《Food and Chemical Toxicology》：Investigating the Effect of Glutathione-Mediated Metabolism of Organophosphate Pesticides on Rat and Human Toxicokinetics Using Physiologically Based Kinetic Modeling
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摘要有机磷化合物在农业实践中被广泛用作农药。因此，公众通过食物接触到了这些农药。有机磷化合物在被吸收后可以生物活化，并抑制乙酰胆碱酯酶，从而影响神经功能。这些农药的代谢主要通过与细胞色素P450和对氧磷酶-1相关的酶进行研究。然而，定性的代谢研究和最近的PBK（药代动力学-生物化
摘要
有机磷化合物在农业实践中被广泛用作农药。因此，公众通过食物接触到了这些农药。有机磷化合物在被吸收后可以生物活化，并抑制乙酰胆碱酯酶，从而影响神经功能。这些农药的代谢主要通过与细胞色素P450和对氧磷酶-1相关的酶进行研究。然而，定性的代谢研究和最近的PBK（药代动力学-生物化学）建模研究表明，二甲有机磷化合物是通过谷胱甘肽介导的途径进行代谢的。因此，使用大鼠和人类肝脏S9组分进行了体外孵育实验，研究了二甲有机磷化合物甲基对氧磷和氧甲基磷的谷胱甘肽介导的代谢过程。对于甲基对氧磷，脱甲基作用依赖于S9蛋白和谷胱甘肽的存在，大鼠和人类的清除率分别为1.60 ± 0.007 L/小时/克肝脏和0.43 ± 0.036 L/小时/克肝脏。对于氧甲基磷，该反应仅依赖于谷胱甘肽，其化学清除率为0.800 ± 0.012 mL/小时。将这些清除率应用于PBK模型显著改善了甲基对氧磷和芬诺氧磷的预测结果，使预测的血液浓度差异从10倍减小到2倍或5倍，与体内实验数据相比。对于氧甲基磷，其化学脱甲基作用对其模拟的血浆浓度没有显著影响。
引言
有机磷农药在农业实践中被广泛使用，是维持农业产量和支持食品生产链的重要工具。虽然由于对人类和环境健康的威胁，一些特定的有机磷农药已被禁止（Donley, 2019），但许多国家仍在继续使用它们（Zhang, 2018）。有机磷农药能有效地抑制乙酰胆碱酯酶（AChE），这种酶对正常神经功能至关重要，无论是对目标物种还是非目标物种（Fukuto, 1990; Sultatos, 1994）。
有机磷农药可分为有机硫磷（OTPs）和有机磷（氧）（OPOs）。尽管OTPs通常对AChE的抑制作用较弱，但当它们被细胞色素P450（CYP450）酶生物活化为OPOs时，其抑制作用会增强（见图1）。已知OTPs和OPOs都主要通过肝脏中的CYP450酶进行解毒（Buratti et al., 2003; Ellison et al., 2012; Foxenberg et al., 2007; Nallani et al., 2023; Poet et al., 2003; Vitarius & Sultatos, 1994）。除了CYP450介导的代谢途径外，OPOs还通过肝脏和血浆中的对氧磷酶1（PON1）进行解毒（Chambers, 2008; Costa et al., 1999; Li et al., 2000）。虽然大鼠和人类中都发生了CYP450和PON1介导的反应，但这些物种之间的代谢率存在很大差异（Moerenhout et al., 2024）。
然而，尽管PON1和CYP450介导的反应已被很好地研究，但一些有机磷化合物也通过研究较少的谷胱甘肽S转移酶（GSTs）进行代谢（Clarke et al., 1998）。在OP农药中，主要是二甲OPOs通过GST代谢，而二乙基OPOs通过这条途径的代谢作用较弱（Abel et al., 2004; Benke & Murphy, 1975; Crawford et al., 1976; Fujioka & Casida, 2007; Fukami & Shishido, 1966; Fukunaga et al., 1969; Hollingworth, 1969; Hutson et al., 1972; Morello et al., 1967; Nakatsugawa et al., 1969; Shishido et al., 1972; Stenersen, 1969; Yamamoto et al., 1983）。到目前为止，有机磷农药的GST介导的代谢主要还是定性地进行研究。尽管其在基于生理学的药代动力学（PBK）模型开发中的重要性，但定量数据（如清除率或米氏常数参数）仍然缺乏。PBK模型是一组数学方程，描述了生物体的生理过程以及某种化学物质在该生物体内的吸收、分布、代谢和排泄方式。这些模型可用于估算组织内浓度，并研究物种间的毒代动力学和毒性差异。PBK模型还可以与定量体外到体内外推（QIVIVE）方法结合使用，以确定有机磷农药风险评估的起始点（Omwenga et al., 2021; Zhao et al., 2019, 2021）。
本研究的目的是利用S9亚细胞组分研究并量化二甲有机磷化合物的谷胱甘肽介导的代谢作用，从而得出特定物种的清除率。这些清除率可以用于将谷胱甘肽介导的代谢纳入通用的有机磷农药PBK模型中，进而研究其对大鼠和人类毒代动力学特征的影响。本研究是在先前研究（Moerenhout et al., 2024）的基础上进行的，该研究发现，仅包含CYP450和PON1介导代谢的PBK模型无法准确预测二甲有机磷农药甲基对氧磷（MPO）、芬诺氧磷（FNO）和氧甲基磷（OMO）的体内浓度。当前的研究重点关注这三种二甲有机磷化合物的谷胱甘肽介导的代谢，因为其他动力学参数和PBK模型的体内验证数据已经可用。
章节片段
化学品和试剂
甲基对氧磷（MPO；>98%）、氧甲基磷（OMO；>95%）、4-硝基苯酚（4NP；>99%）、还原型L-谷胱甘肽（GSH；>98%）、乙二胺四乙酸（EDTA；>99%）、甲酸、甲酸铵、盐酸（HCl）和Trizma碱（>99.9%）均从Merck Life Sciences N.V.（荷兰阿姆斯特丹）获得。四异丙基焦磷酸酰胺（iso-OMPA；95%）从BOC Sciences（德国）获得。乙醇（纯）和甲醇（UPLC/MS等级）以及乙腈（ACN；UPLC/MS等级）也是从该公司购买的。
脱甲基有机磷的形成
将MPO和OMO分别与或不含GSH和S9组分一起孵育，以研究这些农药的谷胱甘肽介导的代谢。研究发现dmMPO的形成依赖于S9和GSH，表明该反应是酶促的。量化了大鼠和人类的dmMPO形成速率，在测试的浓度范围内反应未达到饱和（见图3a）。两种物种之间的dmMPO形成速率存在4倍差异（0.237 vs 0.059 nmol/min/mg S9蛋白/μM）。
讨论
在体外清除研究中，谷胱甘肽介导的反应常常被忽视，但它们对于理解动力学和体内暴露特征以及使用无动物数据的测试方法进行风险评估至关重要。本研究证实了二甲有机磷化合物可以通过谷胱甘肽介导的反应进行代谢，并量化了甲基对氧磷和氧甲基磷的谷胱甘肽介导的反应动力学。
对于甲基对氧磷，研究发现……
CRediT作者贡献声明
Thijs Moerenhout: 写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据可视化，软件选择，方法论设计，实验设计，数据分析，概念构建。Wouter Bakker: 写作 – 审稿与编辑，方法论设计，实验设计，数据分析。Hans Bouwmeester: 写作 – 审稿与编辑，监督工作，资金筹集，概念构建。Nynke I. Kramer: 写作 – 审稿与编辑，监督工作，资金筹集，概念构建。
未引用的参考文献
Aharoni and O’Brien, 1968.
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Nynke I. Kramer曾担任《Food and Chemical Toxicology》期刊的客座编辑。鉴于她的客座编辑身份，她没有参与本文的同行评审过程，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。
致谢
本项工作是VHP4Safety项目的一部分，得到了荷兰研究委员会（NWO；NWA-ORC 1292.19.272）的资助。通过H.B.和N.I.K.对这项研究的贡献，该项目还得到了欧盟通过“欧洲化学风险评估合作伙伴关系”（PARC）项目（项目编号：101057014）的联合资助。本出版物仅代表作者的观点，不一定反映资助机构的观点。
Thijs M.J.A. Moerenhout|Wouter Bakker|Hans Bouwmeester|Nynke I. Kramer
