生理药代动力学模型用于中药风险评估的思考及认识，生理药代动力学模型用于中药风险评估的思考及认识研究
近年来，中药不仅对常规疾病有良好的治疗作用，而且在治疗新型冠状病毒肺炎、埃博拉病毒等传染性疾病和癌症等疑难杂症方面发挥了积极的疗效，得到了我国国民乃至世界各国人民的广泛信任[1-3]。
但“马兜铃酸事件”和“中药重金属严重超标”等不良事件时有发生[4-5]，中药内源性有毒成分如马兜铃酸、嘧啶生物碱、雷公藤素及蒽醌类成分等，以及栽培加工中重金属和有害元素的污染
1中药风险评估现状健康风险评估是发现毒性风险、预防潜在危害、保障人体健康安全的有效措施，是通过描述某些物质或活动可能对人体造成有害影响和危害程度，给出合理安全暴露剂量限值的科学评估方法[8]。
经典风险评估研究分为危险识别和危害特征描述(统称危害评估)、暴露评估和风险特征描述四个基本步骤(9)。
近年来，我国某研究团队主要借鉴该典型风险评估模型，结合中药临床用药特点，建立了适用于中药外源有害物质的风险评估模型，为中药安全风险控制奠定了坚实的研究基础[10]。
由于中药成分复杂多样，且具有多种药物配伍作用的特点，难以快速揭示其毒力物质基础，且药物自身存在毒力成分时，需权衡风险程度与药物临床疗效的关系[11-12]。
这给中药内源性有毒物质的风险评估带来了一定的难度。
目前我国中药风险效益评估尚处于初步研究阶段，尚未形成完整的理论体系[13]。
1.1危害评估危害评估方法是收集大量毒性物质的体外和体内毒理学、毒代动力学( toxicokinetics，TK )和毒效动力学( toxicodynamics，TD )研究及流行病学调查信息进行危害识别和特征描述，主要是针对毒性随剂量增加而发生的病理变化确定初始毒性剂量( points of departure，POD )并进一步估算安全参考剂量( reference dose，RfD )的过程[14-17]。
目前，中药外源有害物质危害评估主要参考联合国粮农组织和世界卫生组织、美国环保署和欧洲食品安全局等国际权威机构发布的最新评估报告和数据[10]。
然而，经典的危害评估方法仍然存在一些问题。 (1)毒性信息很大程度上来源于动物实验研究，造成了大量的动物资源和测试成本消耗[ 18 ]。
此外，实验动物与人的生理生化结构差异以及种间代谢差异引起的选择性毒性反应等现实问题，直接通过动物研究结果评价人体潜在毒性存在极大的不确定性[19]。
)2)剂量反应评估时，主要以机体病理生化指标随体外摄入量的变化作为毒性反应的节点[20]。
而越来越多的人认为体外剂量不能准确反映体内靶位点毒性物质的累积，这并不意味着病理生化结果作为毒性反应的节点适用于所有物种和个体[21]。
)3)流行病学调查主要通过问卷和统计方式进行，不能排除个体间不同生理、活动及摄取途径的差异，且局限于局部人群，大量毒物质缺乏流行病学和临床相关信息[22-23]。
1.2暴露评估与风险特征说明暴露评估与风险特征说明是定性定量评估毒性物质的目标人群和暴露途径、持续时间、频率和程度，并将暴露评估结果与参考剂量进行比较分析，得出合理的安全指导建议的过程[24]。
暴露评估可分为体外和体内评估。
外部暴露评估是指根据中毒物质在摄取物中的残留情况和对象的摄取模式推测暴露量，反映个体暴露估计值，而内部暴露评估是指通过人体临床监测研究直接测定人体内暴露量，反映个体真实暴露水平[25]。
目前，中药外源性有害物质暴露评估是将对象的中药服用模式与中药中有害物质残留量相结合，用急慢性饮食暴露公式计算得到的体外暴露值[26]。
传统的暴露评估和风险特征描述还存在一定的局限性。 (1)临床监测研究是人体接触毒物质的直接证据，但只能提供人类排泄生物样品的定量数据，无法获得体内变化信息( [27-28] )； )2)无法对婴幼儿、青少年、孕妇、老年人等敏感人群或患病人群进行准确的风险描述[29-31]。
基于以上问题，越来越多的专家学者将生理药代动力学( physiologicallybasedpharmacokineticmodel，PBPK )模型用于不同物质的风险评估，旨在更好地推测毒物的人体安全参考剂量范围
目前，PBPK模型主要用于有毒有害物组织内剂量预测、异种剂量外推、不同暴露途径及剂量体内药动学( pharmacokinetics，PK )预测以及不同生命阶段或疾病人群PK预测等风险评估的各个研究阶段，科学
但在中药有害物质风险评估中尚未得到充分应用。
因此，本文将综述国内外研究文献，客观阐述PBPK模型在健康风险评估中的应用及功能优势和局限性，发现其在中药风险评估中的潜在利用价值，为中药安全性评估提供技术参考，为中药毒物质健康风险评估和限量标准的制定提供新策略
2 PBPK模型在健康风险评估中的应用PBPK模型根据机体生理和解剖学特性，将机体分为快速灌注和慢灌注两个集合隔室，将其他脏器或组织视为一个房室，通过血液流动连接起来构建一体化的生物体循环系统， 结合物质动力学特征建立PBPK本构模型，利用物质化学性质和实验研究数据，通过质量守恒方程求解物质在体内的吸收、分布、代谢和排泄( absorption，distribution，metabolism，and excretion，and excretion )
毒理学和风险评估领域也将其应用于生理毒代动力学( physiologicallybasedtoxicodynamicmodel，PBTK )模型和生理生物动力学( physiologicallybasedbiokineticmodel，PBBK )模型
PBPK模型不仅扩展到了单个小分子化学物质，还扩展到了化学混合物[38]、单克隆抗体[39]、蛋白质[40]、核苷酸和纳米粒子[41]以及细胞等其他各种物质的模拟。
被广泛用于药品和食品残留毒物以及环境污染物等有毒有害物质对人体健康和生态环境的风险评估研究[42-43]。
2.1用于组织内剂量学预测剂量反应评估是描述潜在毒性物质暴露风险的前提条件，其安全标准剂量预测的准确性直接影响人体健康风险评估结果[44]。
一般来说，大多数毒性物质的参考剂量基本由实验动物体外毒性剂量推导而来[45]。
但毒性分子与人体内靶位点相互作用引起毒性效应，且由于其自身化学性质在体内发生特定的代谢反应，通过胃肠吸收引起食物效应，均无法进入体循环，影响最终的系统生物利用度。
大多数化学品组织内剂量与体外剂量之间存在非常显著的非线性关系[46]。
因此，到达靶组织的物质剂量水平被认为比体外摄入量毒性评估准确性高[47-48]。
因此，许多风险评估专家将靶器官或组织内剂量作为估计参考剂量的重要指标[49-50]。
PBPK模型的一个显着优点是可以将有害物质的外部和体内剂量相关联，结合药效学( pharmacodynamics，PD )模型建立“暴露-剂量-反应”关系，是有害物质组织内的给药
PBPK模型在组织剂量学预测中有三个功能优势。 (1) PBPK模型用于通过模拟毒物内特定ADME动态机制的过程，预测毒物靶位点内随时间变化的浓度曲线和重复摄取后体内累积剂量( 53 )； )2) PBPK模型是基于生物组织结构建立的生理学模型，可用于体内任何组织或器官内剂量的预测； )3) PBPK模型包含消化道腔内食物流体力学数据，可用于预测食物摄入对毒性物质经口吸收过程中溶解度或溶解速度的影响，有助于提高毒性物质组织分布量的预测准确率( 54 )。
目前，大量的PBPK模型被用于组织剂量学预测研究。
由于人体组织内剂量难以测定，张等人[55]为了评估饮用水中两种溴乙腈对人体暴露的健康风险，建立了PBPK模型，以评估人体经饮用水摄入溴乙腈后的非致癌风险概率。
所建立的PBPK模型能较好地模拟溴乙腈在人体不同组织浓度随时间的分布变化，预测不同脏器的非致癌风险值排序，并提示组织血液分配系数及各组织血流量主要影响不同组织溴乙腈浓度排序
PBPK模型中预测组织器官浓度的最关键参数是毒物质组织血浆分配系数。
该参数可通过动物PK研究、体外平衡透析技术等实验方法或定量构效关系计算机预测方法获取[56-57]
但由于组织血浆分配系数表示稳态条件下组织与血浆间化合物浓度曲线下面积的比率，受溶解度、血浆/组织游离分数( Fup/Fut )、油水分配系数( lgP )、电离常数( pKa )、组织/血浆组成等各种物理化学和生理因素的影响[
因此，由于动物个体差异和体外实验结果误差，以及需要进一步验证计算机预测方法等问题，PBPK模型在组织内剂量预测中存在数据源限制和可变性。
2.2 )用于药物间外推的大部分有害物质危害识别数据基本来源于动物毒性研究，需要将动物研究确定的POD按体质量或体表面积比例缩放，再除以不确定系数，推导出人体安全参考剂量( 60 )。
但由于动物与人体之间的TK差异，动物实验结果无法真实反映人体毒性。
因此，动物毒性信息向人体风险信号的准确转换成为主要难点[61]。
PBPK模型的出现为解决这一难题提供了一种有效的转化方法[56]。
PBPK模型在织物的各种间剂量外推方面显示出独特的优势。
主要有两个原因： (1) PBPK模型包含文献中不同的动物或人体生理学信息，如体质量、组织体积、心输出量、组织血流量、酶和转运蛋白丰度、膜表面积等[62]。
根据各物种生理生化参数的差异，可建立不同物种的PBPK模型，更接近真实模拟某些生理学特征，取代风险评估中根据种属间或种属内不确定系数估算人体参考剂量的保守估算方法
例如，Sharma等[63]首先建立氟他胺及其代谢物大鼠PBPK模型，假设人体与大鼠组织血浆分配系数相同，调整组织体积、组织血流量等生理参数至符合人体要求，并建立氟他胺从大鼠模型外推建立人体PBPK模型，利用临床一次和多次口服不同时间点血药浓度数据验证模型可行性，建立模型
)2) PBPK模型不仅适用于鼠、猴、人等哺乳类动物，而且适用于牛、猪、羊、鸡、狗、马等粮食生产种，其应用范围非常广泛[37]。
某研究人员根据全氟辛烷磺酸TK的特点分别建立了全氟辛烷磺酸小鼠、大鼠、猴子、人体PBPK模型，通过不同物种的实验观测值验证了模型的预测性能，并将模型应用于全氟辛烷磺酸人体
由于PBPK模型包括多来源生理参数，以及个体差异或年龄、遗传多态性和疾病状态伴随的生理学变化，这些参数可能不完全适合某一特定物种或品种[65]。
此外，人体和动物体内组织和代谢组成存在较大差异[66]。 因此，PBPK模型中代谢相关数据是肝、肾及肠道内清除率[cl]及其固有清除率CLint、代谢酶反应速率常数Vmax和mills常数[km]等不同物种间剂量外推的主要影响参数[67]。
这些参数主要来自动物和体外的研究，并且许多研究者开发了各种异速放大方程用于不同物种之间和体外到体内参数的转换，以提高参数的准确性[47]。
常用的异速扩增算法有游离分数校正的幂指数法、单属法和游离分数截距校正法等[68]。
目前普遍通过人源体外代谢实验获得PBPK模型所需的代谢相关参数，但由于体内和体外系统生物转化酶所处环境的不同，会出现底物利用率和酶性能的差异，实验结果与体内效应会出现一定的偏差[69]。
因此，代谢数据的稳定性在PBPK建模过程中非常重要。
2.3用于体外和体内剂量外推，近年来美国国家研究委员会等权威机构开始呼吁研究基于人体细胞、细胞系或类组织器官的毒性机制[18]，通过识别毒性分子的有害最终途径揭示其毒性作用模式[70]，病理改变
然而，将体外局部效应浓度定量地转换为体内摄入量是一个巨大的挑战。
PBPK模型可将局部(细胞、器官和内分泌系统)毒性效应水平与全身暴露联系起来( 72 )。
因此，许多研究者将体外获得的毒性效应浓度作为POD，结合体内靶组织浓度，通过PBPK模型用反剂量法导出毒性物质的人体安全标准摄入量。 该方法为体外体内定量外推法[ quantitative in-vitro toin-vivoextrapolationmethod，qivive][770]
PBPK模型在体外和体内剂量外推应用中呈现三点优势： (1)在非动物实验模式下，PBPK模型可将体外毒物质ADME相关实验结果整合到完整的PK过程模型中[74]) PBPK建模方程)3)由于PBPK是机制驱动模型，结合定量效应相关技术，可为有害物质暴露于体外细胞的剂量水平和时间分布提供重要的预测信息，可用于指导设计合理的体外实验计划[75]。
目前，PBPK模型在QIVIVE研究中有很好的实践应用。
例如，Lin等[76]采用ToxCast体外高通量筛选技术结合QIVIVE方法进行双酚a及其类似物联合暴露风险评估，采用PBPK模型将体外雌激素受体生物活性浓度转化为人体口服剂量。
对于体外系统来说，细胞来源和体外培养环境与人体的相关性对于准确反映毒性物质在体内的TK/TD行为起着重要作用[77]，且许多研究者指出毒性物质与蛋白质的结合特征和清除率是引起化合物体外和体内活动差异的主要影响因素[78-79]
需要注意的是，任何体外模型都是极其简化的人体局部模型，不能完全复制整个机体内部的相互作用。
因此，在体外研究的基础上建立PBPK模型时，确保关键影响参数的数据质量有助于减少仿真误差，有效提高模型的预测性能。
此外，进行体外TD研究时，根据毒性关键分子事件选择合理的效应-浓度指标作为体外POD，可在一定程度上提高PBPK模型预测体外安全剂量的准确率[80]。
体外系统虽然不能克服动物实验的缺点，但可以作为有力的补充。
目前，研究人员正在着力开发微物理系统和人类基因芯片等新技术，如3D培养系统和类器官模型，以构建更接近生物体的体外模型，这有助于改善体外系统与人体的相关性[80]。
2.4用于不同暴露途径和剂量体内PK，预测毒性物质通过饮食摄入、空气吸入、皮肤接触等多种途径暴露于人体。
通过不同接触部位进入体内后，有害物质的吸收和分布过程会发生显著变化，针对不同途径进行相应的体内PK评估，对于揭示有害物质通过多种途径暴露于人体的潜在安全风险非常重要[81]。
PBPK模型是最有效的多途径和不同剂量的PK预测工具[82]。
其功能特点如下： (1) PBPK模型根据吸收途径的生理结构特征建立房室模型，细化模拟有毒物质进入体内的吸收过程。
当有害物质最主要的暴露途径是经口吸收时，PBPK模型可细分各胃肠道段形成高级吸收房室模型，模拟有害物质沿胃肠道管腔通过肠细胞层上膜的溶解、吸收及洗脱全过程[83]。
皮肤接触途径按实际皮层分为角质层、活表皮、真皮层3层[36]。
PBPK模型在皮肤表面沉积毒药后，向角质层和活表皮层扩散形成一个贮库，模拟真皮和血流缓慢吸收的过程构成皮肤吸收房室模型[84]。
PBPK气道吸入房室模型鼻腔及上气道按组织间隔分为腔、上皮和黏膜下组织层[85]。
)2) PBPK模型已广泛用于毒性物质的口服吸收、注射给药、肺部吸入、皮肤渗透等多途径的PK预测。
还可根据实验操作的实际情况，建立ig、sc和ip等途径的动物PBPK模型[86]。
)3) PBPK模型可以通过调整剂量进行高剂量到低剂量的有效外推。
实际情况下，毒性物质多以低剂量暴露于人体，而动物实验多在高剂量条件下进行毒性研究，从而导致部分物质在体内出现代谢饱和现象，外部暴露剂量与中毒风险之间形成非线性关系，导致风险评估误差。
PBPK模型包含代谢信息，可以描述物质的线性动力学过程，也可以通过非线性方程描述饱和消除过程[87]。
2.5用于通过不同生命阶段或疾病群的PK预测不同的健康和疾病群，导致年龄和疾病中的体内生理特征发生变化，如老年人代谢活性降低、新生儿肾脏清除率降低、妊娠血浆白蛋白浓度降至正常水平的2/3左右[88]。
老年人、孕妇、儿童等敏感群体比成人更容易受到有害物质的不良影响，特别是疾病人群更容易因免疫功能下降而致残，这大大增加了这类人群的风险。
由于难以获取这些敏感人群和患病人群的临床监测数据，PBPK模型提供了虚拟仿真平台，用于预测此类人群体内PK和组织内剂量，为风险评估研究提供有效的数据信息[90]。
PBPK模型有三种用途。 (1) PBPK模型包含各生命阶段的人体生理信息，不仅适用于不同性别的健康成人，也适用于胎儿、新生儿、婴儿、儿童、孕妇和哺乳期妇女和老年人群[65]等其他生命阶段。 模型可通过包含年龄或性别相关性的变化信息来评估这些变化对污染物TK的影响。
已有研究人员通过综合人体全生命周期生理和解剖详细信息，开发出适用于所有年龄段(0(80岁和产前人群)的通用型人体PBPK模型，在1，3 -丁二烯和硫代丙炔两种有机危害物中短期或长期存在于体内
2 ) PBPK模型结合各种统计算法分析建模的主要影响因素，可以评价不同个体和群体之间的变异性，有助于降低预测误差率。
例如，用个体和子群划分法观察个体间变异对模型输出的影响，用概率边界法估计群体概率分布的上下边界，用蒙特卡罗法和贝叶斯法敏感地分析输入参数[91-93]，达到模型输出的总体不确定性水平
)3) PBPK模型可用于疾病患者的PK预测[94]。
现有研究人员根据生理学变化特点建立了肝功能衰竭、肾功能衰竭及肥胖症人体PBPK模型[95-97]。
但由于不同人群的病症类型和程度存在一定差异，有必要根据实际应用引入更多重要病理特征，区分不同症状类型和程度，建立更准确的疾病人体模型[98]。
因此，疾病患者PBPK模型有待进一步完善和实践验证。
3 PBPK模型在中药有害物风险评估研究中的价值随着计算机技术和数字化信息的飞速发展人们对计算机虚拟实验替代方法价值的认识逐渐提高。
美国食品药品监督管理局等权威监管机构已认识到PBPK模型的重要性，并将其列入新药注册审核环节[99-100]。
PBPK是建立在系统先验信息基础上的生物机制模型，研究模型为“自下而上”方法，其结构不受实验数据的影响。
总结其结构特征： (1)考虑物质自身性质特征，在模型中引入了lgP、pKa、溶解性等化学特征参数)； )2)考虑不同生物体的生理学多样性，在模型中引入了不同动物人体相关的生理学参数，如器官体积、血流量、组织质量、吸收速度、跨细胞膜扩散、心输出量等[58] (3)考虑化学物质与生物体的相互作用特性，模型中存在渗透率包括组织血浆分配系数以及肝、肾等代谢器官中的CL，以及转运蛋白和代谢酶动力学相关参数( Km和Vmax )等表征参数( 101 )。
由于模型参数没有限制，因此可以通过调整优化来获得最佳拟合模型。
PBPK模型的实际应用需要融合多种建模技术，从经验算法到经典统计模型，再到描述各房室中化合物的传输、代谢、结合和清除[57]。
与所有建模和实验技术一样，随着模型结构的复杂性，错误风险也随之增加[36]
因此，重视化合物的生物学机制及其物理化学性质，选择合理的组织房室模型，保证建模参数和验证数据的可靠性，在保证与使用场景相关性的同时尽量减少模型结构复杂度，是有效利用PBPK模型的基本要素
PBPK模型应用强大，但需要注意以下三点。 (1) PBPK模型：根据进入体内的化合物是否存在细胞或组织膜扩散障碍，可分为膜渗透速率限制动力学和灌注速率限制动力学两种扩散方式； 通用模型假设血液中化合物均与组织互换，均匀分布在脏器中，但如果化合物在体内以多种水解或键的形式存在，则需另行考虑其他代谢形式的定量分布形式或建立其他PBPK模型[
)2) PBPK模型可用于描述相同途径代谢的化合物之间定量相互作用的协同效应，但两种或多种化学物质之间的相互作用涉及吸收前的相互作用、对共同代谢途径的竞争、对毒性作用位点的竞争，仅靠PBPK模型无法充分描述这一复杂过程
)3) PBPK模型需要大量输入参数的支持，其预测精度与化学品毒性研究的丰富度正相关，在缺乏毒性相关证据的情况下，PBPK模型只能是推测性结果，需要在严密的实验数据验证基础上用于风险决策
因此，应避免理想化应用，正确认识PBPK模型的作用功能和不足，利用其突出优势合理设计实验方案，充分收集可用数据信息、有机相关分子生物学以及机器学习等技术方法，将人体预测数据用于评估物质毒性安全风险。
4结语中药毒性物质风险评估研究已取得较大进展，但仍存在许多亟待解决的问题。 (1)由于中药毒性研究尚不充分，许多有毒中药对毒性成分及相应限量标准尚不明确()。 )2)除毒性明显的重金属和农药外，中药还存在其他农药、真菌毒素和植物生长调节剂等外源有害物污染的，需要进行系统性风险评估； )3)限量标准的外源有害物质危害评估基本参考国外权威机构提出的安全标准剂量，从有害物质自身对人体的毒性风险角度制定安全限量，没有考虑中药与有害物质的相互作用对毒性效应的影响； )4)中药具有多种毒物质同时暴露的特点，存在引起累积毒性作用的潜在风险，中药中多物质共同暴露的混合效应评价方法尚未建立[5]。
因此，发现和挖掘合理先进的风险评估技术和手段是解决中药安全性问题的重要前提。
已有研究者结合PBPK模型和支持向量机分类方法，对雷公藤甲素、大黄素、苦参碱和氧化苦参碱等中药成分进行了肝毒性血药浓度预测[104]。
通过总结分析PBPK模型的应用优势和局限性，PBPK模型在中药内源性有毒类成分的预测识别和优先级划分、外源性有害物单独和联合暴露的危害评估和人体安全剂量预测等临床风险评估中具有极大的利用价值，为中药毒性研究和风险评估的科学基础和效率奠定了基础
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突参考文献(略)来源：苏布达、李晓萌、刘慧、杨珅、魏金霞、李遇伯。 生理药代动力学模型用于中药风险评估的思考与认识[J] .中药，2022，53 ( 15 ) 4593-4603 .