高通量筛选数据FAIR化与纳米材料毒性评估：ToxFAIRy自动化工作流程的开发与应用

本研究针对纳米材料(NAMs)毒性评估中高通量筛选(HTS)数据处理的标准化难题，开发了ToxFAIRy自动化工作流程，整合FAIR(可查找、可访问、可互操作、可重用)原则与Tox5-score毒性评分系统。通过Python模块和Orange3-ToxFAIRy插件，实现了从原始数据预处理、多端点毒性参数计算到NeXus格式FAIR化的一站式分析，显著提升数据复用效率。案例研究验证了该工具在纳米材料分组(如二氧化硅、量子点)和跨细胞模型(BEAS-2B/A549)毒性比较中的实用性，为替代动物实验(3Rs)的NAM新方法提供关键技术支撑。

　　

论文解读

在纳米技术迅猛发展的今天，纳米材料(NMs)的安全性评估成为科学界与监管机构共同面临的挑战。传统动物实验不仅耗时耗力，还面临伦理争议，而新兴的"新方法学"(NAMs)虽能通过高通量筛选(HTS)快速获取毒性数据，却因数据格式混乱、预处理繁琐等问题难以实现跨研究复用。更棘手的是，纳米材料的毒性机制涉及多端点(如细胞活力、DNA损伤、氧化应激等)，需要整合多维数据才能准确评估。如何将海量HTS数据转化为符合FAIR原则(可查找、可访问、可互操作、可重用)的标准化信息，成为推动纳米安全研究的关键瓶颈。

针对这一难题，来自保加利亚Ideaconsult有限公司、芬兰Misvik Biology等机构的研究团队开发了ToxFAIRy自动化工作流程。这项发表于《Journal of Cheminformatics》的研究，通过结合Tox5-score毒性评分系统与FAIR数据管理框架，构建了从实验数据到毒性分级的完整分析链条。研究团队利用欧盟HARMLESS和caLIBRAte项目的HTS数据集(包含30种纳米材料和5种化学对照)，验证了该工具在纳米材料分组和跨平台数据整合中的强大效能。

关键技术方法包括：1)基于Python开发的ToxFAIRy模块，实现数据读取、归一化(如DAPI核染色校正)和剂量-响应参数(如AUC、首次显著效应浓度)计算；2)整合ToxPi-R库进行多端点毒性评分(Tox5-score)，通过可视化饼图展示细胞活力(CTG)、凋亡等5类指标的贡献权重；3)通过Orange3-ToxFAIRy插件提供图形化操作界面，支持非编程人员构建自定义分析流程；4)利用eNanoMapper数据模型将原始数据与计算结果转换为NeXus格式，实现多维矩阵存储和交互式可视化。

研究结果

HTS实验设计与数据特征
研究采用BEAS-2B和A549两种人源细胞模型，分析5种毒性端点：CellTiter-Glo?(细胞活力)、DAPI(细胞数量)、γH2AX(DNA双链断裂)、8OHG(核酸氧化损伤)和Caspase-Glo?3/7(凋亡)。caLIBRAte数据集包含28种纳米材料在含/不含血清条件下的12浓度梯度测试，产生58,368个数据点。量子点数据则通过BET比表面积(S_BET)将剂量单位转换为cm²/cm²，更准确反映细胞实际暴露量。

Tox5-score评分系统的创新性
区别于传统的半数抑制浓度(GI₅₀)，Tox5-score整合了三个关键参数：首次显著效应浓度(2SD/3SD阈值)、曲线下面积(AUC)和最大效应值。通过ToxPi软件将各参数归一化为0-1分值，并按端点(如氧化应激权重16.7%)和时间点(如24h数据)分配权重。研究证明，这种多维度评分能有效区分不同毒性模式的材料，例如：

• 多孔二氧化硅(300nm-CuO掺杂)在氧化应激(8OHG)端点的贡献达34%
• 量子点(ZnCuInS核/ZnS壳)主要通过降低细胞数量(DAPI)和诱导氧化应激发挥作用
• 阳性对照氧化锌(NM-110)则以凋亡(Caspase-3)为主要毒性特征

FAIR化数据管理的实现
研究团队开发的HTS_METADATA模板解决了元数据标注不一致的痛点，例如将"HepG2/HEPG2"等异构名称标准化。通过pynanomapper库将数据转换为NeXus格式后，所有原始数据、预处理结果和毒性评分可存储在单一HDF5文件中，支持通过H5Web工具进行交互式查询。案例显示，多孔二氧化硅300nm-CuO的8OHG端点数据能以热图形式直观展示浓度-效应关系。

自动化工作流程的优势验证
与传统Excel处理相比，ToxFAIRy将数据分析时间从数周缩短至数小时，且错误率显著降低。通过Ward层次聚类分析发现，功能化纳米钻石(VoxP/Molto)与多孔二氧化硅形成显著聚类(AU>95%)，提示相似的生物活性模式。剂量单位转换实验证实，采用S_BET计算的cm²/cm²剂量比传统μg/mL更能反映材料真实毒性，如量子点PL-QD-CF的毒性排名随剂量单位改变提升12位。

结论与意义
该研究构建的ToxFAIRy工作流程首次实现了纳米毒性HTS数据从生成、评分到FAIR化的全链条自动化。其核心价值体现在三方面：

1. 方法学创新：Tox5-score系统通过整合多端点、多时间点数据，克服了单一GI₅₀指标的局限性，为纳米材料分组提供更全面的生物活性特征谱。
2. 技术整合：将Python计算模块、Orange可视化界面与NeXus数据标准深度融合，既满足专业人员的灵活分析需求，也降低非编程用户的使用门槛。
3. 社区推动：通过eNanoMapper数据库和Nanosafety Data Interface共享FAIR化数据，促进跨研究数据复用，加速"安全可持续设计"(SSbD)理念在纳米产品开发中的应用。

这项研究为替代动物实验的NAM策略提供了关键技术支撑，其框架亦可扩展至化学品、药物等其他领域的毒性评估。未来通过集成基准剂量(BMD)建模等更多算法，将进一步增强该平台在风险评估中的适用性。