彭穎，張瀚心，張效偉

1. 流域環(huán)境生態(tài)工程研發(fā)中心，北京師范大學(xué)自然科學(xué)高等研究院，珠海 519087 2. 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實驗室，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023 3. 生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心化學(xué)品部，北京100029

全球化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致化學(xué)品潛在的環(huán)境和健康風(fēng)險不斷增加，這對化學(xué)品的風(fēng)險管理提出更高要求。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UN Environment Programme, UNEP)《全球化學(xué)品展望Ⅱ》(GlobalChemicalsOutlookⅡ)的最新數(shù)據(jù)，2017年全球包括藥品在內(nèi)的化學(xué)品銷售額合計達(dá)到5.68萬億美元，預(yù)計2017—2030年期間銷售額將翻一番，中國將占全球銷售額的近50%[1]。2018年全球商業(yè)流通中的工業(yè)化學(xué)品約4～6萬種[2]，歐洲現(xiàn)有的注冊商業(yè)化學(xué)物質(zhì)清單下使用的化學(xué)品約有14萬種[3]，美國環(huán)境保護(hù)局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)《有毒物質(zhì)控制法清單》[4]上列出的化學(xué)品有8.5萬種，我國《中國現(xiàn)有化學(xué)物質(zhì)名錄》統(tǒng)計的現(xiàn)有化學(xué)物質(zhì)約4.5萬種[5]。與此同時，新化學(xué)物質(zhì)數(shù)量逐年遞增，化學(xué)品潛在風(fēng)險仍然不斷增加。傳統(tǒng)的化學(xué)品毒性測試如依靠動物實驗的體內(nèi)毒性測試方法周期長、成本高，已不能滿足現(xiàn)階段化學(xué)品風(fēng)險評估的需求，亟需更經(jīng)濟(jì)有效、具有物種特異性與基于毒性機(jī)制的毒性測試方法，如人類體外檢測方法和其他新興技術(shù)[6]。2007年，美國國家研究委員會(National Research Council, NRC)發(fā)表報告《21世紀(jì)毒性測試：愿景與策略》(ToxicityTestinginthe21stCentury:AVisionandaStrategy, TT21C)，概述了21世紀(jì)毒性測試的未來方向和發(fā)展戰(zhàn)略，提出將由以動物個體為基礎(chǔ)的毒性測試體系轉(zhuǎn)為基于人體細(xì)胞為主的體外測試體系，關(guān)注化學(xué)物質(zhì)與特定分子靶點(diǎn)間相互作用探究化學(xué)品對生物學(xué)基本過程影響的“毒性通路”，從而預(yù)測化學(xué)品對生物的影響、評估化學(xué)品的安全[7]。歐盟委員會科學(xué)委員會(European Commission Scientific Committee)發(fā)表的指導(dǎo)文件《應(yīng)對風(fēng)險評估的新挑戰(zhàn)》(AddressingtheNewChallengesforRiskAssessment)，強(qiáng)調(diào)了利用分子和細(xì)胞生物學(xué)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險評估的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)[8]，但還缺乏統(tǒng)一的將分子水平的毒性測試方法納入到生態(tài)或人類健康風(fēng)險評估中的方法[9]。

1 AOP框架概述(Overview of AOP framework)

在上述背景和基礎(chǔ)上，2010年，Ankley等[10]提出了有害結(jié)局路徑(adverse outcome pathway, AOP)的概念框架。一個AOP代表了化學(xué)物質(zhì)干擾下各種生物水平上的聯(lián)系，化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入生物體內(nèi)，首先和特定靶向分子發(fā)生相互作用，即激活分子啟動事件(molecular initiating event, MIE)，進(jìn)而通過關(guān)鍵事件(key event, KE)等誘導(dǎo)生理變化，最終導(dǎo)致與風(fēng)險評估相關(guān)的有害結(jié)局(adverse outcome, AO)。AOP基于化學(xué)品的性質(zhì)，從系統(tǒng)生物學(xué)的角度概括了化學(xué)品所誘導(dǎo)的分子水平響應(yīng)，以及在該分子響應(yīng)水平上細(xì)胞、組織和器官的毒性效應(yīng)，進(jìn)而推導(dǎo)出在個體、種群上的有害結(jié)局。近10年來，AOP框架逐漸發(fā)展成熟，被認(rèn)為是將生物信息組織成一種可用于評估化學(xué)品對人體健康和生態(tài)環(huán)境生物毒性的新方法，其開發(fā)的目的是用于化學(xué)品的評估和監(jiān)管工作，包括優(yōu)先級評估和危害性預(yù)測，最終實現(xiàn)風(fēng)險評估并應(yīng)用于管理決策。

1.1 AOP數(shù)據(jù)庫(AOP Knowledge Base, AOP-KB)

2012年經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)在本身已有的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上開始發(fā)展AOP項目，用于指導(dǎo)化學(xué)品及其他潛在毒害物質(zhì)的毒性測試。2014年，AOP數(shù)據(jù)庫(AOP Knowledge Base, AOP-KB) (https://aopkb.oecd.org/index.html)發(fā)布，該數(shù)據(jù)庫由OECD、US EPA、歐洲委員會聯(lián)合研究中心(European Commission’s Joint Research Centre, JRC)、美國陸軍研究工程師研究和發(fā)展中心(Engineer Research and Development Center, ERDC)共同參與研發(fā)。

AOP-KB包括不同的模塊，是一個不斷發(fā)展和改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)平臺工具，旨在將關(guān)于化學(xué)品如何引起有害結(jié)局的所有知識集合在一起，為AOP的開發(fā)和傳播提供服務(wù)，圖1為AOP的開發(fā)的全過程示意圖(http://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/adverse-outcome-pathways-molecular-screening-and-toxicogenomics.htm)。AOP-KB的主要構(gòu)成包括AOP門戶(AOP potrol, https://aopkb.oecd.org/search.ashx)、AOP維基百科(AOP wiki, https://aopwiki.org/)和圖形界面Effectopedia(https://www.effectopedia.org/)等。另外，AOP Xpolorer、AOP-DB和Intermediate Effects DB等第三方模塊正在開發(fā)。截至2020年12月共有367個AOPs被提交到AOP wiki(其中有36個處于OECD審查、批準(zhǔn)或認(rèn)可的狀態(tài))。

圖1 有害結(jié)局路徑(adverse outcome pathway, AOP)開發(fā)的全過程示意圖 (http://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/adverse-outcome-pathways-molecular-screening-and-toxicogenomics.htm)Fig. 1 Representation of the adverse outcome pathway (AOP) development process (Source from: http://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/adverse-outcome-pathways-molecular-screening-and-toxicogenomics.htm)

1.2 定性AOPs與定量AOPs

定性AOPs(qualitative AOPs)系統(tǒng)地構(gòu)建了化學(xué)物質(zhì)與受體、酶或其他生物分子間的相互作用(分子啟動事件)到有害結(jié)局的關(guān)鍵事件關(guān)聯(lián)的知識，從而使其能用于危害評估[11]。盡管定性AOPs適用于危害評估，但從固有的描述性AOP中并不能直接推斷出化學(xué)品的潛在風(fēng)險，難以提供準(zhǔn)確的風(fēng)險評估。因此，亟需擴(kuò)展AOP框架以預(yù)測可能在個體和種群水平上導(dǎo)致有害結(jié)局的化學(xué)劑量或濃度[12-13]。這種擴(kuò)展需要對分子啟動事件、關(guān)鍵事件和有害結(jié)局之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的定量描述[14]。定量AOPs(quantitative AOPs, qAOPs)由一個或多個基于生物學(xué)的計算模型組成，模型描述了分子啟動事件與有害結(jié)局之間的關(guān)鍵事件的關(guān)聯(lián)，并提供定量的劑量-響應(yīng)和時間-響應(yīng)信息，能為毒害污染物的健康和生態(tài)風(fēng)險管控提供有效的決策依據(jù)[11]。

定性和定量AOPs都可以通過識別、構(gòu)建和整合現(xiàn)有的化學(xué)危害證據(jù)，用于風(fēng)險表征(圖2)。然而風(fēng)險表征需要劑量-響應(yīng)評估與暴露評估相結(jié)合，只有qAOPs能將暴露與導(dǎo)致AOP中起始點(diǎn)(point of departure, POD)所需的化學(xué)物質(zhì)的量聯(lián)系起來。當(dāng)有足夠的定量信息可描述劑量-響應(yīng)和/或響應(yīng)-響應(yīng)分子發(fā)起的事件之間的關(guān)系、關(guān)鍵事件和有害結(jié)局時，通過qAOPs可以確定導(dǎo)致劑量-效應(yīng)評估中產(chǎn)生有害結(jié)局所需的外部劑量。qAOPs作為一種預(yù)測計算模型，通過了解上游KE的擾動程度預(yù)測下游AO的發(fā)生情況。OECD在開發(fā)基于綜合測試與評估方法(integrated approaches to testing and assessment, IATA)中使用AOPs的指南中指出，qAOPs可以幫助研究者以KE為目標(biāo)，并為測試指南的開發(fā)或修改選擇適當(dāng)?shù)臏y定方法來預(yù)測AO。因此，qAOPs的發(fā)展對AOP框架應(yīng)用于化學(xué)品風(fēng)險管控至關(guān)重要。本文第2節(jié)將重點(diǎn)介紹qAOPs構(gòu)建的基本框架、方法模型、研究案例及應(yīng)用。

圖2 化學(xué)品危害與風(fēng)險評估中的定性與定量有害結(jié)局路徑[11]注：定量的AOPs(qAOPs)是由定性的AOPs發(fā)展而來的，但對關(guān)鍵事件(KE)關(guān)系(KERs)有定量的描述符(f(x))； 定性AOPs與qAOPs均可用于危害與風(fēng)險評估，f(x)代表一個數(shù)值或者統(tǒng)計函數(shù)。Fig. 2 Qualitative AOPs and quantitative AOPs (qAOPs) models in chemical hazard and risk assessment [11]Note: quantitative AOPs (qAOPs) are developed from qualitative AOPs but have quantitative descriptors (f(x)) for key event (KE) relationships (KERs); both qualitative AOPs and qAOPs can be used in hazard identification and assessment, in which f(x) may represent a mathematical or statistical function; MIE stands for molecular initiating event.

2 定量AOPs的研究進(jìn)展(Research advance of quantitative AOPs)

21世紀(jì)毒理學(xué)的目標(biāo)是在利用更少的資源(時間、金錢和動物)的同時，在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)對化學(xué)品風(fēng)險的評估。為實現(xiàn)該目標(biāo)，關(guān)鍵是要具備準(zhǔn)確預(yù)測未經(jīng)檢測化學(xué)品對生物個體、或種群水平的潛在危害的能力，可利用來自計算模型、體外測試或具有特定效應(yīng)終點(diǎn)的個體短期測試，快速評估化學(xué)品與生物系統(tǒng)間的相互作用。AOP框架則以一種因果關(guān)聯(lián)的方式將對化學(xué)物質(zhì)的活性評估轉(zhuǎn)換成與風(fēng)險評估相關(guān)的響應(yīng)。在對AO進(jìn)行定量預(yù)測的背景下，qAOPs是這一過程自然演變的產(chǎn)物，從理論上講，不需要任何長期的動物試驗就可以實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的風(fēng)險評估。Perkins等[11]認(rèn)為qAOPs可用于2類主要問題：(1)理解和評估新的、未經(jīng)測試的化學(xué)品對特定物種的風(fēng)險；(2)了解和評估某一特定(組)化學(xué)品對未經(jīng)檢驗的新物種的風(fēng)險。

2.1 qAOPs構(gòu)建的基本框架與步驟

目前國際上尚無構(gòu)建qAOPs的標(biāo)準(zhǔn)化流程和方法，但歐洲食品安全局(European Food Safety Authority)用于化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險評估的機(jī)制效應(yīng)模型的評估框架(transparent and comprehensive ecological modeling documentation, TRACE)為qAOPs建模提供示范和指導(dǎo)，主要包括模型驗證、敏感性分析、驗證和不確定性分析等主要步驟。在TRACE框架的基礎(chǔ)上，Perkins等[11]提出了qAOPs建模的基本步驟，包括(1)定義問題；(2)使用建模方法組裝概念模型，并將其轉(zhuǎn)換為計算代碼；(3)數(shù)據(jù)裝配和模型參數(shù)化；(4)模型測試，包括敏感性和不確定性分析；(5)最后利用該模型支持管理決策。

構(gòu)建qAOP模型首先明確其將要解決的問題。qAOP模型所需的結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)程度和可信度在很大程度上取決于需要解決的具體問題以及與決策相關(guān)的內(nèi)容[15]，比如將采取何種監(jiān)管行動或作出何種決定，或保護(hù)哪些目標(biāo)。因此，開發(fā)qAOP模型的第一步是確定研究需要解決的目標(biāo)問題是什么，預(yù)估所需的生物學(xué)精確度水平，并評估是否有足夠多的信息來進(jìn)行建模。

完整的qAOP模型從數(shù)學(xué)上描述了關(guān)鍵事件之間的聯(lián)系，將MIE激活的劑量-響應(yīng)與KER的響應(yīng)-響應(yīng)動力學(xué)以及有害結(jié)局的表現(xiàn)聯(lián)系起來。qAOP模型的原始結(jié)構(gòu)(MIE、KE與KER等)可以基于科學(xué)證據(jù)從頭構(gòu)建，也可以從AOP數(shù)據(jù)庫中的定性AOP中獲得，其可提供較為完整的生物學(xué)和毒理學(xué)信息，而不需要額外收集新的數(shù)據(jù)。本綜述中討論的qAOP構(gòu)建案例是基于AOP數(shù)據(jù)庫開發(fā)得到的。

在qAOP模型的開發(fā)中，最重要的是保證合適數(shù)據(jù)的可用性，需要MIE、KE和AO的定量數(shù)據(jù)對KER進(jìn)行建模和參數(shù)化。AOP數(shù)據(jù)庫、US EPA開發(fā)的綜合計算毒理學(xué)在線資源庫(aggregated computational toxicology resource, ACToR)等可提供qAOP建模所需要的基本信息[16]。值得注意的是，開發(fā)描述多個KER的高精度模型需要詳細(xì)的濃度/劑量-響應(yīng)和響應(yīng)-響應(yīng)間關(guān)系的數(shù)據(jù)[11]，理想情況下至少需要5組以建立劑量/響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系。若構(gòu)建的目標(biāo)模型的重點(diǎn)是與時間變化相關(guān)的事件，則用于時間序列分析的統(tǒng)計/建模方法至少需要10個時間點(diǎn)。若開發(fā)非模式物種或瀕危物種的qAOP模型，則需要從模式物種與相關(guān)物種的理論關(guān)系推斷、量化特定目標(biāo)物種的qAOP模型。

模型測試也是模型構(gòu)建的重要步驟，包括模型的敏感性和不確定性分析。Perkins等[11]指出敏感性分析需要測試定量模型是否充分描述了MIE、KE和AO之間的關(guān)系，可使用建模以外的其他化學(xué)物質(zhì)或獨(dú)立數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。不確定性分析需要通過與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計算偏差，識別數(shù)據(jù)的差異，將參數(shù)和結(jié)構(gòu)的不確定性納入預(yù)測中，判斷置信度是否足夠。

2.2 qAOP模型的構(gòu)建方法

qAOP模型可以為危害和風(fēng)險評估提供從描述性知識到預(yù)測有害結(jié)局的橋梁，從描述性AOP到qAOP的變化標(biāo)志著響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系的生物學(xué)或動力學(xué)在統(tǒng)計上的描述，或者在KER中通過一個數(shù)學(xué)方程進(jìn)行統(tǒng)計描述。AOP模型可以使用不同層級的KER參數(shù)規(guī)范，從等級權(quán)重到具有函數(shù)關(guān)系(包括概率關(guān)系)，再到具體相鄰的關(guān)鍵事件如何交互作用的整個模型。根據(jù)已有數(shù)據(jù)的可用性以及對KER機(jī)制的了解程度，可以選擇使用不同的方法構(gòu)建qAOP模型，目前常用的數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型包括以下幾種[11]。

(1)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型(Bayesian network models)：構(gòu)建的響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系可以從簡單的二進(jìn)制關(guān)系(激活與不激活)到多種級別(效力等級)[17-18]。該模型可用于包含多個相互作用AOPs的大型網(wǎng)絡(luò)模型的開發(fā)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中其他KE的狀態(tài)來預(yù)測下游公共KE或AO發(fā)生的可能性。

(2)回歸模型(regression models)：是一類用于評估可測量的變量之間關(guān)系的統(tǒng)計模型，在AOP上下游中，用于預(yù)測的變量可以是特定KE的測量值，可用來預(yù)測下游KE或AO。構(gòu)建回歸模型的數(shù)據(jù)要求來自于響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系范圍內(nèi)、從同一實驗中收集的至少2個不同KEA的測量值[11]。

(3)常微分方程模型(ordinary differential equation models, ODEs)：當(dāng)需要構(gòu)建的qAOPs的關(guān)鍵事件之間的關(guān)系涉及到時間維度，則可以選擇使用常微分方程模型方法進(jìn)行構(gòu)建。該qAOP模型可以應(yīng)用于生物組織的任何水平，從生物分子相互作用，如類固醇生成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[19-20]，到細(xì)胞動力學(xué)，如T細(xì)胞增殖[21]；到種群動力學(xué)，如生態(tài)建模[22]。

(4)基于個體的模型(individual or agent based models, IBMs)：基于個體的模型可以追蹤個體隨時間變化的行為，通過匯集描述種群的關(guān)鍵統(tǒng)計指標(biāo)，如生存、繁殖和運(yùn)動等[23]，對象可以是分子、組織中的細(xì)胞和群體中的個體[11]。

(5)動態(tài)能量平衡模型(dynamic energy budget models, DEB)：DEB將生物體視為一個將能量和質(zhì)量吸收到體內(nèi)的系統(tǒng)，并描述了這些能量和質(zhì)量是如何用于維持或執(zhí)行各種生理功能。DEB模型是基于常微分方程(ODEs)描述隨時間變化的生長、繁殖和維持等生理功能，以及環(huán)境壓力的潛在影響[24-25]，它適用于不同生活史的物種。qAOP和DEB模型之間的交互比對將提高qAOP模型的預(yù)測能力，并將KE置于一個框架中，該框架將通過將其嵌入到IBMs中來進(jìn)行種群水平效應(yīng)的外推[26]。

(6)種群模型(population models)：種群水平上的危害是化學(xué)物質(zhì)監(jiān)管和決策的最終目標(biāo)。qAOP模型需要納入合適的種群模型，通過對個體生存和繁殖的影響來評估個體表現(xiàn)對種群動態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響[27]。種群模型有多種類型，非結(jié)構(gòu)化的有序-微分方程模型如邏輯斯蒂(logistic)種群增長模型[28]、結(jié)構(gòu)化種群模型如矩陣投影模型[29]和基于個體的模型[30]。

2.3 qAOPs案例及其應(yīng)用

目前構(gòu)建的qAOPs較少，本文基于AOP數(shù)據(jù)庫匯總了9種構(gòu)建了定量關(guān)系的AOP(表1)。涉及的AO涵蓋了不同生物水平上的有害效應(yīng)，包括與生物個體生長發(fā)育、生殖、皮膚致敏、肝臟損傷、神經(jīng)毒性和腎臟損傷相關(guān)的毒理學(xué)終點(diǎn)。

其中有害結(jié)局與生態(tài)風(fēng)險評估相關(guān)的qAOPs有4條(表1)。研究較為全面的是芳香化酶(aromatase)抑制導(dǎo)致魚類卵黃蛋白原(vitellogenin, VTG)酶活下降，最終導(dǎo)致魚類繁殖力下降的AOP(AOP ID: 25)，構(gòu)建的qAOP模型涵蓋了黑頭軟口鰷不同水平的生物效應(yīng)及計算模型[14]，為未經(jīng)測試過的化學(xué)物質(zhì)危害預(yù)測提供了示范案例[14]，并研究了該qAOP模型在其他魚類物種如日本青鳉魚(Oryziaslatipes)、斑馬魚(Daniorerio)的適用性[31]。芳香化酶抑制的qAOP中的3個模型分別如下。(1)雌性黑頭軟口鰷的下丘腦-垂體-性腺(hypothalamic-pitutitary-gonada, HPG軸)內(nèi)分泌軸模型：在芳香化酶的抑制作用下，睪酮到17β-estradiol(E2)的轉(zhuǎn)換受到抑制，導(dǎo)致依賴E2的卵黃蛋白的合成減少，該模型通過測定芳香化酶活性預(yù)測血漿中VTG的濃度水平。(2)依賴VTG的卵細(xì)胞生長動力學(xué)模型：描述了血漿中VTG濃度水平與卵細(xì)胞發(fā)育、產(chǎn)卵(繁殖力)之間的關(guān)系。(3)種群模型：應(yīng)用了Miller和Ankley開發(fā)的密度相關(guān)的logistic矩陣模型[32]，通過輸入對生命率影響的估算值(例如，發(fā)生在特定年齡的繁殖力的變化)、用于構(gòu)建萊斯利(Leslie)投影矩陣的生命周期表和承載力估算值，輸出與密度相關(guān)的種群軌跡。將上述3個模型耦合在一起，可對具有芳香化酶抑制作用的化學(xué)品效力(相對于陽性參考物質(zhì))進(jìn)行測量，并對指定的暴露場景模擬劑量響應(yīng)和時間過程。Wittwehr等[15]基于芳香化酶抑制劑參考物質(zhì)法屈唑(fadrozole)構(gòu)建的qAOP模型(HPG模型部分)，使用毒性當(dāng)量法計算一種未經(jīng)測試的化學(xué)物質(zhì)異菌脲(iprodione)的效應(yīng)基準(zhǔn)值，成功預(yù)測了黑頭軟口鰷暴露于異菌脲時對血漿中E2水平的影響。同時，Conolly等[14]還利用響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系和交互參照(read-across)的方法對生態(tài)風(fēng)險管控相關(guān)的毒性效應(yīng)終點(diǎn)(魚類種群數(shù)量)進(jìn)行半定量計算，預(yù)測出黑頭軟口鰷在該物質(zhì)低于33 μg·L-1濃度下的持續(xù)暴露會造成20%魚類種群數(shù)量減少的危害。到目前為止，大約2 000種化學(xué)物質(zhì)在ToxCast的一種核心毒素(NVS ADME hCYP19A1)體外測試中被評估為可抑制芳香化酶活性，共有168種化學(xué)物質(zhì)確認(rèn)為具有芳香化酶抑制效力(EC50值范圍為0.3 ng·L-1～16.3μg·L-1)，未來可進(jìn)一步測試或驗證該芳香化酶抑制的qAOP對其他芳香化酶抑制劑生態(tài)毒性的預(yù)測能力，促進(jìn)該qAOP在化學(xué)品的危害篩查方面的實際應(yīng)用。

在對典型的二噁英及類二噁英物質(zhì)(dioxins-like compounds, DLCs)通過AhR激活致毒機(jī)制了解的基礎(chǔ)上，Doering等[33-35]針對DLCs構(gòu)建了AhR激活(MIE)導(dǎo)致鳥類和魚類生命早期階段死亡(AO)的qAOP(AOP ID: 21)。并根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)中DLCs暴露濃度和胚胎死亡率的實際劑量-響應(yīng)曲線構(gòu)建了MIE與目標(biāo)AO間的定量關(guān)系，還評估了基于體外AhR活性測試對鳥類和魚類生命早期階段死亡的預(yù)測能力，qAOP的預(yù)測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的胚胎毒性測試結(jié)果的平均差異為2.2。盡管現(xiàn)有研究表明該qAOP可拓展至不同的生物物種，但該qAOP對其他潛在的DLCs的危害識別能力還需要進(jìn)一步研究。

另外2個最新開發(fā)的qAOP分別是光合磷酸化解耦聯(lián)劑(DCP)抑制水生植物浮萍(Lemnaminor)[36]生長(AOP ID: 245)和納米銀顆粒通過氧化應(yīng)激誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲的生殖毒性[37](AOP ID: 207)，兩者均使用了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建MIE、KE與AO之間的定量關(guān)系，但兩者均屬于初步構(gòu)建階段，模型的驗證和不確定性分析還需要進(jìn)一步的研究。

與人體健康風(fēng)險評估相關(guān)的qAOP有5條(表1)。其中皮膚致敏是個人護(hù)理品安全性評估的一個重要毒理學(xué)指標(biāo)。Jaworska等[17]和Pirone等[38]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法，通過整合體外試驗和計算模型的事件測量值，來評估一種化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致皮膚敏化的效力，可用于篩選可能導(dǎo)致皮膚敏化的化學(xué)物質(zhì)。OECD建立的皮膚致敏AOP框架也是首個成功應(yīng)用于法規(guī)的案例?；谠揂OP框架的直接多肽結(jié)合測試、抗氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)錄元件-核因子E2相關(guān)因子(ARE-Nrf2)熒光素酶檢測法和人類細(xì)胞系活化測試被化學(xué)品注冊、評估、許可和限制(Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals, REACH)法規(guī)納入認(rèn)可的皮膚致敏檢測方法范疇。

表1 基于AOP數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的qAOPs及其應(yīng)用Table 1 Developed qAOPs based on AOP wiki and its application

Burgoon等[39]通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)建了脂肪酸氧化抑制導(dǎo)致脂肪變性的qAOP(AOP ID: 213)，被用來預(yù)測化學(xué)混合物的危害。該研究使用了過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptorγ, PPAR-γ)完全激動劑(藥物羅格列酮)和部分PPAR-γ激動劑、過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPAR-α)完全激動劑全氟類有機(jī)污染物(perfluorooctanoic acid, POFA)為對象，通過qAOP預(yù)測的兩者共同作用導(dǎo)致脂肪變性的概率與羅格列酮對肥胖患者影響的臨床研究中的結(jié)果一致[40]，也與高脂飲食聯(lián)合羅格列酮喂養(yǎng)小鼠的脂肪變性的結(jié)果一致[41]。該研究為解決化學(xué)混合物的危害評估提供了很好的示范。AOP貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型能夠?qū)瘜W(xué)混合物通過相同與不同的MIE而導(dǎo)致的潛在危害進(jìn)行有效的預(yù)測，可用于化學(xué)品和化學(xué)混合物的危害篩查與化學(xué)物質(zhì)優(yōu)先排序研究。

Zgheib等[42]以簡化的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的慢性腎臟疾病qAOP(AOP ID: 284)為例，根據(jù)RPTEC/TERT1細(xì)胞暴露于溴酸鉀獲得的體外數(shù)據(jù)，比較了3種構(gòu)建qAOP方法的優(yōu)劣(基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)的劑量-反應(yīng)模型、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型和系統(tǒng)生物學(xué)模型)，建議至少采取2種建模方法同時進(jìn)行研究，以避開qAOP開發(fā)過程中的陷阱。

在已有AOP“谷氨酸激動劑與成人大腦中的離子性谷氨酸受體結(jié)合導(dǎo)致興奮性毒性，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶障礙”[43](AOP ID: 48)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)oran等[44]通過一種模塊化組裝的方法簡單快速地構(gòu)建了用于評估人暴露于軟骨藻酸后導(dǎo)致的潛在記憶損失的qAOP，該方法要求表征每個KER間的響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系函數(shù)。相比其他方法，該方法在發(fā)展KE之間的響應(yīng)-響應(yīng)關(guān)系方面需要的時間和數(shù)據(jù)更少，但模型的不確定性更高，較為適合化學(xué)品危害的初級篩查階段。

Hassan等[45]在嚙齒類動物模型中構(gòu)建了根據(jù)經(jīng)驗推導(dǎo)的qAOP。該qAOP以大腦神經(jīng)元皮質(zhì)異位(甲狀腺依賴的神經(jīng)發(fā)育毒性)為AO，通過試驗得到的數(shù)據(jù)對甲狀腺AOP(AOP ID: 42)中的幾個KE(甲狀腺過氧化物酶抑制、甲狀腺素合成障礙、血清和腦甲狀腺素缺陷和子代大腦結(jié)構(gòu)畸形)進(jìn)行定量描述，預(yù)測了血清中甲狀腺素(thyroxine, T4)的變化，評估甲狀腺干擾物對大腦發(fā)育的潛在影響。但是該qAOP目前僅適用于甲狀腺過氧化物酶抗體(thyroid peroxidase, TPO)抑制劑的模式化學(xué)物質(zhì)丙基硫氧嘧啶(6-propyl-2-sulfanylidene-1H-pyrimidin-4-one, PTU)，最近用于篩選1 074種體外抑制TPO的外源性藥物，其中超過300種化學(xué)物質(zhì)在體外被確定為TPO抑制劑，后期需要進(jìn)一步確定該定量關(guān)系的程度和分析預(yù)測模型的不確定性，未來可用于評估其他潛在甲狀腺抑制劑的危害。

3 總結(jié)與展望(Conclusions and perspectives)

3.1 qAOPs發(fā)展中的問題

雖然上述的研究案例展現(xiàn)了qAOPs在化學(xué)物質(zhì)危害預(yù)測與風(fēng)險管理方面的應(yīng)用潛力，如預(yù)測單一化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致的與風(fēng)險評估監(jiān)管有關(guān)的危害、外推至未經(jīng)測試的化學(xué)物質(zhì)和其他物種、化學(xué)品優(yōu)先排序與篩查等，但是大部分qAOPs的開發(fā)處于模型構(gòu)建的初步階段，仍存在一些亟需解決的問題。

(1)已構(gòu)建的qAOP模型預(yù)測能力的可信度亟需提高，需要進(jìn)一步的驗證、優(yōu)化與完善，包括加大對潛在毒害化學(xué)物質(zhì)、本土物種(或?qū)嶋H管理中所關(guān)心的特定物種)的適用性研究、不確定性的定量分析等工作，才能促進(jìn)它們在化學(xué)物質(zhì)的風(fēng)險評估與管理決策方面的應(yīng)用。qAOPs對其他潛在毒害化學(xué)物質(zhì)的預(yù)測能力的提升，可通過開發(fā)和選擇合適的體外測試方法測量生物學(xué)效應(yīng)，為化學(xué)適用性研究提供足夠的實驗數(shù)據(jù)。另外可通過對模式物種與特定目標(biāo)物種(本土物種或瀕危物種)間特定劑量-效應(yīng)關(guān)系中參數(shù)(如受體的激活與結(jié)合的親和力)的研究，拓展qAOPs對其他生態(tài)物種的適用性研究[14]。

(2)qAOP模型的完善和新qAOPs的開發(fā)受到毒性機(jī)制信息及相關(guān)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏的限制。qAOPs的各個關(guān)鍵要素的識別與驗證，均需要投入大量的時間、精力等資源才能獲得。其中包括分子水平上的MIE、KE，中間多個KE間的關(guān)聯(lián)信息，以及個體或種群水平的AO等信息。針對這一問題，有研究人員建議未來qAOPs的開發(fā)工作可優(yōu)先考慮現(xiàn)階段已有完整信息的定性AOP[14]。

(3)化學(xué)物質(zhì)致毒機(jī)制信息缺乏中，最關(guān)鍵的問題是大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的MIE仍然未知，這嚴(yán)重限制了AOPs在化學(xué)物質(zhì)風(fēng)險評估中的應(yīng)用。解決這一問題可通過組學(xué)方法了解生物學(xué)通路的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)識別分子水平變化。組學(xué)技術(shù)如轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)能在單個樣本中評估數(shù)萬個基因及其產(chǎn)物的反應(yīng)，提供測得的基因、蛋白質(zhì)和/或代謝物的高含量數(shù)據(jù)集[46]，結(jié)合計算生物學(xué)的方法將這些數(shù)據(jù)集納入AOPs的分析和應(yīng)用中，能幫助識別和理解MIE和早期KE[47]。在AOP框架下利用組學(xué)數(shù)據(jù)識別新的MIE與KE、理解其如何導(dǎo)致AO，并提供定量信息，這將會極大促進(jìn)qAOPs的發(fā)展。

(4)現(xiàn)有qAOPs尚未考慮到化學(xué)物質(zhì)的暴露過程，獲得生物體內(nèi)靶位點(diǎn)(target site)的化學(xué)暴露濃度對于使用qAOP模型準(zhǔn)確預(yù)測有害效應(yīng)/結(jié)局的程度是至關(guān)重要的[48]。體內(nèi)和體外的毒代動力學(xué)的不確定性和差異是重要的參數(shù)，如暴露條件、生物可利用性、吸附、分布、代謝或排泄等，將會影響通過外暴露濃度的預(yù)測危害的結(jié)果[11]。

(5)現(xiàn)有qAOPs的模型構(gòu)建步驟與方法還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在發(fā)展過程中使用規(guī)范的建模方法，將模型預(yù)測的結(jié)果和對解決化學(xué)品監(jiān)管問題的能力進(jìn)行測試和記錄，能夠有效并及時了解qAOP模型存在的問題，幫助提高預(yù)測的可靠性。

3.2 未來展望

AOPs不僅僅是一種能識別出有毒化學(xué)物質(zhì)的潛在健康風(fēng)險的工具，也會為化學(xué)物質(zhì)的健康與環(huán)境風(fēng)險管控提供重要支持。除了應(yīng)用于單一化學(xué)物質(zhì)的危害預(yù)測外，針對真實環(huán)境中混合暴露的生態(tài)健康風(fēng)險評估難題[49-51]，未來可探索基于qAOPs預(yù)測化學(xué)混合物暴露導(dǎo)致的生態(tài)危害。隨著qAOPs與AOP網(wǎng)絡(luò)(AOP network)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，還可采用基于生物效應(yīng)的測試方法(effect-based methods, EBMs)[52]與AOP網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合的方法，評估環(huán)境混合物暴露導(dǎo)致的生態(tài)危害，如根據(jù)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)確定生物類群、敏感物種(優(yōu)先關(guān)注物種)及可能發(fā)生的有害結(jié)局(毒性類型、毒性終點(diǎn))，然后根據(jù)優(yōu)先關(guān)注的敏感生態(tài)物種的有害結(jié)局，確定關(guān)鍵的目標(biāo)AOP，再選擇相應(yīng)的生物測試方法，進(jìn)而對復(fù)合水環(huán)境中的毒害物質(zhì)進(jìn)行風(fēng)險評價與管理[53]。

將qAOPs拓展到更高層次的生物組織，可促進(jìn)對環(huán)境影響的實地評估和診斷，有助于實現(xiàn)對個體、種群和群落水平危害預(yù)測的生態(tài)風(fēng)險評估。如結(jié)合環(huán)境DNA(environmental DNA)技術(shù)對水生態(tài)群落進(jìn)行生物多樣性監(jiān)測，構(gòu)建生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)模型，從而將有害結(jié)局從化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致個體效應(yīng)終點(diǎn)(如死亡率、發(fā)育和繁殖)擴(kuò)展到對水生態(tài)系統(tǒng)健康評價和管理更重要的效應(yīng)終點(diǎn)(生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能)。將當(dāng)前AOP框架的概念擴(kuò)展到群落和生態(tài)系統(tǒng)，可促進(jìn)對化學(xué)物質(zhì)毒作用機(jī)制和非化學(xué)脅迫因子評估的研究[54]。

盡管目前只有較少的qAOPs應(yīng)用于化學(xué)品風(fēng)險評估與管理的案例，隨著更多qAOPs的構(gòu)建與進(jìn)一步完善，它在化學(xué)品風(fēng)險評估領(lǐng)域上將得到更廣泛的應(yīng)用。建議參考Patlewicz等[47]提出的支持AOP應(yīng)用于化學(xué)品管控的科學(xué)框架，探索利用現(xiàn)有成熟qAOPs應(yīng)用于不同層次的化學(xué)品監(jiān)管。例如將qAOPs應(yīng)用于化學(xué)品風(fēng)險評估的初級階段(化學(xué)品分類與優(yōu)先級評估)，可獲得更多的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化qAOP模型，為未來AOP的實際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和經(jīng)驗。