应用暴露相关的剂量估算模型(ERDEM)构建甲胺磷的大鼠生理药代动力学/药效学(PBPK/PD)模型

巢迎妍，张 辉，刘 艳，张晓菲

应用暴露相关的剂量估算模型(ERDEM)构建甲胺磷的大鼠生理药代动力学/药效学(PBPK/PD)模型

巢迎妍1a，张 辉2，刘 艳1b，张晓菲3

目的 为了解有机磷类杀虫剂——甲胺磷在大鼠体内的吸收、分布、代谢、排泄和毒性。方法 采用暴露相关的剂量估算模型(ERDEM)构建大鼠的生理药代动力学/药效学模型。模型结构包括完整的胃肠道、肝脏代谢、尿排泄、粪便消除以及甲胺磷对乙酰胆碱酯酶(AChE)的双分子模式抑制。结果 该模型可对多种给药途径后的血药浓度进行拟合。尿中累积排泄率为剂量的52.7%，粪消除为剂量的2.4%(相应的实验数据为52%和2.7%)。对大鼠血液及脑内AChE活性亦有近似的模拟。对一组未用于模型优化的血AChE活性剂量效应的模拟证明模型具有优良的预测能力。结论 所构建的甲胺磷的大鼠PBPK/PD模型有助于甲胺磷的健康风险评估和多个有机磷的累积风险评估。

甲胺磷；PBPK/PD模型；风险评估；ERDEM

0 引言

甲胺磷(Methamidophos)属剧毒级有机磷类杀虫剂。商品名为“达马隆”(Tamaron)，化学名称为O，S-二甲基胺基硫代磷酸酯。其毒副作用主要表现为对乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性抑制。我国自2008年起已停止生产。但是由于市场上尚有残存的甲胺磷流通以及非法使用，其人、畜中毒事件还时有发生。另外，本品是另一个有机磷类杀虫剂—乙酰甲胺磷(Acephate)的活性代谢产物。构建其生理药代动力学/药效学(PBPK/PD)模型可以了解其吸收、分布、代谢、消除和毒性(ADMET)。同时，甲胺磷在有机磷类杀虫剂的累积风险评估中是标准化合物[1]。其他有机磷农药的剂量都需要转化为甲胺磷等同毒性的剂量，然后累积的毒性剂量可由所有等同剂量相加而得到。因此，基于对甲胺磷暴露的健康风险评估或者多个有机磷类农药的累积风险评估的需要，本研究通过文献搜集和优化模型参数在暴露相关的剂量估算模型(ERDEM)的平台下构建了甲胺磷的大鼠PBPK/PD模型。

1 仪器和试药

采用由美国环保局开发的暴露相关的剂量估算模型(Exposure-Related Dose Estimating Model，ERDEM)[2]构建PBPK/PD模型。其全部质量守衡方程亦有报道[2]。

2 方法与结果

2.1 模型结构 大鼠模型结构及参数详见先前的报道[3]。所有代谢产物见于Knaak等[4]研究。肝脏代谢动力学和肾脏排泄采用饱和米曼方程的最大速度(Vmax)和米曼常数(Km)来描述。对AChE的抑制采用双分子的酶抑制来描述(Ki)。代谢物的组织/血液分配系数见于Knaak等[4]的研究。

2.2 用于参数优化的实验数据 初始模型需要对实验数据进行多次模拟和优化。Gray等[5]报道了静脉给予同位素标记的甲胺磷后大鼠各组织的放射活性浓度及尿和粪便的累积排出，并检测了脑内AChE活性。大鼠静脉给药还见于Eigenberg等[6]的报道。宋春艳等[7]报道了对小鼠静脉给药后的血药浓度和单次口服给药的血AChE活性。Robinson等[8]报道了大鼠腹腔注射给药后脑内胆碱酯酶的活性。Moser[9]报道了大鼠口服给药后血和脑内AChE活性。

2.3 模型验证及应用 Singh等[10]报道了在大鼠腹腔注射不同剂量的甲胺磷后1 h的红细胞中AChE的活性。此数据因没有用于优化模型，该项模拟被用来验证模型的预测能力。完成后的模型进一步用来预测大鼠急性经口给药后的无明显不良反应值(NOAEL)并与文献报道值进行对比。NOAEL的效应为脑内AChE活性被抑制到正常的10%。

2.4 构建后的大鼠模型 代谢反应见于Knaak等[4]的研究。氧化与水解Vmax分别为0.007、0.011 mM/h,Km均为0.01 mM。甲胺磷AChE抑制的双分子抑制常数Ki值源于Gray 等的报道[5]。大鼠血和脑内的Ki值分别为8.2 × 102和1.8 × 103/(M·min)。转化为ERDEM的单位后分别为49.2和108 /(mM·h)。经对比其他研究后表明，此组实验数据实验条件控制较好、质量高、可信度好。因此，此文报道的Ki值作为模型的初始值。经参数优化后，最终的Ki值血液内为25 /(mM·h)，脑内为40 /(mM·h)。

2.5 大鼠多种给药途径的实验数据模拟 模型能较好地复制多个静脉给药后的甲胺磷的血药浓度[5-7](图1A、B)。对小鼠单次口服给药的血药浓度[7]模拟中，模型的消除要快于实验数据(图1C)。对放射活性的累计尿、粪消除[5]模拟中，模型尿排泄为剂量的52.7%，粪消除为2.4%。相应的实验数据为52%和2.7%(图2A、B)。大鼠口服8 mg/kg[9]、静注8 mg/kg[5]、腹腔注射12.5 mg/kg[8]甲胺磷后，脑及血液中AChE活性的最大实验值(和发生时间)分别为：脑16.7%(1.5 h)[9]、血10.8%(1.5 h)[9]、血31.3%(0.5 h)[5]、脑22%(1 h)[8]。模型模拟值按顺序相应为脑19%(2 h)、血27%(2.4 h)、血24.3%(2 h)、脑13.4%(2.9 h)。脑及血液中AChE活性的最大实验值和发生时间，均可被模型正确地拟合(图3)。

图1 甲胺磷静脉(图A、 B )及口服(图C )给药后的血药浓度及模型模拟曲线

图2 尿(A)、粪(B)累积排出的放射活性的实验值及模型模拟曲线

图3 大鼠口服、静脉注射、腹腔注射甲胺磷后，脑及血液中AChE活性的实验值及模型模拟曲线

图4 大鼠腹腔注射不同剂量甲胺磷后1 h，血AChE活性的剂量效应曲线及模型模拟曲线

2.6 模型验证及大鼠的NOAEL值的预测 对Singh等[10]大鼠腹腔注射不同剂量的甲胺磷后1 h的红细胞中AChE的活性的模拟表明，模型与实验值非常接近(图4)。实验结果为：79.7%(7.06 mg/kg)、48.2%(14.11 mg/kg)、22.4%(28.23 mg/kg)、13.3%(42.34 mg/kg)。模拟相同剂量的结果分别为79.1%、54.0%、19.9%、7.1%。以脑内AChE的活性获得10%的抑制为观察终点，模型对一系列的口服剂量进行模拟，以找到能致10%抑制的剂量。模型对口服给药脑内AChE 抑制的NOAEL值的推测结果为0.3 mg/kg。文献报道值为1.1 mg/kg[11]。

3 讨论

为环境化合物建立相应的人和动物的PBPK/PD模型在暴露风险评估中起着越来越重要的作用。模型不仅可以对组织内毒物浓度进行估算，还可以获得人群的暴露水平及风险的群体分布[12]。甲胺磷是USEPA的有机磷类杀虫剂的累积风险评估中的标准化合物[1]。因此为其构建模型对有机磷杀虫剂的累积健康评估有重要意义。

本模型不仅能较好地对甲胺磷的多种给药途径后的血药浓度进行拟合，而且能够准确地描述代谢产物的尿排泄(模型为52.7%，实验值为52%)和粪消除(模型为2.4%，实验值为2.7%)。因此模型可用于通过尿内的生物标记物进行逆向的暴露水平重建。但是由于实验数据来自不同的大鼠品系和小鼠，数据本身存在变异和不确定性，因此会给模型的拟合带来难度，对某些数据点的拟合出现差异也就无法避免。相同的情况亦见于对血和脑的乙酰胆碱酯酶的拟合。因为实验数据取样点少或间隔时间较长，酶活性的最大抑制未必能在实验中被捕捉到。因此，模型与实验数据的差异无法避免。本模型预测的脑内AChE的NOAEL要比文献报道值敏感，可能由于实验无法进行微小剂量的检测，得出的结果往往会偏高。而模型的优势在于可以对任何微小剂量进行模拟，敏感度较高(低于实验值)。总之，本研究构建的甲胺磷的大鼠模型对于其毒理学研究和健康风险评估有着极大的帮助。此模型还可以进一步放大为人体模型，用于农用与非农用杀虫剂的暴露环境的模拟、考察食物中农药残量对人体的影响，甚至对人群的某一毒理学指标的群体分布进行预测，继而对于高危人群进行防护性管理。

[1] USEPA.Organophosphorus Cumulative Risk Assessment - 2006 Update.USEPA report 2006.http://www.epa.gov/pesticides/cumulative/2006-op/op_cra_main.pdf

[2] Blancato JN,Power FW,Brown RN,et al.ERDEM: A PBPK/PD Model for Assessing Human Exposure and Risk.USEPA report 2006.http://www.epa.gov/heasd/documents/237edrb05-Report.pdf

[3] Zhang X,Tsang AM,Okino MS,et al.A PBPK/PD Model for Carbofuran in SD Rats Using ERDEM[J].Toxicol Sci,2007,100(2)：345-359.

[4] Knaak JB,Dary CC,Power F,et al.Physicochemical and biological data for the development of predictive OP pesticide QSARs and PBPK/PD models for human risk assessment[J].Crit Rev Toxicol,2004,34(2):143-207.

[5] GrayAJ,Thompson CM,Fukuto TR.Distribution and excretion of [14CH3S]methamidophos after iv administration of a toxic dose and the relationship with antiChE activity[J].Pestic Biochem Physiol,1982,18:28-37.

[6] Eigenberg DA,Pazdernik TL,Doull J.Hemoperfusion and PK studies with methamidophos in the rat[J].Fundamental Appl Toxicol,1983,3:496-501.

[7] 宋春艳，张宝真.甲胺磷在小鼠体内的毒物动力学及其毒动—毒效同步模型初探[J].卫生毒理学杂志,1993,2:76-79.

[8] RobinsonCP,Beiergrohslein D.ChE Inhibition by Methamidophos and its Subsequent Reactivation[J].Pestic Biochem Physiol,1980,13:267-273.

[9] Moser VC.Comparison of Aldicarb and Methamidophos Neurotoxicity at Different Ages in the Rat[J].Toxicol Appl Pharamcol,1999,157:94-106.

[10]Singh AK.Kinetic analysis of AChE inhibition by combinations of acephate and methamidophos[J].Toxicology,1986,42(2-3):143-156.

[11]Gammen DW.Methamidophos (Monitor 7) Volume I Risk Characterization Document Cal EPA report 2005.http://www.cdpr.ca.gov/docs/risk/rcd/methamidophos.pdf

[12]Zhang X,Knaak JB,Tornero-Velez R,et al.Application of PBPK/PD modeling in cumulative risk assessment for N-Methyl carbamate insecticides[M].Handbook of Pesticide Toxicology,2010:1591-1605.

Construction of a PBPK/PD model for methamidophos in rats using the exposure-related dose estimating model (ERDEM)

CHAO Ying-yan1a,ZHANG Hui2,LIU Yan1b,ZHANG Xiao-fei3

(1.a.Department of Pharmacy,b.Department of Information,Liaoning Cancer Hospital and Institute,Shenyang 110012,China;2.Dental Department,The People′s Hospital of Liaoning Province,Shenyang 110012,China;3.Toxico Dynamics,Riverside CA 92508，USA)

Objective To characterize the disposition and toxicity for an organophosphate pesticide—methamidophos in the rat. Methods ERDEM was used to build the rat PBPK/PD model.Model structures included a full gastrointestinal compartment,liver metabolism,urinary excretion,fecal elimination,and bimolecular AChE inhibition. Results The model could closely simulate the blood concentration time history data by various exposure routes.The cumulative urinary excretion was 52.7% and cumulative fecal elimination was 2.4% by the model (corresponding experimental measurement was 52% and 2.7%,respectively).Simulation to the AChE activity in the blood and brain was also satisfactory.Model simulation to a dose response curve which was not used in the model calibration showed the model could replicate the relationship between dose and AChE activity in the blood.Conclusion The constructed model will be useful in the risk assessment for methamidophos and the cumulative risk assessment for multiple organophosphate pesticides.

Methamidophos;PBPK/PD model;Risk assessment;ERDEM

2014-04-03

1.辽宁省肿瘤医院a药学部，b.信息科,沈阳110012；2.辽宁省人民医院口腔科，沈阳 110012;3.Toxico Dynamics,Riverside CA 92508

10.14053/j.cnki.ppcr.201502014