張婉君，范瑞祺，黃超，羅蓀琳，賈栗，陳義強(qiáng)，苑曉燕,*

1. 中國人民解放軍疾病預(yù)防控制中心，北京 100171 2. 動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193 3. 杭州瑞歐科技有限公司，杭州 311121

1 農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和AOP的背景介紹(Introduction of pesticides risk assessment and AOP)

1.1 農(nóng)藥管理的熱點(diǎn)問題

我國在果蔬生產(chǎn)管理過程中，農(nóng)藥使用量大、使用種類繁多。我國國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國2018年農(nóng)藥使用量為150.36萬t。由于農(nóng)藥混合使用的情況常有發(fā)生，故多種農(nóng)藥殘留的現(xiàn)象較為普遍。Li等[1]評(píng)估了我國柑橘中農(nóng)藥殘留情況，從2013—2018年收集的2 922個(gè)樣本中共檢出40種農(nóng)藥，其中毒死蜱的檢出率高達(dá)40%。Liu等[2]調(diào)查了在我國收集的柿子、棗及其種植土壤樣品中的農(nóng)藥殘留情況，在36.4%的柿子樣品和70.8%的棗樣品中，發(fā)現(xiàn)有機(jī)磷類、有機(jī)氯類和擬除蟲菊酯類等多種農(nóng)藥化合物的殘留成分。

由于食品、環(huán)境介質(zhì)中的農(nóng)藥殘留，農(nóng)藥可以通過各種方式進(jìn)入人體，在人體中富集。Kuang等[3]綜述了1980—2020年我國母乳中的農(nóng)藥殘留情況及其對(duì)母嬰健康的危害，這項(xiàng)母乳調(diào)查覆蓋了中國22個(gè)省級(jí)行政區(qū)域，結(jié)果表明，母乳中有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留水平排序?yàn)榈蔚翁轭?、六六六?狄氏劑類>六氯苯>氯丹類，但是目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為母乳中農(nóng)藥的安全水平提供參考。此外，Tang等[4]的研究表明，在我國，尿液中擬除蟲菊酯生物標(biāo)志物3-苯氧基苯甲酸(3-PBA)的檢出率在36.0%～98.8%之間。

多種農(nóng)藥污染物共存可能會(huì)導(dǎo)致聯(lián)合毒性效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)放大，國內(nèi)外已有一些基于斑馬魚等模式動(dòng)物和細(xì)胞模型的研究證實(shí)農(nóng)藥復(fù)合污染存在協(xié)同作用、拮抗作用和相加作用。Kim等[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)農(nóng)藥硫丹和菲(具有3個(gè)稠合苯環(huán)的多環(huán)芳烴)按各自的LC50濃度1∶1混合時(shí)，混合物對(duì)斑馬魚的復(fù)合毒性呈現(xiàn)協(xié)同作用，而在其他組合比例下呈現(xiàn)拮抗作用。Wang等[6]研究了單獨(dú)和聯(lián)合使用4種農(nóng)藥對(duì)斑馬魚的致死率和基因轉(zhuǎn)錄水平的影響，結(jié)果表明，在異菌脲+吡唑醚菌酯、異菌脲+嘧霉胺、異菌脲+啶蟲脒和嘧霉胺+啶蟲脒4種農(nóng)藥的二元混合物中觀察到協(xié)同作用，在嘧霉胺+吡唑醚菌酯、吡唑醚菌酯+啶蟲脒的二元混合物中分別觀察到加和以及拮抗作用。農(nóng)藥復(fù)合暴露可能會(huì)為人類健康和環(huán)境帶來更大的影響和危害，也為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估帶來了更大的挑戰(zhàn)，因此農(nóng)藥復(fù)合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估十分重要。

1.2 毒性測(cè)試和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展

毒性測(cè)試旨在通過急性暴露或者多次暴露來識(shí)別化學(xué)品對(duì)人類、動(dòng)物等造成的有害影響[7]，根據(jù)動(dòng)物反應(yīng)來表征危害[8]。傳統(tǒng)的毒理學(xué)評(píng)估要求使用動(dòng)物模型來測(cè)試化合物[9]，即用化合物對(duì)動(dòng)物進(jìn)行暴露，將毒性終點(diǎn)與對(duì)照組進(jìn)行比較[10]。但是動(dòng)物測(cè)試昂貴耗時(shí)，且不能評(píng)估所有關(guān)鍵終點(diǎn)和生命階段。而低成本、高通量的體外測(cè)定法具有替代動(dòng)物模型的潛力。替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法支持實(shí)現(xiàn)3R原則(reduction, replacement, refinement)，減少了動(dòng)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)。一些新的技術(shù)也在不斷發(fā)展中，如有害結(jié)局路徑(adverse outcome pathway, AOP)、高通量高內(nèi)涵篩選、組學(xué)和生物信息學(xué)等，這些新技術(shù)提高了替代方法的化學(xué)品安全性評(píng)價(jià)的有效性。

美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)人體或生態(tài)系統(tǒng)暴露于環(huán)境壓力源時(shí)，對(duì)人體健康或生態(tài)系統(tǒng)造成有害影響的機(jī)會(huì)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程包括問題闡述、暴露評(píng)估、效應(yīng)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)表征4個(gè)環(huán)節(jié)[11]。US EPA使用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來表征人類和其他生物受到來源于化學(xué)污染物和其他壓力因素的健康風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度。

農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指采用科學(xué)技術(shù)及信息，在特定條件下，就農(nóng)藥對(duì)人類健康及環(huán)境產(chǎn)生不良效應(yīng)的可能性和嚴(yán)重性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)[12]。根據(jù)保護(hù)的目標(biāo)分為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。其中，健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估又包括膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和居民健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[13]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于農(nóng)藥管理至關(guān)重要，新農(nóng)藥必須經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估才能進(jìn)入市場(chǎng)，并且必須時(shí)常對(duì)現(xiàn)有農(nóng)藥進(jìn)行定期再評(píng)估，以確保它們符合更新后的安全標(biāo)準(zhǔn)。此過程有助于更好地保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并確保農(nóng)藥對(duì)人類和環(huán)境無有害影響[14]。

傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是基于單獨(dú)的化學(xué)品進(jìn)行的，即一種化學(xué)品和一種暴露途徑[15]。然而環(huán)境中存在大量混合化學(xué)物質(zhì)，人類和環(huán)境經(jīng)由多種暴露途徑暴露于多種化學(xué)物質(zhì)。因此，構(gòu)建混合物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的框架尤為重要。混合物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(mixture risk assessment, MRA)代表對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)的綜合接觸所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[16]。歐洲食品安全局(EFSA)、經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)等組織正在積極構(gòu)建此類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的框架。

1.3 AOP的理念與新思路

AOP是一個(gè)概念框架，在與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)的生物學(xué)組織層面上，描述了有關(guān)分子起始事件與有害結(jié)局之間聯(lián)系的現(xiàn)有知識(shí)。2010年，AOP的概念被正式提出，隨后，OECD于2012年啟動(dòng)了一項(xiàng)AOP構(gòu)建計(jì)劃[17]，為構(gòu)建和評(píng)估AOP提供了更清晰的定義和流程。

AOP描述了從分子起始事件到分子、細(xì)胞、組織和器官水平上的關(guān)鍵事件以及到群體水平有害結(jié)局的途徑。AOP涵蓋4個(gè)要素，分別是分子起始事件(molecular initial event, MIE)、關(guān)鍵事件(key event, KE)、關(guān)鍵事件關(guān)系(key events relationships, KER)以及有害結(jié)局(adverse outcome, AO)。圖1顯示了AOP的框架圖?，F(xiàn)有300多個(gè)AOP，發(fā)布在AOP wiki網(wǎng)站上。

AOP概念框架已成為組織框架，以促進(jìn)替代測(cè)試方法的構(gòu)建和集成，并評(píng)估化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類健康和環(huán)境的危害。構(gòu)建AOP的主要?jiǎng)訖C(jī)是為了將體外、化學(xué)和計(jì)算機(jī)信息與體內(nèi)毒性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，從而支持化學(xué)品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[18]。基于AOP的整合測(cè)試與評(píng)估策略(integrated approaches to testing and assessment, IATA)將有助于農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[19]，整理了AOP wiki上目前列出的與農(nóng)藥相關(guān)的AOP，涉及神經(jīng)毒性、內(nèi)分泌干擾、遺傳毒性和致癌性等多種毒性分類(附表1)。AOP有望闡明農(nóng)藥潛在的毒性機(jī)制，為農(nóng)藥分組提供信息，促進(jìn)篩查分析的施行以及指導(dǎo)綜合測(cè)試策略[20]。

2 AOP在農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用(Application of AOP in pesticides risk assessment)

2.1 AOP在神經(jīng)毒性測(cè)試中的應(yīng)用

對(duì)于大多數(shù)化學(xué)品，發(fā)育神經(jīng)毒性(DNT)仍然是未知的，建立基于AOP的相關(guān)測(cè)試方法可以減少化學(xué)品DNT的知識(shí)空白，同時(shí)可避免復(fù)雜的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

EFSA植物保護(hù)產(chǎn)品及其殘留物(Plant Protection Products and Their Residues, PPR)工作組應(yīng)用AOP概念框架來為流行病學(xué)研究中觀察到的帕金森氏病(PD)與農(nóng)藥暴露之間的相關(guān)性提供支持[21]。滴滴涕、百草枯和魚藤酮等農(nóng)藥被認(rèn)為是PD發(fā)生的潛在促成因素，流行病學(xué)研究也證實(shí)了農(nóng)藥暴露與PD發(fā)生顯著相關(guān)，但是流行病學(xué)研究不能提供與PD發(fā)病有關(guān)的分子機(jī)制。Terron等[22]構(gòu)建了AOP3——黑質(zhì)紋狀體神經(jīng)元線粒體復(fù)合物Ⅰ的抑制導(dǎo)致PD運(yùn)動(dòng)功能障礙，證明了在流行病學(xué)研究中有關(guān)農(nóng)藥暴露與PD患病風(fēng)險(xiǎn)增加存在機(jī)制合理性。即該AOP的構(gòu)建為農(nóng)藥暴露與PD患病風(fēng)險(xiǎn)增加之間提供了機(jī)制信息，如圖2和圖3所示。魚藤酮是該AOP的應(yīng)激源之一，具有高證據(jù)強(qiáng)度。該AOP有望闡明魚藤酮等農(nóng)藥誘導(dǎo)PD發(fā)生的潛在毒性機(jī)制，從而為農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供機(jī)制信息。

圖1 有害結(jié)局路徑(AOP)框架圖Fig. 1 Structure of adverse outcome pathway (AOP) framework

圖2 AOP3——抑制劑與線粒體復(fù)合體Ⅰ結(jié)合導(dǎo)致帕金森氏運(yùn)動(dòng)缺陷的示意圖(改編自[22])Fig. 2 Schematic overview on the AOP3 for the development of Parkinsonian motor deficits by inhibitor binding to mitochondrial complex I, which was adapted from reference [22]

圖3 歐洲食品安全局(EFSA)關(guān)于在帕金森氏病上將流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的科學(xué)觀點(diǎn)的項(xiàng)目概況(改編自[21])Fig. 3 The project landscape of the European Food Safety Authority (EFSA) scientific opinions on Parkinson’s disease and on integration of epidemiology and experimental research, and the schematic overview was adapted from reference [21]

2.2AOP在內(nèi)分泌干擾方面的應(yīng)用

一些農(nóng)藥對(duì)動(dòng)物具有內(nèi)分泌干擾作用。蛻皮激素激動(dòng)導(dǎo)致不完全蛻皮相關(guān)的死亡(AOP4)中，蟲酰肼和甲氧蟲酰肼等農(nóng)藥是該AOP的應(yīng)激源之一，且具有高證據(jù)強(qiáng)度。相關(guān)AOP的構(gòu)建有助于對(duì)內(nèi)分泌干擾物的篩選和鑒定。

US EPA內(nèi)分泌干擾物篩查計(jì)劃(Endocrine Disruptor Screening Program, EDSP)是一項(xiàng)用于篩選和測(cè)試對(duì)人類和野生生物具有潛在內(nèi)分泌干擾作用的化學(xué)品的項(xiàng)目。EDSP對(duì)于潛在雌激素活性物質(zhì)分為兩級(jí)篩查方法，如表1所示。1級(jí)篩選目的是測(cè)量MIE，捕獲早期的細(xì)胞反應(yīng)，顯示化學(xué)物質(zhì)內(nèi)分泌活性的潛力。對(duì)于確定具有內(nèi)分泌活性的化學(xué)物質(zhì)需要進(jìn)行2級(jí)測(cè)試，2級(jí)測(cè)試包括確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估終點(diǎn)，以及表征劑量反應(yīng)關(guān)系和AO[23]。

圖4為雌激素受體激動(dòng)導(dǎo)致生殖功能障礙(AOP29)的示意圖，EDSP使用該AOP來組織和整合1級(jí)和2級(jí)測(cè)試的生物學(xué)數(shù)據(jù)，以評(píng)估化學(xué)品的內(nèi)分泌活性。如圖5所示，該AOP的MIE——雌激素受體激活可以與EDSP1級(jí)篩選中的雌激素受體結(jié)合試驗(yàn)相關(guān)聯(lián)；在細(xì)胞水平上的KE——雌激素受體活性增加可以與EDSP1級(jí)篩選中的雌激素受體反式激活試驗(yàn)相關(guān)聯(lián)；在器官、系統(tǒng)水平上的KE以及在生物體和群體水平上的AO可以與1級(jí)篩選和2級(jí)測(cè)試中的其他試驗(yàn)相關(guān)聯(lián)，如子宮質(zhì)量增加試驗(yàn)、一代繁殖毒性延長(zhǎng)試驗(yàn)等。EDSP在AOP框架中組織數(shù)據(jù)，可以評(píng)價(jià)多個(gè)測(cè)定之間的反應(yīng)一致性，同時(shí)收集在AOP中除了1級(jí)和2級(jí)測(cè)試試驗(yàn)的其他來源的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高置信度。

隨著高通量篩選(high throughput screening, HTS)的發(fā)展，EDSP在內(nèi)分泌干擾測(cè)試和篩選框架中也考慮了ToxCastTM和Tox21項(xiàng)目中的HTS數(shù)據(jù)，EDSP計(jì)劃采用HTS和計(jì)算模型作為目前1級(jí)篩選中雌激素受體結(jié)合試驗(yàn)、雌激素受體反式激活試驗(yàn)和子宮質(zhì)量增加試驗(yàn)的替代方法[24]。與1級(jí)篩選中低通量體外測(cè)試相比，HTS具有每年篩查數(shù)千種化學(xué)物質(zhì)的能力以及成本更低的優(yōu)勢(shì)。AOP提供了一種路線圖，來評(píng)估HTS測(cè)試的性能，以及將HTS測(cè)試結(jié)果與相應(yīng)的低通量1級(jí)篩選體外測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

表1 內(nèi)分泌干擾物篩查計(jì)劃(EDSP)中用于篩選潛在雌激素活性物質(zhì)的1級(jí)篩選和2級(jí)測(cè)試方法(改編自[23])Table 1 Endocrine Disruptor Screening Program (EDSP) Tier 1 screening battery assays and Tier 2 testing assays for the female mammalian estrogen (ER) agonist signaling pathway (adapted from reference [23])

圖4 正在構(gòu)建中的AOP29——雌激素受體激動(dòng)導(dǎo)致生殖功能障礙的示意圖(摘自AOP wiki)Fig. 4 Schematic overview on the AOP29 for the development of reproductive dysfunction by estrogen receptor (ER) agonism (adapted from AOP wiki)

圖5 用AOP框架組織1級(jí)和2級(jí)篩選和測(cè)試中的終點(diǎn)(改編自[23])注：EOGRTS表示一代繁殖毒性延長(zhǎng)試驗(yàn)。Fig. 5 EDSP Tier 1 and Tier 2 end points relevant to the female mammalian estrogen (ER) agonist signaling pathway can be organized using an AOP framework, and theFigure was adapted from reference [23]Note: EOGRTS stands for extended one-generation reproductive toxicity study.

單一、線性和定性的AOP在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的用途有限，具有相同MIE或KE或AO的AOP可以整合到一個(gè)AOP網(wǎng)絡(luò)中。AOP網(wǎng)絡(luò)更能直觀地表現(xiàn)出單個(gè)MIE可以導(dǎo)致多個(gè)AO，或多個(gè)MIE可以導(dǎo)致相同的AO[21]。Noyes等[25]使用體外測(cè)試法，鑒定在甲狀腺途徑上與靶標(biāo)相互作用的化學(xué)物質(zhì)，在甲狀腺AOP網(wǎng)絡(luò)中將體外測(cè)定得到的MIE數(shù)據(jù)與體內(nèi)測(cè)定得到的下游關(guān)鍵事件和AO的數(shù)據(jù)相連接，可以幫助闡明化學(xué)物質(zhì)是否通過甲狀腺激素信號(hào)通路介導(dǎo)AO。在這個(gè)過程中，AOP網(wǎng)絡(luò)提供了一種可以在多個(gè)生物組織水平上(細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)、生物體和群體)收集甲狀腺激素信號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)的工具。

2.3 AOP在生殖發(fā)育毒性方面的應(yīng)用

AOP可以用于生殖發(fā)育毒性中的化學(xué)物篩選和優(yōu)先性排序。Jeong等[26]建立了將氧化應(yīng)激與生殖毒性聯(lián)系起來的AOP研究案例，量化了在秀麗隱桿線蟲中銀納米顆粒通過氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的生殖毒性。Dan Villeneuve等構(gòu)建了AOP25——芳香酶抑制導(dǎo)致魚生殖功能障礙，示意圖如圖6所示，該AOP中的大多數(shù)KE和KER具有廣泛、可量化的證據(jù)支持，并且已經(jīng)完成了對(duì)該AOP的科學(xué)置信度的詳細(xì)分析[27]；這使得芳香酶抑制導(dǎo)致魚生殖功能障礙的AOP具有較高置信度。同時(shí)，該模型構(gòu)建適用于定量預(yù)測(cè)，它可以從體外數(shù)據(jù)著手，分析測(cè)量發(fā)生AO的可能性。該AOP中的MIE和KE的檢測(cè)方法已應(yīng)用于US EPA高通量篩選計(jì)劃ToxCast中[28]。

圖6 AOP25——芳香酶抑制導(dǎo)致魚生殖功能障礙的示意圖(改編自[27])注：E2表示17β-雌二醇，VTG表示卵黃蛋白原。Fig. 6 Schematic overview on the AOP25 for the development of fish reproductive dysfunction by aromatase inhibition, and theFigure was adapted from reference [27]Note: E2 stands for 17β-estradiol; VTG stands for vitellogenin.

2.4 AOP在遺傳毒性方面的應(yīng)用

目前，農(nóng)藥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是獲取毒理學(xué)數(shù)據(jù)，而流行病學(xué)數(shù)據(jù)卻處于缺失狀態(tài)。由此導(dǎo)致農(nóng)藥暴露與人類疾病之間無法建立深入的聯(lián)系，AOP可以為流行病學(xué)研究提供機(jī)制的合理性，建立農(nóng)藥暴露與人類疾病之間的關(guān)聯(lián)，通過機(jī)制證實(shí)毒性終點(diǎn)，最終為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的危害識(shí)別和危害表征提供證據(jù)。

例如，嬰兒白血病是胎兒發(fā)育早期子宮內(nèi)起源的罕見疾病，在流行病學(xué)研究中，母親或者胎兒暴露于某些化學(xué)物質(zhì)與嬰兒白血病有關(guān)。EFSA構(gòu)建了AOP202——拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ抑制導(dǎo)致嬰兒白血病，該AOP是通過拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ(topo Ⅱ)功能紊亂導(dǎo)致MLL基因重排，最終形成急性白血病[29]，示意圖如圖7所示。農(nóng)藥毒死蜱是該AOP的應(yīng)激源之一，該AOP通過確定毒死蜱等化學(xué)物誘導(dǎo)嬰兒白血病的潛在病因機(jī)制，填補(bǔ)了病因?qū)W和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之間的知識(shí)空白，從而有助于在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中對(duì)流行病學(xué)研究進(jìn)行解釋和整合。

2.5 AOP在致癌性方面的應(yīng)用

在AOP wiki中，有一些農(nóng)藥作為應(yīng)激源導(dǎo)致癌癥的AOP，AOP162——肝分解代謝甲狀腺激素增強(qiáng)，最終導(dǎo)致大鼠和小鼠甲狀腺濾泡細(xì)胞腺瘤和癌。噻唑煙酸、除蟲菊酯類和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥是該AOP的應(yīng)激源，且具有中等證據(jù)強(qiáng)度。

與致癌性有關(guān)的AOP中的MIE和一些早期KE是導(dǎo)致癌癥的必要不充分條件，化學(xué)物質(zhì)是否能引起腫瘤的形成與導(dǎo)致異常增生變化的后續(xù)關(guān)鍵事件密切相關(guān)[30]。Rooney等[31]對(duì)導(dǎo)致肝癌的AOP中主要MIE和KE進(jìn)行了檢測(cè)，并據(jù)此預(yù)測(cè)化學(xué)物質(zhì)的短期暴露是否會(huì)在嚙齒動(dòng)物中引起肝癌。通過基于化合物AOP的預(yù)測(cè)，可以鎖定癌癥風(fēng)險(xiǎn)的早期指標(biāo)，這有助于在早期階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。AOP框架提供了直觀的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別信息，將AOP應(yīng)用于化學(xué)物致癌風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估具有良好的前景[32]。

圖7 AOP202——DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶II抑制導(dǎo)致嬰兒白血病的示意圖(摘自AOP wiki)Fig. 7 Schematic overview on the AOP202 for the development of infant leukaemia by inhibitor binding to topoisomeraseⅡenzyme (adapted from AOP wiki)

2.6 定量AOP的應(yīng)用

AOP潛在的應(yīng)用包括完善試驗(yàn)結(jié)果和KE之間的知識(shí)空白，以及對(duì)測(cè)試物的優(yōu)先性進(jìn)行排序，在此基礎(chǔ)上，AOP還能進(jìn)一步演變?yōu)閷⒈┞稊?shù)據(jù)與AO相關(guān)聯(lián)的定量預(yù)測(cè)工具[18]。大多數(shù)AOP是基于定性的機(jī)制證據(jù)構(gòu)建的，而定量AOP則建立在毒代動(dòng)力學(xué)-毒效動(dòng)力學(xué)建模方法的基礎(chǔ)上。定量AOP對(duì)于篩選新型污染物以及評(píng)價(jià)其測(cè)試優(yōu)先級(jí)是必要的，同時(shí)進(jìn)行定量AOP測(cè)試也可以支持危害和風(fēng)險(xiǎn)決策。

在一個(gè)定量AOP中，對(duì)于每對(duì)KE，可以得出定量的KER，并且通過對(duì)每個(gè)建立定量關(guān)系的KER，可以快速建立預(yù)測(cè)性AOP模型的原型。Foran等[33]使用基于現(xiàn)有知識(shí)構(gòu)建定量AOP的方法，演示了2種定量AOP，分別是抑制細(xì)胞色素P450芳香化酶導(dǎo)致黑頭軟口鰷繁殖力降低以及離子型谷氨酸受體介導(dǎo)的興奮性毒性導(dǎo)致人的記憶障礙。Doering等[34]也構(gòu)建了一種定量AOP，從芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor, AhR)的激活到鳥類和魚的早期生命階段死亡，進(jìn)行了MIE和AO之間的間接、定量連接。將MIE的激活水平與AO的預(yù)期程度或發(fā)生的可能性進(jìn)行定量關(guān)聯(lián)。當(dāng)在體外AhR的反式激活發(fā)生時(shí)，該定量AOP能夠從摩爾質(zhì)量以及化學(xué)物的物種特異性著手，預(yù)測(cè)二噁英類化合物引起鳥類和魚類早期生命階段死亡率的劑量反應(yīng)曲線。

2.7 AOP在農(nóng)藥復(fù)合暴露的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥的混合使用會(huì)帶來累積風(fēng)險(xiǎn)，為了評(píng)估農(nóng)藥的累積風(fēng)險(xiǎn)，EFSA在2019年提出了一種新的農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法考慮了農(nóng)藥在累積評(píng)估組(cumulative assessment groups, CAGs)中的協(xié)同作用，即使農(nóng)藥活性物質(zhì)具有不同的作用模式(mode of action, MOA)，但是它們影響了相同的靶器官或系統(tǒng)，則將其分組在一起[35]。目前EFSA的工作重點(diǎn)是將這種方法與定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)建模相結(jié)合，將農(nóng)藥分為相似的組，預(yù)測(cè)它們的聯(lián)合毒性效應(yīng)。

AOP框架可以為農(nóng)藥的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的分組提供參考和依據(jù)，因?yàn)锳OP框架可以將具有相同MIE或KE的化學(xué)物質(zhì)混合物進(jìn)行匯總，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)表征[36]。此外，AOP的研究對(duì)象是MIE或KE，而不必拘泥于單一化學(xué)物質(zhì)，故AOP網(wǎng)絡(luò)的概念可用于農(nóng)藥復(fù)合暴露的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，且可以將復(fù)合污染中具有相似特性的化合物進(jìn)行分組。混合物中的各物質(zhì)可能在不同生物水平上具有共同的作用位點(diǎn)，例如共同的靶器官、共同的效應(yīng)或者有害結(jié)局。當(dāng)在評(píng)價(jià)混合物的復(fù)合暴露風(fēng)險(xiǎn)的過程中遇到缺少某些物質(zhì)AO毒性數(shù)據(jù)的情況時(shí)，還可以使用AOP網(wǎng)絡(luò)中KE的毒性數(shù)據(jù)來進(jìn)行分組。

對(duì)于農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的危害評(píng)估部分，可以使用2種方法來評(píng)估化學(xué)混合物的毒性。一種方法是測(cè)試整個(gè)混合物的效應(yīng)(自上而下的方法)，另一種方法是測(cè)試混合物中單個(gè)化合物的效應(yīng)(自下而上的方法)。測(cè)試整個(gè)混合物效應(yīng)的方法經(jīng)常應(yīng)用于環(huán)境樣品，該方法具有評(píng)估未知成分混合物毒性的優(yōu)點(diǎn)[37]。

AOP可以支持自上而下的方法，單一化學(xué)物質(zhì)的水平通常會(huì)低于化學(xué)分析和生物學(xué)的檢測(cè)限，但是它們聯(lián)合暴露可能產(chǎn)生可檢測(cè)的生物學(xué)反應(yīng)，此時(shí)便可利用AOP網(wǎng)絡(luò)來評(píng)估混合污染物的復(fù)合暴露。基于AOP的方法可以有助于解釋混合物的效應(yīng)，而不必解析混合物的每個(gè)成分[38]。另一方面，混合物復(fù)合暴露的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以基于AOP框架中的生物測(cè)定法進(jìn)行評(píng)估，這有助于鑒定化學(xué)物質(zhì)和毒性途徑。

3 AOP在農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)管理中的應(yīng)用(Application of AOP in pesticides risk management)

由于田間經(jīng)常使用多種毒性不同的農(nóng)藥，各個(gè)農(nóng)藥暴露時(shí)間和水平也不相同，評(píng)估農(nóng)藥對(duì)人類健康影響的風(fēng)險(xiǎn)并非易事。但是無論農(nóng)藥對(duì)人類健康影響的風(fēng)險(xiǎn)有多困難，農(nóng)藥商業(yè)化的授權(quán)都需要活性物質(zhì)對(duì)人類健康潛在不良影響的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常來源于急性毒性、亞慢性或亞急性毒性、慢性毒性、致癌性、遺傳毒性、致畸性測(cè)試以及以大鼠為哺乳動(dòng)物模型的刺激性試驗(yàn)。US EPA用于評(píng)估農(nóng)藥對(duì)人類健康風(fēng)險(xiǎn)的毒性測(cè)試分為急性毒性試驗(yàn)、亞慢性毒性測(cè)試、慢性毒性測(cè)試、生殖發(fā)育測(cè)試、致突變測(cè)試和內(nèi)分泌干擾測(cè)試[39]。AOP的構(gòu)建可以優(yōu)化這些毒性測(cè)試，并且AOP中整合的機(jī)制信息可以有效指導(dǎo)測(cè)試方法的選擇。

農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供人類健康風(fēng)險(xiǎn)或生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的信息，農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)管理則考慮農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和其他因素，權(quán)衡各種政策要求，從而選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)防和控制措施[40]。AOP可以應(yīng)用在化學(xué)管理的各個(gè)階段的各種化學(xué)決策場(chǎng)景中，以匯集數(shù)據(jù)并為化學(xué)物評(píng)估和管理提供指導(dǎo)。如研究人員可以使用AOP框架來識(shí)別KEs，在早期研發(fā)階段篩選測(cè)定化合物，完整的AOP網(wǎng)絡(luò)則可指導(dǎo)篩選出更安全的候選化合物[41]。EDSP也在使用AOP來組織和整合生物學(xué)數(shù)據(jù)，以評(píng)估化學(xué)品的內(nèi)分泌活性[23]。

4 總結(jié)與展望(Conclusion and outlook)

AOP的構(gòu)建可以為農(nóng)藥暴露與人類疾病患病風(fēng)險(xiǎn)增加之間提供機(jī)制信息，有望闡明農(nóng)藥潛在的毒性機(jī)制，從而促進(jìn)篩查分析的施行。除此之外，AOP還可以為農(nóng)藥復(fù)合暴露的累積風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供農(nóng)藥分組的依據(jù)[42]。AOP方法為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估者創(chuàng)造了優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兠枋隽藦谋┞对吹紸O的因果關(guān)系。通過這種手段，可以對(duì)當(dāng)前知識(shí)、數(shù)據(jù)缺口和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的不確定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。

隨著風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究不斷深入，目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理對(duì)探究機(jī)制層面原因的需求不斷增加，同時(shí)面臨著日益嚴(yán)重的化學(xué)物質(zhì)復(fù)合暴露風(fēng)險(xiǎn)的管控。同時(shí)，減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用的要求也日益迫切。針對(duì)以上問題，實(shí)施和使用AOP將作為當(dāng)前和未來化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的戰(zhàn)略步驟。

綜合來看，盡管AOP可填補(bǔ)效應(yīng)和機(jī)制之間的知識(shí)空白，也可對(duì)混合物中的各種成分進(jìn)行歸類，但是單一、線性和定性的AOP在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的用途有限。因?yàn)樯锿緩绞菑?fù)雜的，而且僅以定性術(shù)語來描述AOP，無法了解MIE、KE和AO之間的定量關(guān)系，對(duì)于AOP的定量理解是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所必需的。此外，毒性機(jī)制可能包括正反饋回路，如乙酸乙烯酯會(huì)代謝形成2種代謝物，一種可能引起細(xì)胞毒性，另一種誘導(dǎo)DNA-蛋白質(zhì)加合物，這2個(gè)事件表現(xiàn)出協(xié)同作用，線性AOP難以呈現(xiàn)這種復(fù)雜的機(jī)制[43]。因此，在未來的農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理中，應(yīng)更加關(guān)注AOP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在AOP網(wǎng)絡(luò)中，可以將單個(gè)MIE與多個(gè)AO聯(lián)系起來，更有助于未來的研究以及非動(dòng)物毒性測(cè)試方法的發(fā)展[44]。