药代动力学(physiologically based pharmacokinetic, PBPK)模型可以用于模拟预测外源物质在体内的动态分布和代谢过程，已被用于芘[13]、氯仿[14]和尼古丁[15]等物质在人体内的分布、代谢和健康风险研究。本研究采用吸附管采样-热脱附/气相色谱-质谱法分析了大连市某企业车间生产工况下空气中TCE浓度，基于PBPK模型预测了呼吸暴露途径下人体组织中TCE的动态变化、代谢产物生成情况和致癌风险，并对模型结果进行了敏感性和不确定性分析。本研究的发现可以为TCE的职业暴露致癌风险提供参考。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 车间空气中TCE样品采集和分析

基于本课题组建立的工厂车间空气中挥发性有机物的测定方法[16]，于2017年8月份使用吸附管(Tenax, 6 mm×4 mm×200 mm)采样-热脱附/气相色谱-质谱法(Markes Series 2 Unity TD/Agilent 7890A-5975C GCMS)分析了大连市某企业车间生产工况下空气中TCE浓度，将该企业办公区域设置为对照，车间和办公区分别设置3次重复。

1.2 TCE在人体内的代谢产物

根据前人研究，TCE在人体内主要被细胞色素P450酶氧化或者被谷胱甘肽(GSH)转移酶催化代谢[7,12,17]。P450酶氧化主要在肝脏中进行。进入肝脏的TCE被其氧化为三氯乙醛(CHL)；CHL被醇脱氢酶转化为三氯乙醇(TCOH)。TCOH既可被糖酯化生成相应的葡糖苷酸(TCOG)，也可被醛脱氢酶氧化为三氯乙酸(TCA)，还可被还原为二氯乙酸(DCA)。TCOG可通过肝肠循环转化为TCOH，TCA可脱氯转化为DCA。GSH酶催化途径大致为肝脏中大量谷胱甘肽S-转移酶与TCE发生亲核取代生成S-二氯乙烯基-L-谷胱甘肽(DCVG)。DCVG在肾脏中转化为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)排出体外。GSH酶催化途径产生的DCVC对人类肾癌具有重要贡献[7]。CHL、TCA和DCA也具有毒理学效应[1]。

1.3 PBPK模型结构和计算方法

TCE及代谢产物的人体PBPK模型由包含血气交换系统、支气管组织(TBT)、脂肪组织(Fat)、充分灌注室(RPT)、非充分灌注室(PPT)、肠组织(Gut)、肝脏组织(Liver)、动脉血(AB)和静脉血(VB)的生理学腔室组成，其中肾脏包含于RPT(图1)。模型初始参数中TCE血液/空气分配系数(Pb)为9.2，其变异系数为50%[9]。体重(BW)、心输出血流量(QC)和肺换气流量(QP)分别为70 kg、315 L·h-1和436 L·h-1，其变异系数分别为79%、40%和30%[9]。与生理学腔室有关的其他参数及变异情况见表1～3。对于TCE进入人体的吸收、分布、代谢和排泄过程简单表述如下，详细公式见Clewell等[17]的报道。

吸收过程：当空气中TCE浓度为CInh(mg·L-1)时，经血气交换系统后TCE在动脉血中的浓度CAB(mg·L-1)如式(1)所示，

(1)

式中，Pb表示TCE的血液/空气分配系数。

分布过程：TCE在静脉血和各组织静脉血中的浓度CVB(mg·L-1)和CVTissue(mg·L-1)分别如式(2)和(3)所示，其中ATissue(mg)为各组织内目标化合物质量，

(2)

(3)

代谢过程：以TCE在代谢组织中的转化速率RAMTissue(mg·h-1)和肾脏中DCVC的转化为例，其分别如式(4)和(5)所示，

(4)

(5)

式中，MW表示化合物分子量。

排泄过程：以NacDCVC的排泄为例，其如式(6)所示，

(6)

图1 三氯乙烯(TCE)及代谢产物的人体基于生理学的药代动力学(PBPK)模型Fig. 1 Human physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model for trichloroethylene (TCE) and its metabolites

根据质量守恒原理，将描述TCE在人体各组织中药代动力学过程的微分方程联立方程组，车间空气中TCE浓度设为CInh(mg·L-1)，各组织中TCE初始浓度均为零，以1×10-5h为步长，职业工人工作时间为暴露时长(8 h)，模拟24 h。模型参数初始值如表1～3所示，使用Python(3.6)科学计算库SciPy中integrate模块下的odeint函数对方程组进行计算求解，结果得到人体各组织中TCE及代谢产物浓度。其中代谢产物TCA、DCA、TCOH和TCOG对应的体内表观分布体积所占体重的比例分别为0.1、0.1、0.65和0.65，其变异系数均为79%[9]。

1.4 外暴露和内暴露方法评价职业暴露风险

TCE职业工人外暴露致癌风险基于US EPA推荐的吸入风险评估模型和职业暴露参数[10,18]。致癌风险(Risk)如式(7)所示，

Risk=IUR×EC

(7)

式中，IUR为TCE的吸入单位风险4.10×10-6(μg·m-3)-1[19]，EC为职业工人在工作车间内的暴露浓度(μg·m-3)，如式(8)所示：

(8)

式中，CA为空气中TCE浓度(μg·m-3)，ET为暴露时间(8 h·d-1)，EF为暴露频率(250 d·a-1)，ED为持续暴露阶段(20 a)，AT为平均寿命(70 a)。

TCE职业工人的内暴露致癌风险基于PBPK模型预测的最大内暴露浓度与相应的内暴露单位风险的乘积[20,21]。TCE及代谢产物在组织中的内暴露单位风险计算如下，以IURTCE对应的空气浓度(2.44×10-1μg·m-3)[22]做为CInh，模型计算过程如1.3节所述，得到安全阈值下TCE及代谢产物对应的最大内暴露浓度，基于风险阈值1.0×10-6将最大内暴露浓度转换为相应的内暴露单位风险[23]。以肝脏中TCE和组织中TCE代谢产物DCVC为例，最大内暴露浓度分别为1.97 μg·m-3和8.27×10-4μg·m-3；其内暴露单位风险分别为5.08×10-7(μg·m-3)-1和1.21×10-3(μg·m-3)-1。

由于个体间PBPK模型参数存在变异性，模型生理参数值和代谢参数值分别服从正态分布和对数正态分布[9,17]，其范围用变异系数(CV)表示，CV = 100%×标准偏差/均值，如表1～3所示。基于PBPK模型结合Monte Carlo方法可以体现模型参数变化对预测结果的影响，从而可以提高模型预测结果的准确性[24]。预测TCE及代谢产物的内暴露浓度时，利用Monte Carlo方法从PBPK模型参数的概率分布范围(均值±标准偏差)内随机抽取10万次并代入模型，计算过程如1.3节所述，得到TCE及代谢产物对应的最大内暴露浓度。由于PBPK模型参数存在较大的变异性[9,17]，为了降低参数极值对预测结果的影响，选择模型预测的最大内暴露浓度5%～95%分位数的平均值来计算致癌风险。

1.5 模型参数的敏感性分析及不确定性分析

敏感性系数(SC)常用于判断PBPK模型预测结果对模型参数的敏感性[25-26]。SC计算为模型参数初始值θ变化±5%时模型预测结果f(θ)的相对变化程度，如式(9)所示，

(9)

其可分为低敏感(0 < |SC| ≤ 0.5)、中敏感(0.5 < |SC| ≤ 1)和高敏感(|SC| > 1)[26]。Monte Carlo方法常用来评价PBPK模型预测结果的不确定性[24]。以PBPK模型预测肝脏中TCE和组织中TCE代谢产物DCVC的内暴露浓度为例，结合Monte Carlo方法在模型参数的概率分布范围(均值±标准偏差)内随机抽取后代入模型，计算过程如1.3节所述，得到不同参数值下TCE及代谢产物最大内暴露浓度的不确定性范围[17]。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 职业工人体内TCE及代谢产物的动力学模拟

大连市某企业生产工况下车间空气中TCE浓度为(39.2±24.4) μg·m-3，办公区对照点的浓度为(0.08±0.06) μg·m-3。空气中TCE浓度在车间区高于办公区与其作为清洗剂的使用有关。当职业工人在车间内工作8 h后离开，基于PBPK模型模拟24 h内TCE经呼吸暴露在人体内的分布和代谢过程。模拟结果表明TCE及代谢产物在人体组织中的浓度随暴露时间增长逐渐升高。预测的组织中TCE最大浓度呈现出脂肪>肠>充分灌注室>支气管>非充分灌注室>肝脏>静脉血>动脉血的趋势(图2a)。相对于其他组织，TCE易于在脂肪组织中富集，可能与TCE的脂肪/血液分配系数PFat= 73高有关[17]。前人发现芘(PFat= 11.8)[13]和甲基叔丁基醚(PFat= 6.5)[27]等也具有易在脂肪内富集的特征。

模拟结果表明，TCE代谢产物在人体组织中的最大浓度呈现出CTCA> CTCOH> CTCOG> CDCA> CCHL> CDCVC的趋势(图2b)。代谢产物浓度分布与其相应的生成途径有一定关联，表现为P450酶氧化途径产物浓度大于GSH酶催化途径产物浓度。实验表明TCE在大鼠体内的代谢也表现出类似的趋势[28]。TCE在啮齿动物和人体内具有相似的代谢过程，这说明该模型可以模拟TCE在人体内的分布和代谢过程。

2.2 外暴露和内暴露方法评估TCE职业暴露风险

当该车间职业工人在(39.2±24.4) μg·m-3TCE浓度水平下，暴露8 h·d-1，连续暴露20年时，采用外暴露方法评估致癌风险均值为1.31×10-5，高于可接受的风险阈值1.0×10-6。污染物进入人体后会在不同组织和器官中进行分配，在肝脏等器官中还会存在代谢过程[12]。通过PBPK模型计算进入靶组织的具有致癌活性物质的剂量，可以基于内暴露剂量来评估致癌风险[11]。在本研究监测的浓度水平下，通过PBPK模型预测TCE内暴露浓度计算的致癌风险与基于外暴露浓度计算的风险基本一致(表4)。前人研究表明，TCE的主要代谢产物如肝脏中的TCA和肾脏中的DCVC也具有致癌风险[1,7]。本研究采用PBPK模型预测的TCA和DCVC内暴露浓度分别计算获得的致癌风险值是基于TCE外暴露浓度风险值的1.73和1.17倍(表4)。考虑到本次调查车间空气TCE浓度较低(μg·m-3)，本研究选取文献报道的TCE高暴露水平(119 mg·m-3)来分析暴露水平对风险评价结果的影响[5]。如表4所示，高浓度水平下，基于TCE、TCA和DCVC内暴露的致癌风险是外暴露风险的1.05～1.95倍。以上分析说明TCE的暴露水平对内暴露方法与外暴露方法评价结果存在一定影响，暴露水平越高，内、外暴露的风险评价结果差异越大，这与前人的研究发现一致[20,23]。综上，评价TCE的人体健康风险非常需要考虑其在人体内的分布和代谢过程。

表1 与组织类型有关的人体PBPK模型生理参数值aTable 1 Physiological parameter values of human PBPK model related to types of tissue a

注：a参数值来自Clewell等[17]的报道，体积分数值和血流量分数值需分别乘以体重0.75和心输出血量转换。b变异系数值来自Hack等[9]的报道。c包含于充分关注组织参数值中。

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 肝脏和肠组织中的人体PBPK模型代谢参数值aTable 2 Metabolic parameter values of human PBPK model in liver and gut tissue a

注：a参数值来自Clewell等[17]的报道，代谢速率需乘以体重0.75转换，动力学常数和排泄常数需乘以体重-0.25转换。变异系数值除b为79%和c为490%，其余均为200%，变异系数值都来自Hack等[9]的报道。d无参数。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表示比例常数，ku表示排泄常数，kehr表示胆汁排泄常数。

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 肾脏和支气管组织中的人体PBPK模型代谢参数值aTable 3 Metabolic parameter values of human PBPK model in kidney and trachea-bronchial tissue a

注：a参数值来自Clewell等[17]的报道，代谢速率需乘以体重0.75转换，动力学常数需乘以体重-0.25转换，变异系数值均为200%来自Hack等[9]的报道。b无参数。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.

图2 人体PBPK模型预测组织中TCE(a)及代谢产物(b)的浓度分布注：VB表示静脉血，AB表示动脉血。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 模型参数对预测TCE及代谢产物浓度的影响

为了考察不同模型参数对PBPK模型输出结果的影响[25]，本研究进行了模型敏感性分析。由于DCVC与肾癌存在关系，且DCVC的生成主要在肝脏和肾脏中进行[7]，以模型预测的体内DCVC最大浓度、肝脏和充分灌注室(包括肾脏)中TCE最大浓度为输出结果考察敏感性。根据前人的研究[26]，基于敏感性系数(SC)可将三氯乙烯的人体PBPK模型参数分为低敏感(0 < |SC|≤ 0.5)、中敏感(0.5 < |SC| ≤ 1)和高敏感(|SC| > 1)。模拟条件为职业工人在该企业车间空气TCE监测水平下工作8 h，模拟24 h。本研究得到具有中敏感性和高敏感性的参数如表5所示。模型预测结果对心输出血流量(QC)和充分灌注室血流量(QRPT)具有高敏感性，这与血流量对于TCE及代谢产物在不同组织中的输送和分配具有重要影响有关[29]。模型预测结果对DCVC生成常数(KF)、肾脏体积(VKidney)、肝脏体积(VLiver)以及肝脏/血液分配系数(PLiver)等具有中敏感性，这可能与TCE由血液进入主要代谢器官肝脏后代谢为DCVG，DCVG再进入肾脏代谢为DCVC有关[12]。

表4 基于PBPK模型预测的TCE及代谢产物组织内暴露致癌风险值Table 4 Cancer risks of internal tissue levels of TCE and its metabolites based on PBPK model

注：a基于组织最大浓度5%～95%分位数的均值。b空气浓度为39.2 μg·m-3。c空气浓度为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及代谢产物人体PBPK模型的中敏感性和高敏感性系数Table 5 Medium and high sensitivity coefficients in human PBPK model for TCE and its metabolites

注：QC表示心输出血流量，QTissue表示组织血流量，QP表示肺换气流量，BW表示体重。

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

由于人体生理参数和代谢参数在个体层面存在较大的变异[9,25]，这些参数的变化会影响PBPK模型输出结果。本研究基于表1～3中各参数的变异性，以体内TCE及代谢产物的最大浓度为输出结果，采用Monte Carlo方法对PBPK模型的不确定性进行了分析。在本研究监测的TCE浓度水平下，以肝脏中TCE浓度和组织DCVC浓度为例，结果表明，10万次Monte Carlo模拟时其最大浓度值趋于收敛，说明模型输出结果趋于稳定。CTCE-Liver对应的5%、50%和95%分位数分别为8.31×10-5、2.85×10-4和8.07×10-4mg·L-1；CDCVC对应的5%、50%和95%分位数分别为1.85×10-8、1.10×10-7和6.25×10-7mg·L-1。不确定性分析表明，模型参数变化会显著地影响PBPK模型的输出结果，但输出结果差异一般小于1个数量级，处于模型预测的可接受水平。

采用吸附管采样-热脱附/气相色谱-质谱法测定了某企业车间生产工况下TCE浓度，为(39.2±24.4) μg·m-3。PBPK模型预测表明，工人暴露8 h后TCE在不同组织中的最大浓度呈现出脂肪>肠>充分灌注室>支气管>非充分灌注室>肝脏>静脉血>动脉血的趋势。体内会生成多种与致癌有关的代谢产物，最大浓度表现为TCA > DCA > CHL > DCVC。基于TCE、TCA和DCVC内暴露浓度与TCE外暴露浓度计算的致癌风险评价结果存在显著差异。敏感性分析表明血流量参数对模型输出结果有重要影响，不确定性分析表明模型参数变化会显著地影响PBPK模型输出结果，但变异在可接受水平。TCE的人体健康风险评价需要考虑其在体内的分布和代谢过程。