组学技术在短期动物研究中的应用：加速化学风险评估的新范式与挑战

本文针对传统毒理学研究中动物实验周期长、资源消耗大的问题，探讨了如何通过整合转录组学(tPODs)、代谢组学等组学技术到短期(5-28天)啮齿类动物研究中，建立更高效、更具机制性的化学安全评估方法。研究展示了美国EPA开发的转录组评估产品(ETAP)在PFAS等数据缺乏化学品评估中的应用案例，证实分子起始点(PODs)与传统终点数据具有3-8倍的一致性。这项工作为下一代风险评估(NGRA)提供了关键技术支撑，推动从长期病理学研究向机制驱动的新型测试范式转变。

　　

在化学安全评估领域，一个长期存在的矛盾日益凸显：传统90天或2年的动物实验虽然能提供全面的毒性数据，但其耗时耗力的特点与现代社会对快速、精准风险评估的需求格格不入。更令人担忧的是，这些基于病理终点的研究往往难以揭示化学物质的作用机制，就像只看到冰山一角而不知其全貌。随着全球对动物实验伦理的关注和"3R原则"（减少、优化、替代）的推行，寻找既能缩短研究周期又能深入理解毒性机制的替代方法成为当务之急。

正是在这样的背景下，组学技术(omics)的崛起为毒理学研究带来了革命性机遇。这些高通量技术如同给研究人员装上了"分子显微镜"，能够捕捉化学暴露后生物系统最细微的变化。其中，转录组学(transcriptomics)作为最成熟的技术，与代谢组学(metabolomics)、蛋白质组学(proteomics)等技术一起，正在改写毒理学研究的游戏规则。美国国家科学院(NAS)在2017年就预见性地指出，这些新方法将推动毒理学研究范式的根本转变。

这项发表在《Toxicological Sciences》的研究，系统探讨了如何将组学技术整合到短期(5-28天)动物实验中，以建立更快速、更具预测性的风险评估体系。研究团队来自多个国际机构，包括美国环保署(EPA)、健康与环境科学研究所(HESI)等，他们通过大量案例证实，这种整合方法不仅能提前发现毒性信号，还能深入揭示化学物质的作用机制。特别值得注意的是，这种方法产生的分子起始点(PODs)与传统长期研究得出的毒性数据具有良好的一致性，为替代传统长期实验提供了科学依据。

研究采用了几项关键技术方法：1) 美国EPA开发的转录组评估产品(ETAP)流程，通过5天重复给药大鼠实验结合靶向RNA测序(RNA-seq)分析多组织基因表达；2) 基准剂量(BMD)建模方法，用于从组学数据推导分子起始点(tPODs)；3) 多组学整合分析策略，同时考察转录组和代谢组变化；4) 健康与环境科学研究所(HESI)协调的多实验室验证研究，评估不同生物信息学流程对结果的影响。研究样本包括PFAS类物质如全氟-3-甲氧基丙酸(MOPA)和邻苯二甲酸二环己酯(DCHP)等数据缺乏化学品。

Next Generation Risk Assessment and Short-Term Mechanistic Animal Studies

研究指出，下一代风险评估(NGRA)的核心在于整合体外实验、计算模型和组学数据，而短期体内研究在其中扮演关键桥梁角色。通过分析113对28天与90天研究的回顾性数据，发现大多数毒性终点在28天内即可检出。这种"早期预警"系统不仅能显著缩短评估周期，还能通过机制数据提高人类相关性。

Use of Point of Departures from Omics data: US EPA's Approach and Research

美国EPA开发的ETAP流程展示了组学数据的实际应用价值。以MOPA为例，通过5天研究获得的tPOD(0.09 μg/kg-day)与长期数据相当。在发育毒性研究中，DCHP的胎儿睾丸tPOD与传统POD仅相差2.5倍，证明短期组学研究可有效预测长期毒性。

Toward Regulatory Application: Standardization and Confidence Building

研究强调标准化是组学数据监管应用的关键。不同生物信息学流程(如Williams趋势检验与ANOVA)可导致tPOD差异。HESI工作组正致力于建立统一的分析框架，包括基准剂量建模中的模型平均(model averaging)等最佳实践。

Expanding the Toolbox: Short-Term Mechanistic Animal Studies and Multi-Omics Integration

欧洲ECETOC的研究证实，在OECD 407指南28天研究中加入组学终点可提高预测性。血液组学因其微创性成为首选，而组织组学则面临样本处理等挑战。多组学整合能更全面捕捉毒性信号，特别是传统方法易遗漏的血液学和肝脏效应。

Interpretation Frameworks and Reporting Standards

研究团队评估了组学报告框架(OORF)和监管组学数据分析框架(R-ODAF)的应用价值。这些框架通过标准化差异基因筛选等步骤，提高数据的可比性和可重复性。值得注意的是，传统的2倍变化阈值可能不适于RNA-seq数据，通路一致性才是更可靠的筛选标准。

这项研究的重要意义在于为化学安全评估提供了切实可行的转型路径。通过将组学技术嵌入短期动物研究，不仅可将数据获取时间从数年缩短到数月，还能获得更丰富的机制信息。美国EPA的ETAP项目已经证明，这种方法能有效解决PFAS等"数据缺乏化学品"的评估难题。从更广阔的视角看，这项工作加速了从动物实验向新方法评估(NAM)的范式转变，同时为全球监管机构提供了可操作的技术路线图。当然，要实现这一愿景仍需解决生物信息学标准化、跨物种外推等挑战，但本研究无疑为21世纪的毒理学研究指明了前进方向。