整合PBPK模型与细胞实验的发育毒性预测新策略：体外与计算方法的协同创新

为解决传统动物实验在发育毒性评估中的局限性，研究人员通过整合生理药代动力学(PBPK)模型与ReproTracker、Stemina DevTOX quickPredict?和DNT体外测试体系，建立了定量关联体外活性浓度与人体暴露剂量的新方法。该研究成功预测了9种已知发育毒物和1种阴性对照的人类等效剂量(HED)，证实了NAM（新替代方法）在降低动物依赖性的同时提升风险评估的人体相关性，为化学安全评估范式转型提供了关键技术支撑。

　　

在化学安全评估领域，动物实验长期被视为发育毒性研究的金标准，但其存在伦理争议、种属差异及高通量筛选困难等固有缺陷。随着欧盟REACH法规和3R原则（减少、优化、替代动物实验）的推进，如何建立可靠的新替代方法(New Approach Methodologies, NAM)成为研究热点。当前体外测试体系虽能识别致畸潜能，却因缺乏定量关联人体暴露水平的框架而应用受限。尤其对于妊娠这一特殊生理状态，传统模型难以模拟母胎药代动力学动态变化，导致风险评估存在显著不确定性。

为突破这一瓶颈，美国国家环境健康科学研究所资助的研究团队开展了一项创新性研究。通过构建三层次生理药代动力学(PBPK)模型框架，将ReproTracker人诱导多能干细胞(hiPSC)分化模型、Stemina代谢组学检测及发育神经毒性(DNT)体外测试电池的数据进行整合，系统评估了咖啡因、沙利度胺等10种化合物的发育毒性阈值。研究成果发表于《Toxicology and Applied Pharmacology》，为实现动物实验替代提供了重要技术路径。

研究采用多学科交叉方法：1）建立包含母体-胎盘-胎儿单元的三层级PBPK模型（Tier 1仅含子宫、Tier 2增加胎盘/胎儿整体、Tier 3细化胎儿器官），通过Berkeley Madonna软件模拟不同妊娠阶段的化合物分布；2）运用蒙特卡洛模拟预测敏感人群（95百分位浓度）的暴露响应；3）结合反向剂量测定法将体外观测的基准浓度(BMC)转化为人类等效日剂量(HED)；4）通过全局敏感性分析识别关键参数，如脂肪游离质量(V_ffm
)和胎儿脑分配系数(PC_Br
)等。

3.1 PBPK建模验证
模型验证显示，除双酚A可能因样本污染导致预测偏低外，其余化合物在非妊娠/妊娠女性中的血浆浓度预测误差均小于2倍。特别值得注意的是，虽然缺乏人体数据，但基于大鼠参数构建的溴氰菊酯模型与既有文献(Mallick et al., 2020a,b)的模拟结果高度吻合（稳态血浆浓度分别为8.13与10.75 μg/L），证实了跨物种预测的可靠性。

3.2 体外-体内外推(IVIVE)
研究团队创新性地将体外测试体系与发育窗口匹配：ReproTracker和Stemina检测早期器官发生事件（妊娠5周前）对应Tier 1模型，而DNT电池中神经发生、突触形成等晚期事件则采用Tier 2/3模型。结果显示：

• 沙利度胺的体外衍生HED（6-49 mg/天）与临床致畸剂量（50 mg/天）高度吻合，且显著低于动物实验推导值（829-1924 mg/天）
• 溴氰菊酯在DNT测试中呈现端点特异性，神经网络形成和少突胶质细胞分化最敏感（HED 0.04 mg/kg/天），较常规发育毒性指标敏感80倍
• 阴性对照对乙酰氨基酚的预测HED（>10,000 mg/天）高于治疗剂量上限（4,000 mg/天），与DNT测试阴性结果一致

4.讨论与结论
该研究首次系统论证了PBPK模型在整合不同发育阶段体外数据方面的独特价值。通过明确各测试体系对应的敏感窗口（如ReproTracker反映原肠胚形成期、DNT电池覆盖神经发生关键事件），解决了传统评估中时空维度错配的难题。值得注意的是，咖啡因和卡马西平在DNT测试中呈假阴性，提示需完善代谢活化系统或拓展检测终点。

研究建立的"筛选级PBPK→化学特异性验证模型"分级策略（图7），为不同数据完备性场景提供了灵活解决方案。特别是将QSAR预测的ADME参数引入模型，显著拓展了方法适用范围。尽管胎盘主动转运、妊娠期酶活性变化等机制仍需深化，但该框架已成功实现从定性危害识别到定量风险评估的跨越。

这项工作的科学价值在于：1）创建了首个覆盖全妊娠周期的通用PBPK模型架构；2）证实体外发育毒性数据经合理外推可支持安全决策；3）为OECD测试指南的更新提供了技术依据。随着欧盟化学品可持续发展战略(CSF)的实施，这种整合计算毒理学与新型体外模型的范式，有望加速实现"零动物测试"的监管愿景。