生理药动学模型在纳米材料毒理学研究中的应用进展

孙晋都，薛玉英，唐 萌

（教育部环境医学工程重点实验室，东南大学公共卫生学院＆苏州纳米科技协同创新中心，江苏省生物材料与器件重点实验室，江苏南京 210009）

生理药动学模型在纳米材料毒理学研究中的应用进展

孙晋都，薛玉英，唐 萌

（教育部环境医学工程重点实验室，东南大学公共卫生学院＆苏州纳米科技协同创新中心，江苏省生物材料与器件重点实验室，江苏南京 210009）

以生理学为基础的药动学模型，简称生理药动学（PBPK）模型，是根据现有的人类或其他动物的解剖和生理知识及其生物化学数据建立，通过数学方法模拟化学物质在体内的吸收、分布、代谢和排泄的过程，进而实现剂量外推和种间外推，预测化学物质在特定组织或时间内的剂量水平。在纳米材料的毒理学研究方面，纳米银、纳米氧化锌、纳米二氧化钛以及多聚纳米材料等都逐步建立了PBPK模型。PBPK模型不仅能提供纳米材料在体内动态变化情况，也对定量评价纳米材料的生物安全性具有重要意义，将是纳米材料毒理学研究及安全性评价的发展方向。

纳米材料；药动学；毒理学；安全性评价

进入21世纪，纳米科技迅猛发展。统计显示，截止到2015年3月，在世界范围内含纳米材料的商品增加到1814种，约为2005年的30倍，涉及人类生活的方方面面，由此造成人体和环境对纳米材料的广泛接触和暴露，进一步引起了国际社会和科学界对其可能存在的潜在危险性的着重关注［1］。其中，纳米银、纳米氧化锌和纳米二氧化（TiO2）等纳米颗粒，因各自独特的理化特性如抗菌性、紫外线屏蔽性［2-4］等，在化妆品、食品和药品等领域应用尤其广泛［5-6］。对于越来越多的新型纳米材料，在生物安全性评估方面将给研究人员带来极大的挑战。

有研究报道，纳米材料具有穿透各种生物膜屏障进入机体不同组织的能力［7］。由于纳米颗粒与生命机体中一些重要物质（如蛋白质和DNA）的粒径相当，纳米颗粒与机体相互作用将对生命过程产生从分子、细胞、器官及整体水平的系列生物学效应，表现出细胞毒性、免疫毒性、神经毒性、遗传毒性和生殖毒性等。其在靶器官（如肺和肝）内的长期蓄积，还可能诱发肺纤维化和肝细胞坏死。

由于纳米材料的特殊尺寸效应，相对于传统外源性化学物的生物安全性评价有更高的难度，人们开始通过构建以生理学为基础的药动学（physio⁃logically based pharmacokinetics，PBPK）模型，简称生理药动学模型来对不同的纳米材料进行生物安全性评价。PBPK模型是建立在机体的生理、生化、解剖和药物热力学性质基础上的一种整体模型，模型将每个相应的组织器官单位单独作为一个房室看待，以“生理学房室”代替经典模型中“房室”，这些“生理学房室”分别代表与外源物质体内分布主要相关的脏器、组织或体液。当外源物质随血流进入机体后可透过生物膜进入“生理学室”，通过各种清除率描述离开该“生理学室”时可能发生的消除，如代谢清除率、排泄清除率。再根据体内各组织和器官血液循环的质量守衡原理，构建微分方程组模拟外源化学物在体内的代谢过程，PBPK模型利用有生理学意义的参数，构建更贴近实际代谢过程的剂量反应关系，通过数学计算，模拟并预测外源物质在体内动态变化的实际情况，并能在纳米材料的毒理学研究中提供重要的定量化评估依据［8-9］。

近年来，在纳米材料的毒理学研究中，对于PBPK模型的研究还处于起步阶段，2010年Li等［10］在ACS Nano上发表综述强调PBPK模型在纳米研究和风险评估中的重要作用以及应用前景。经济合作与发展组织（Organization for Economic Cooperation and Development）和《化学品的注册、评估和授权》（Registration，Evaluation，and Authorization of Chemicals）法规等也将PBPK模型列为纳米材料风险评估的有效定量工具。本文将详细综述几种典型纳米材料的PBPK模型。

1 PBPK模型在纳米材料毒理学研究中的应用

1.1 纳米银

构建纳米银的PBPK模型可模拟评价不同属性纳米银在不同暴露条件下的生物效应。Bachler等［11］在研究粒径为10～150 nm纳米银的体内动力学及银离子、单核吞噬细胞系统（mononuclear phagocyte system，MPS）和包被对纳米银颗粒吸收、分布、代谢及排泄过程的影响时，建立了纳米银的PBPK模型。在机体对银离子和纳米银吸收分布数据的基础上确定了PBPK模型的结构；然后，根据文献提供的毒物动力学和毒理学数据确定模型中重要的生理生化参数［12-13］；最后使用该模型来预测在人体内纳米银颗粒的存在状态及人均日常摄入量，发现在各组织器官中纳米银颗粒更多是以粒子的形式而不是以银离子的形式储存，并模拟出人均日常银吸入量为10.2 μg。这一数据与文献［14］所报道的吸收值（1～90 μg）范围一致，说明人们日常摄入的纳米银对人体的危害并不大。

Lankveld等［15］在对不同粒径纳米银颗粒组织分布的动力学研究中建立了纳米银颗粒的PBPK模型。用PBPK模型模拟验证20，80和110 nm 3种粒径纳米银经大鼠静脉连续染毒5 d后的组织分布，5 d染毒总量约为118 μg。研究表明，20 nm纳米银在体内主要的蓄积场所为肝，其次为脾和肾；而粒径较大的纳米银颗粒在体内的主要蓄积场所为脾，其次为肝和肺。研究结果显示，该PBPK模型能很好地模拟实验结果，对纳米银的血液和组织器官毒代动力学研究能提供至关重要的信息。

1.2 纳米氧化锌

为更好地描述纳米氧化锌颗粒在生物体内的代谢过程，Chen等［16］构建了纳米氧化锌颗粒在小鼠体内动态变化的PBPK模型，模型中关键的理化参数（分配系数、排泄和清除率等）数值来源于前期工作［17-18］，模拟粒径分别为10和71 nm的纳米氧化锌颗粒和硝酸锌在小鼠体内不同组织器官中的生物分布。模型主要由9个主要房室构成（血液、心、肝、脾、肺、肾、脑、胃肠道和机体其他部分），将各相应的参数值代入微分方程，可计算纳米氧化锌颗粒在体内不同器官的实时变化量。模型模拟结果显示，10 nm氧化锌颗粒比71 nm氧化锌颗粒和硝酸锌在体内的蓄积时间长，并通过模型能有效预测10 nm氧化锌颗粒在体内缓慢溶解动态变化。这将为评估纳米氧化锌颗粒在机体内的实时动态变化提供很好的技术支持。

1.3 纳米二氧化钛

Bachler等［19］为了研究纳米TiO2颗粒的毒代动力学和不同途径的内、外暴露剂量的关系，通过搜集文献的毒动学和毒理学数据构建了纳米TiO2颗粒相关的PBPK模型。模型中各器官纳米TiO2颗粒转运率及参数校准参照文献数据［10，20］，再通过各器官的钛含量模拟值与实验数据进行对比验证，评估PBPK模型的预测能力，并预测纳米TiO2颗粒在人群饮食过程中的风险。模拟结果显示，各器官钛含量预测值总是高于文献中的数据值，大约是实测值的3.9倍，在对这一影响因子校正后能得到线性相关较好的实验模拟值。另外，纳米TiO2颗粒的PBPK模型可评估人们日常暴露风险，模型模拟出的体内各器官纳米TiO2含量均＜170 mg·kg-1，这一数值远远低于以往对纳米TiO2体外毒性研究的剂量，所以人群日常暴露于纳米TiO2颗粒的毒性被估计过高，通过模型预测的实际暴露相对来说是比较安全的。由此可知，模型可通过外暴露水平预测各器官的内剂量水平，定量评价纳米TiO2颗粒的摄入风险性及安全性。

1.4 其他纳米材料

高聚合纳米材料的生产越来越多，在对这些复合纳米材料的毒理学研究中，如对每一种材料都进行毒理学评估，需要大量的资源支持。Li等［21］通过构建PBPK模型来模拟不同种类的甲氧基聚乙二醇（methoxy polyethylene glycol，mPEG）和聚乳酸羟基乙酸聚合物〔poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA〕形成的聚合纳米材料的物理化学特性。通过搜集5种由mPEG和PLGA组合而成的聚合纳米材料的数据［22］，再经过多元回归分析处理后获得模型中的关键理化参数，从膜限制模型和灌注限制模型两方面进行模拟，以此来预测同种类新型聚合纳米材料PLGA-mPEG495的生物分布。模拟结果获得的相关系数（R2）分别为0.9947和0.9528，达到较好的拟合效果，为后续的同类型聚合纳米材料的生物安全性研究与材料设计提供了帮助。由此可见，PBPK模型具有外推能力，在新型纳米材料的毒理学评估中有重要作用，能在降低资源消耗的情况下做出可信的生物安全性评价。

2 结语

本文概述了PBPK模型在几种纳米材料中的应用。通过构建PBPK模型及计算出的模拟值，可实时描述纳米材料在机体内的动态变化，并从定量的角度对纳米材料进行评估；另外，对上述PBPK模型进行参数调整与校正后，能实现同种材料之间及不同种属之间数据的模拟外推，获得更加直观的安全性评价依据。

值得注意的是，纳米材料因其自身特殊的理化属性，在构建PBPK模型时需要对限制模型建立的条件有相关认识，如①器官容积和组织体积；②各器官组织的血流速度；③纳米材料穿越生物膜的传送机制；④纳米材料的胆汁和尿排泄；⑤新陈代谢、退化或改变纳米材料在体内的状态；⑥纳米材料与血浆或者组织蛋白结合等。另外，模型参数选择的过程中还受到MPS的影响，尽管MPS对体内纳米材料的摄取量比较小，但对于肝、脾和肺等MPS丰富的主要蓄积器官仍然有一定的影响［23］。机体的MPS对于纳米颗粒的摄取机制比较复杂，在内剂量较低时可忽略不计，但在内剂量超过一定阈值时，MPS就会对模型的构建产生一定的影响。

PBPK模型在进行外推应用时需要调整自身参数，参数的校准也会受到不同因素的影响，如研究对象的自身属性、暴露条件、靶器官或组织的特异性以及机体或者人群的差异性等。在这些因素的影响下，尽管PBPK模型的参数可根据其敏感性在可信限水平上作相应的调整，但一旦超过了自身可信限范围模型就不适合进行外推。所以，在PBPK模型进行外推前，模型自身必须先得到体内实验的进一步验证。对于纳米材料PBPK模型的应用尚需深入探索其适用条件，从而更好地发挥模型的外推作用。

随着越来越多的新型纳米材料出现，需要大量的研究工作来对其进行生物安全性评价，按照以往的经典毒理学评估方式，需要做大量的体内外实验来获得数据，才能做出简单的生物安全性预测。PBPK模型不仅可很好地描述纳米颗粒在机体中的吸收、分布、代谢以及排泄过程，在相应调整模型参数后还能实现对不同暴露条件、不同种属之间的外推应用，这将在极大减少所需实验资源的基础上对纳米材料作出更有效的生物安全性评价，也将成为纳米材料毒理学研究的一个趋势。

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Application of physiologically based pharmacokinetic model in toxicology of nanomaterials:research advances

SUN Jin-du,XUE Yu-ying,TANG Meng
(Environmental Medicine Engineering,Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices, Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology,School of Public Health,Southeast University,Nanjing 210009,China)

Physiologically based pharmacokinetic(PBPK)modeling is established based on the information of existing human or other animal anatomy,knowledge of physiology and biochemical data.The model uses mathematical methods to simulate chemicals′process of absorption,distribution,metabolism and excretion in the body,in order to achieve the dose and interspecific extrapolation and to predict the chemical level in the specific organ at the specific time.In studies on toxicology of nanomaterials,the PBPK models in the silver nanoparticles,zinc oxide nanoparticles,titanium dioxide nanoparticles and polymer nanomaterials are gradually established.PBPK modeling can not only provide information on the dynamic change of nanomaterials in the body,but is of great significance for to quantitative evaluation of biological safety of nanomaterials.PBPK modeling will be a hot spot for research in the field of nanotoxicology.

nanomaterials;pharmacokinetics;toxicology;safety evaluation

XUE Yu-ying,E-mail:yyxue@seu.edu.cn

R969.1

A

1000-3002-（2017）02-0203-04

10.3867/j.issn.1000-3002.2017.02.12

Foundation item:The project supported by National Natural Science Foundation of China(81573186);National Natural Science Foundation of China(81502783);National Natural Science Foundation of China(81473003);and National Natural Science Foundation of China(81302461)

2016-05-10 接受日期：2016-10-12）

（本文编辑：沈海南齐春会）

国家自然科学基金（81573186）；国家自然科学基金（81502783）；国家自然科学基金（81473003）；国家自然科学基金（81302461）

孙晋都，硕士研究生，主要从事纳米毒理学研究。

薛玉英，E-mail：yyxue@seu.edu.cn