利用苯并[a]芘构建人支气管上皮细胞气液界面培养模型的PAH剂量预测模型及其在毒理学评估中的应用

为解决复杂体外模型在毒理学风险评估中剂量测定研究不足的问题，研究人员开发了基于气液界面培养的人支气管上皮细胞（ALI-HBECs）的多环芳烃（PAH）剂量预测模型。通过苯并[a]芘（BAP）暴露实验证实细胞具有代谢活化能力，并构建了能够描述BAP及其代谢产物7,8-二氢二醇（7,8-dihydrodiol）毒代动力学的数学模型。该研究为体外到体内外推（IVIVE）和新方法学（NAMs）在人类健康风险评估中的应用提供了关键技术支持。

　　

多环芳烃（PAH）是一类广泛存在于环境中的污染物，主要来源于有机物质的不完全燃烧，如汽车尾气、森林火灾和烟草烟雾等。人类通过吸入、摄入和皮肤接触等途径暴露于PAH，其中肺部是吸入暴露的主要靶器官。PAH具有致癌性、遗传毒性和致突变性，并可导致肺功能下降。苯并[a]芘（BAP）作为PAH的代表性化合物，因其高致癌潜力和整体毒性，常被用作PAH类化合物的参考物质。然而，PAH通常需要代谢活化才能发挥毒性作用，因此在缺乏代谢能力的简单体外模型中可能会低估其毒性。

传统毒性测试方法依赖于动物模型，但存在伦理问题、成本高和物种外推不确定性等局限。随着毒性测试新方法（NAMs）的快速发展，复杂体外系统和计算机预测模型正在被开发以提高化学安全性研究的效率和人类相关性。气液界面培养的人支气管上皮细胞（ALI-HBECs）能够重现体内人类肺部的细胞分化、上皮形态和全局基因表达模式，已成为吸入化合物毒性评估的重要工具。然而，这些ALI模型在监管风险评估中的接受度仍有限，部分原因是对其剂量测定的理解不足，限制了其在定量方法如体外到体内外推（IVIVE）中的应用。

为此，研究人员开展了一项研究，旨在构建ALI-HBECs中PAH的剂量测定模型，以BAP为参考化合物，评估细胞的代谢活化能力、反应性中间体的形成以及PAH的剂量测定，并将收集的数据应用于细胞剂量测定模型，以预测ALI-HBECs中PAH的剂量测定和代谢。该研究验证了ALI-HBECs对PAH代谢的能力，通过剂量测定模型描述了PAH与ALI-HBECs的相互作用，并增强了体外和计算机NAMs在提供人类相关性、准确和预测性数据用于IVIVE和人类健康风险评估的信心。

研究主要采用了以下关键技术方法：使用ALI培养的原代人支气管上皮细胞（HBECs）进行分化培养；通过超高效液相色谱（UPLC）分析BAP及其代谢产物的形成和分布；利用RNA测序技术评估基因表达；采用P450-Glo?测定CYP1A1酶活性；并基于质量平衡实验数据构建和优化细胞剂量测定模型。

研究结果部分显示，ALI-HBECs在BAP暴露后能够形成多种Phase 1代谢产物，包括BAP-3-phenol、BAP-4,5-dihydrodiol、BAP-7,8-dihydrodiol、BAP-9,10-dihydrodiol和BAP-7,8,9,10-tetrol等，并检测到Phase 2代谢产物如葡萄糖醛酸苷结合物。基因表达分析表明，ALI-HBECs构成性表达多种外源性代谢酶和转运蛋白相关基因，BAP暴露显著诱导了CYP1A1等基因的表达。CYP1A1酶活性测定显示，BAP暴露后酶活性迅速增加，在8小时达到峰值后缓慢下降。剂量测定模型模拟结果表明，BAP在细胞内的吸收和代谢随时间变化，代谢诱导和代谢产物的主动外流是描述BAP和7,8-dihydrodiol毒代动力学的关键因素。

讨论部分强调，ALI-HBECs具有代谢PAH的能力，其形态和功能与体内人类肺部高度相似，是PAH毒性评估的有力工具。所开发的剂量测定模型能够准确预测BAP及其代谢产物在ALI-HBECs中的毒代动力学，为理解PAH与测试系统的相互作用提供了支持。该模型可进一步用于其他PAH和PAH混合物的评估，增强其在PAH毒性预测、优先级排序和IVIVE中的应用。此外，研究还揭示了代谢诱导和主动外流在PAH剂量测定中的重要性，为未来研究提供了方向。

结论部分总结，该研究成功构建了ALI-HBECs中PAH的剂量测定模型，证实了细胞对PAH的代谢能力，并展示了复杂体外系统在提供人类相关性毒性数据方面的潜力。所开发的模型有助于将体外毒性数据外推至人类风险评估，为化学安全评价和监管决策提供了科学依据。未来研究可关注模型在环境相关浓度下的预测能力、个体差异的影响以及PAH混合物毒性评估的适应性。