PBPK模型在苯并[α]芘健康风险评估中的应用探讨

王宏洋，孟祥晖,2，孙宇巍，张明慧，王 旭，朱光灿

1. 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2. 东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096

3. 北京市密云区生态环境局，北京 101500

20世纪以来，工业化进程不断加快，越来越多的污染物进入环境中，相应的健康危害也引起了广泛关注，如何量化污染物带来的人体健康风险成为环境健康领域的重要课题. 1983年美国环境保护局(U.S. Environmental Protection Agency, US EPA)率先建立健康风险评估框架，主要包括4个步骤，即危害识别、剂量反应评估、暴露评估和风险表征，一直被沿用至今. US EPA健康风险评估框架是基于外暴露浓度开展的，但是由于人体尿液、血液或体内其他部位的剂量水平更能直接反映细胞、组织或器官直接接触污染物的情况，所以基于内暴露的健康风险评估结果将更科学、准确，是未来健康风险评估的一个发展方向. PBPK模型是一种预测污染物在生物体内部剂量的数学模型，模拟化合物在生物体内的吸收、分布、代谢和排泄等过程连接外部暴露和内部剂量，近年来在健康风险评估中应用广泛. 许多学者基于PBPK模型，预测人体内部剂量水平，通过正向剂量学或反向剂量学将外暴露和内暴露联系起来，另外作为种间外推工具，将不同物种的PBPK模型进行对比，可以量化物种间的代谢动力学差异.

多环芳烃作为一类持久性有机污染物，可以通过多个途径进入人体，其中BaP是公认致癌性最强的多环芳烃之一，研究可以追溯到20世纪30年代.BaP广泛存在于烘烤食物、土壤和街道空气等环境中，具有污染分布广、持续时间长和危害作用大等特点. 作为大分子化合物，BaP进入体内后极少部分以母体化合物形式随粪便排出，其余在各种酶作用下分解为数十种代谢产物. 3-羟基苯并[α]芘〔3-Hydroxybenzo[a]pyrene, 3-OHBaP〕是BaP在体内进行氧化反应的最终产物，研究表明，该反应是减毒过程，只有少数文献报道3-OHBaP对大鼠胚胎具有发育毒性效应. 尽管3-OHBaP毒性作用小且研究较少，但相比于其他代谢产物，它具有含量高、化学性质稳定、易检测等优势，已经成为了应用最广泛的BaP内暴露生物标志物.

该文首先概述了BaP对不同生物的毒性危害，总结了BaP的PBPK模型研究进展，介绍了在动物PBPK模型的基础上逐步建立完善人体PBPK模型的研究过程，指明模型还存在可靠性低等问题；之后结合其他污染物的PBPK模型应用案例，深入探讨PBPK模型在BaP健康风险评估中的应用，分析了BaP的PBPK模型不确定性的来源，并提出了解决方法；最后，在此基础上提出了展望，以便于建立更为完善、科学的BaP健康风险评估方法.

1 BaP的危害

BaP作为一种强致癌物，会对环境中的各种生物造成不同程度的毒性效应. 一般污染物健康危害的研究方法有三类：流行病学调查、动物试验和体外试验. 依据流行病学调查统计，BaP通过皮肤、呼吸道、消化道等进入人体，可以诱发多种癌症，职业工人接触高剂量BaP还有较高的泌尿系统组织癌变风险. 动物试验表明，BaP会导致鱼类肝脏细胞和腮细胞均出现不同程度的DNA断裂，还会影响大鼠的性激素分泌和子宫胎儿发育. 另外，还有对小鼠、大鼠和人体细胞的体外试验也证明了BaP具有生殖、免疫和心血管等毒性，并激活T细胞的有丝分裂过程和诱导人体脐静脉上皮细胞产生氧化应激效应. 依据BaP健康危害的系统研究结果，国际癌症研究机构将其归类为1类人类致癌物.

2 BaP的PBPK模型研究进展及应用探讨

2.1 BaP的PBPK模型研究现状

PBPK模型(在毒理学领域称PBTK模型)是一种计算目标组织内部剂量的数学模型，该模型将生物体内组织和器官以房室的形式表示，利用血液循环连接起来，最后基于质量平衡关系建立微分方程组来预测血液和房室中化合物的浓度-时间曲线. 多环芳烃PBPK模型研究经历了长时间的探索. 由于大分子化合物的体内代谢过程复杂，所以首先建立了低环的多环芳烃(如萘等)模型，随后逐步完善了BaP这种五环化合物的PBPK模型. 多环芳烃的PBPK模型结构示例如图1所示.

图1 PBPK模型结构示例[34]Fig.1 Example of PBPK model structure[34]

首先是小鼠和大鼠的PBPK模型在动物药代动力学数据支撑下被建立起来. Crowll等建立的小鼠、大鼠PBPK模型可以较好地模拟BaP在肝脏的浓度峰值，但肝脏的分配和消除模拟结果与试验数据有所偏差. 另外，一项肺部巨噬细胞体外试验与PBTK模型相结合，分析了IL-1β和NCF1基因表达结果，研究表明BaP在肺部代谢相当微弱，所以之后的研究均考虑将肝脏作为唯一的代谢器官.Heredia等建立了BaP和代谢物3-OHBaP的大鼠PBPK模型，以大鼠试验数据为基础研究BaP和3-OHBaP在大鼠体内的代谢动力学，结果表明，BaP和3-OHBaP消除率是模型最敏感的参数. BaP动物PBPK模型的一系列研究确立了模型的主体房室结构，将3-OHBaP的药代动力学过程纳入模型中，为建立人体PBPK模型奠定了基础.

在动物模型基础上，逐步建立了人体BaP与3-OHBaP的PBPK模型. 由于BaP和3-OHBaP的人体代谢动力学数据缺失，Heredia等在大鼠模型的基础上，将大鼠代谢参数进行异速缩放外推，估算得到了人体代谢参数并使用人体生物监测数据对模型进行评价；Campbell等基于PBPK模型模拟了大鼠和人体吸入BaP的体内代谢消除过程，并考虑了颗粒固体在呼吸道的沉积过程以及BaP吸附相的分离过程，该研究对BaP吸入暴露的人体肺部剂量学研究具有重要的意义. 随后两项研究利用人体的肝微粒对BaP及其代谢物的代谢速率进行了体外试验，以期研究解决人体代谢动力学数据缺失的问题.Crowell等对BaP在大鼠、小鼠和人体的饱和动力学参数、亲和常数和内在清除率进行了测定，结果表明，BaP消除率在雌性小鼠中最高，在成人女性中最低；Smith等进行了BaP二醇代谢物体外代谢试验，发现大鼠和人类BaP二醇代谢物的代谢速度分别是BaP的2.5和1.8倍.

综上，结合动物试验，多项研究系统分析了BaP在大鼠和小鼠体内的药代动力学过程，为BaP人体模型的建立奠定了基础. 但是，目前人体PBPK模型中的BaP及其代谢物的代谢机制尚未完全明确，只考虑了3-OHBaP这一种代谢物，同时BaP和3-OHBaP相关的代谢参数可靠性不高，最新人体体外试验数据也未纳入模型之中，未来还需进一步开发更为准确可靠的人体PBPK模型.

2.2 PBPK模型在BaP健康风险评估中的应用探讨

PBPK模型在BaP内暴露健康风险中的应用探讨

传统健康风险评估体系以污染物的外部暴露浓度作为风险估算的依据，但人体细胞、器官和组织直接接触的是污染物或代谢产物体内剂量水平，所以近年来有人提出基于PBPK模型和人体生物监测数据进行内暴露健康风险评估是更为科学的论点.

3-OHBaP是BaP体内氧化反应的最终产物，常常在生物监测中作为生物标志物来表征BaP通过多个途径暴露的累积情况. 但3-OHBaP剂量水平较低，考虑到检测技术的限制，目前只用来评估职业暴露人群接触BaP的情况，最近开发了新的检测技术可以极大地降低3-OHBaP的检出限，使其未来可应用于普通人群的健康风险评估，将更具有普适性. 普通人群和职业人群尿液中3-OHBaP的研究结果如表1所示.

表1 BaP内暴露监测研究案例Table 1 Case study of BaP internal exposure monitoring

PBPK模型在阐明内暴露监测结果及补充完善污染物在人体内的代谢过程方面也具有明显优势. 例如，已有研究发现，3-OHBaP具有延迟排泄现象，职业人群监测结果表明，下班后12～24 h内出现3-OHBaP排泄峰值. 基于PBPK模型，推断3-OHBaP延迟排泄可能与其在肾脏的缓慢代谢过程和膀胱内的相互作用有关. 这一研究成果逐渐被Lutier等证实，即3-OHBaP的肾脏排泄机制复杂，在肾小管内历经重吸收等过程. 另外，由于人体PBPK模型参数和代谢动力学数据大多来源于动物试验，具有较高的不确定性，人体尿液3-OHBaP实测数据则可用于模型校正和评价，最近一项研究使用了职业工人的尿液3-OHBaP监测数据对PBPK模型进行了评价，结果显示模型拟合效果较好.

综上，PBPK模型在BaP及多环芳烃内暴露健康风险评估中主要用于解释尿液3-OHBaP排泄动力学层面，初步探索构建人体PBPK模型模拟尿液3-OHBaP浓度. 此外，PBPK模型作为连接外暴露与内暴露的工具，能够将外暴露基准值转化为内暴露的基准值，并基于生物监测数据估算内暴露健康风险.例如，Pletz等基于PBPK模型和外部暴露参考值推导了邻苯二甲酸盐和苯酚的尿液浓度阈值，并结合人群生物监测数据估算健康风险值；还有多项研究将PBPK模型应用于组织器官(如肝、肾等)暴露于三氯乙烯、卤代乙腈、铜、锌等污染物的健康风险估算，提供了PBPK模型应用于内暴露健康风险的实践案例. 未来亟需系统深入探讨PBPK模型在BaP内暴露健康风险评估中的应用实践方法.

PBPK模型在BaP外暴露健康风险中的应用探讨

依据美国EPA健康风险评估体系，剂量反应评估(即污染物暴露后剂量和反应之间的定量分析)可以获得非致癌基准值、致癌斜率因子和致癌单位风险等特征参数，是风险表征的基础. 由于PBPK模型量化了污染物在动物与人体的药代动力学差异，可以降低从动物健康剂量水平外推至人体基准值的不确定性，所以许多研究将PBPK模型应用于剂量反应评估环节并用于推导人体健康基准值.

种间外推

美国EPA依据经验模型计算了BaP非致癌安全基准值和致癌斜率因子，为风险表征奠定了基础.如表2所示，以BaP致癌毒性研究为例，阐述了不同暴露途径的BaP剂量反应评估结果，但由于缺乏基于生理学和毒理学上的BaP外推剂量模型，导致在动物到人体的外推过程只能借助于基准剂量法、线性外推法和粗略经验公式. 这些公式是依据经验方法和参数，未充分考虑物种间生理代谢差异等问题，具有较高的不确定性.

表2 BaP的致癌毒性动物试验研究Table 2 Animal experimental studies of BaP on carcinogenic toxicity

PBPK模型依据不同物种的生理特异性参数，量化了污染物在物种间生理代谢差异，所以该模型应用于种间外推具有一定优势，目前基于PBPK模型进行种间外推、并估算化学品人体基准值的应用已有较多报道. Chou等对全氟辛烷磺酸的多物种PBPK模型进行了校准，将大鼠和人体PBPK模型估算得到平均血清浓度的比值作为外推常数，结合大鼠基准值估算了人体等效剂量，为推导全氟辛烷磺酸的非致癌参考剂量(Reference Dose，RfD)提供了科学依据.Sax等基于PBPK模型进行种间外推，应用于氯丁二烯的剂量反应评估中，研究表明，经过模型调整后的致癌吸入单位风险比EPA推荐值低两个数量级；同时，对比人群肿瘤发生率的调查结果，发现调整后的值更具有准确性. 未来亟需将结合BaP体外试验数据校准优化PBPK模型，基于可靠PBPK模型估算种间差异，并探索更新BaP非致癌参考剂量和致癌斜率因子的计算方法.

体外到体内的外推

剂量反应评估一般是基于动物毒性试验获得无明显毒害作用水平剂量并外推至人体，但动物试验存在耗时耗力、毒性机制不明确和需要伦理审核等问题，体外细胞试验可解决这些问题. 但细胞试验直接接触的污染物量如何和体内暴露剂量联系起来对于基于体外细胞试验结果推导人体健康基准值是一大难题，21世纪以来许多学者探索基于体外细胞毒理学估算人群健康安全基准值. 最近的研究开展了基于PBPK模型的体外到体内外推，利用剂量反应模型计算人体健康基准值. 该方法是基于PBPK模型的反向剂量学，结合体外细胞毒性试验的剂量反应关系，估算细胞试验的无明显毒害作用水平对应的人体外暴露浓度即为人体健康基准值.

目前，已有学者尝试应用该方法推导污染物的人体健康基准值. Mcnally等结合乙二醇单乙醚及其代谢物甲氧基乙酸的大鼠细胞体外试验，提出了利用PBPK模型将动物细胞试验数据转化为体内剂量反应数据的方法框架，最后提出该方法也可类推至人体. 另外，两项研究分别探索了对全氟辛酸和全氟辛烷磺酸的体外到体内定量外推方法，基于PBPK模型估算了人体等效剂量(human equivalent dose，HED)和参考剂量(reference dose，RfD)，并综合多个毒性作用终点估算了健康基准值的置信区间. 建议在已有研究的基础上，进一步分析BaP及其代谢物的细胞毒性作用终点及机理机制，结合PBPK模型和BaP体外细胞毒性试验开展体外到体内的外推应用研究.

3 BaP的PBPK模型不确定性探讨

PBPK模型作为一个基于生理学的复杂多参数模型，如何有效地降低其在使用过程中的不确定性是重点研究课题之一.

a) 模型结构. PBPK模型房室结构的选择是基于污染物在生物体内的吸收、分布、代谢和排泄过程.由于BaP体内代谢过程复杂，代谢产物众多，所以最初BaP的小鼠和大鼠PBPK模型没有考虑子代谢物在体内的循环和代谢. 之后3-OHBaP的药代动力学研究和生物监测试验推动了模型的发展，但是还未考虑其他有毒代谢物，是否存在其他重要活性代谢产物对于完善BaP的PBPK模型需要进一步研究探索.

b) 模型参数. PBPK模型涉及大量参数，包括生物的生理生化参数、目标物质的物化参数和代谢动力学参数等. 参数准确性对于模型结果尤为重要，在BaP的动物和人体模型中，动物模型参数大多来自试验，但是人体模型中BaP和3-OHBaP的代谢参数仅仅依靠大鼠参数进行异速缩放，具有较高的不确定. 此外，最近的人体PBPK模型研究虽然考虑了生理参数的年龄段差异，但是不同年龄的人群对BaP代谢和排泄过程也有一定差别，这项研究未考虑代谢和排泄动力学参数的种内差异性，还需进一步完善，降低模型参数的不确定性.

c) 个体差异. 该模型在建立过程中针对的是某一生物种群，但实际运用可能未考虑种内差异，如性别和年龄分布等. Deng等的人体PBPK模型分析了不同年龄对BaP和3-OHBaP体内药代动力学过程的影响，但未考虑老年人、不同性别人群的种内差异，未来进一步完善的同时还需基于可靠试验数据进行验证.

针对提高PBPK模型的精确性，还需进一步研究BaP及主要代谢物在生物体内的吸收、分布、代谢和排泄过程，并通过体外试验等获取重要参数值. 另外，在缺乏可靠参数时，美国EPA推荐使用基于贝叶斯推断的马尔科夫链蒙特卡洛方法来对参数进行较为准确地估计，该方法依据实测数据不仅可以校准后验参数分布，还能基于置信区间来降低不确定性.

4 展望

a) 探索PBPK模型应用于BaP健康风险评估的方法体系. 关于BaP的人体PBPK模型研究较多，但还存在着人体代谢参数是基于动物试验外推等问题，其模型可靠程度还有待提高. 此外，由于BaP的PBPK模型发展得较晚，目前还没有研究将PBPK模型应用于BaP的健康风险评估中. 所以亟需结合最近BaP代谢相关研究结果，特别是最新的人体BaP代谢动力学数据，建立可靠的PBPK模型，并探索模型应用于BaP健康风险评估的方法体系.

b) 探索可靠性更高的BaP健康风险评估概率模型. BaP的PBPK模型虽然作为一种更为科学的外推方法，在一定程度上降低了健康风险评估的不确定性，但模型本身结构复杂、参数众多，并可能存在毒理学资料缺失等问题. 所以即使将PBPK模型方法更多地应用于BaP健康风险评估，最终结果依然是唯一的风险值，不确定性较大. 但是，基于风险评估概率模型的健康风险评估结果是一个风险概率分布，降低了风险评估过程的不确定性. 所以，未来亟需探索建立BaP健康风险评估概率模型方法，提高风险评估结果的可靠程度.

c) 开展BaP的生物标志物用于人体健康风险评估可行性研究. 目前已有研究将3-OHBaP作为BaP的生物标志物应用于评估人群接触BaP的特征分析，但其对人体毒性效应较低，还需评估使用其他毒性更强的重要代谢产物作为BaP生物标志物的可行性.此外，职业人群和普通人群往往暴露于多种多环芳烃的环境中，3-OHBaP是否可以作为生物标志物用于评估该情景下造成的人体健康风险还有待探讨. 亟需科学筛选BaP人体健康风险评估的生物标志物，明确该生物标志物用于评估BaP以及多环芳烃的人体健康风险评估方法.