通过综合网络毒理学、机器学习、生物信息学及体外验证方法，研究3-邻苯氧基苯甲酸暴露对肌肉减少症（sarcopenia）的毒性作用

《Chemico-Biological Interactions》：Investigating the Toxicological Effects of 3-Phenoxybenzoic Acid Exposure on Sarcopenia via Integrated Network Toxicology, Machine Learning, Bioinformatics, and In Vitro Validation

　　**摘要**
3-苯氧基苯甲酸（3-PBA）是广泛存在于拟除虫菊酯类杀虫剂中的代谢产物，存在潜在的健康风险，但其在不同病理状态（如肌肉减少症）中的具体作用机制仍不明确。本研究综合运用了网络毒理学、机器学习（包括LASSO、弹性网、随机森林和SVM-RFE算法）、SHAP分析、分子对接、分子动力学模拟以及体外验证等方法，来探究其潜在影响。最终筛选出119个候选基因，并确定了5个关键基因（GOT2、HDAC4、NDUFS3、ORAI1和PLIN3）。富集分析表明这些基因与能量代谢、氧化磷酸化、肌肉收缩、氧化应激相关过程及线粒体功能密切相关。分子对接和分子动力学模拟结果支持3-PBA与这些关键蛋白之间存在相互作用，同时揭示了这些复合物的动态特性。在C2C12细胞实验中，3-PBA抑制了细胞活力，增加了Atrogin-1和MuRF1的表达，降低了Myog mRNA的水平，并改变了这5个关键基因的转录水平。进一步的功能实验和MYOM3免疫荧光分析显示，3-PBA暴露后细胞内ATP水平下降、Ca2+浓度升高、脂质过氧化加剧，MYOM3阳性荧光强度和肌管样结构也发生改变。这些发现表明3-PBA暴露可能与细胞能量状态和Ca2+稳态失衡、氧化损伤以及肌生成细胞结构改变有关，为该物质对骨骼肌细胞的潜在不良影响及其与肌肉减少症的可能关联提供了实验依据。

**引言**
骨骼肌在全身蛋白质代谢中起着至关重要的作用。作为人体最大的器官，骨骼肌占总质量的约30-40%，不仅在呼吸和运动中承担机械功能，还在维持能量代谢稳态中起着关键作用[1]。随着年龄增长及各种病理状况的发生，骨骼肌功能逐渐衰退，最终导致肌肉减少症。肌肉减少症与衰老密切相关，在老年人中发病率较高，并伴随整个生命周期中骨骼肌的持续恶化[2]。其特征主要为肌肉量减少和肌肉力量下降，与多种不良后果相关，包括行动能力下降、跌倒风险增加及独立生活能力减弱[3][4]。全球范围内肌肉减少症的患病率约为10%-27%[5]，而根据亚洲肌肉减少症工作组（AWGS）的数据，中国老年人群的患病率约为14%[6]。值得注意的是，肌肉减少症患者的死亡风险比正常人高出2-3倍[7]。随着全球人口老龄化加速，肌肉减少症已成为一个亟需关注的公共卫生问题。

**发病机制**
肌肉减少症的发病机制复杂，涉及神经肌肉功能障碍、氧化应激、营养不良和慢性消耗性疾病等因素，同时也与环境因素密切相关[8][9][10]。然而，环境暴露如何导致肌肉量或功能丧失的机制尚未完全阐明。越来越多的证据表明，环境化学物质可能通过破坏内分泌稳态、引发氧化应激和炎症反应而加剧肌肉减少症的发生和发展。例如，接触双酚A、邻苯二甲酸酯和重金属与肌肉减少症风险增加有关[11][12][13]。

拟除虫菊酯类杀虫剂被广泛用于农业、居民区和公共卫生害虫控制。3-苯氧基苯甲酸（3-PBA）是多种拟除虫菊酯的常见代谢产物，因此常被用作拟除虫菊酯暴露的非特异性生物标志物。人类生物监测研究表明，普通人群中普遍存在拟除虫菊酯暴露现象，尿液中3-PBA浓度通常较低[14][15]。系统评价显示，环境暴露人群的尿液3-PBA中位数浓度范围为0.11-3.34 μg/g肌酐，而职业暴露人群的浓度通常更高[15]。饮食摄入以及农业或居民区使用拟除虫菊酯是普通人群暴露的重要原因[15]。除了体内代谢产生外，3-PBA还可以通过环境中的拟除虫菊酯降解直接生成。在城市环境中，应用于硬表面（如混凝土）的拟除虫菊酯可转化为3-PBA，甚至在处理三个月后，径流水中3-PBA浓度仍可超过100 μg/L[16]。3-PBA还在水体（包括运河水）和土壤等环境中被检测到，其浓度范围从低于检测限到1.46 ng/mL（水体）和4.35 ng/g干重（土壤）不等[17]。这些结果表明，人体内的3-PBA负担主要来源于吸收的拟除虫菊酯的代谢，但环境生成3-PBA的直接贡献尚不明确。一项基于NHANES的研究表明，尿液中3-PBA水平较高与成年人握力减弱相关[18]。因此，研究3-PBA暴露与骨骼肌功能障碍之间的潜在关系有助于阐明拟除虫菊酯暴露与肌肉相关不良后果之间的生物学机制。

**研究方法**
本研究采用多种机器学习方法识别关键靶基因，随后通过分子对接和分子动力学模拟分析其作用机制，并通过体外细胞实验评估3-PBA暴露后的分子、表型和功能变化。

**图1** 本研究的技术流程示意图。

**部分内容说明**
- **3-PBA的初步毒性评估**：从PubChem数据库（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）检索了3-PBA的典型结构和简化分子输入格式（SMILES）字符串。利用ProTox-II（https://tox.charite.de/）和ADMETlab 2.0（https://admetmesh.scbdd.com/）分析了3-PBA的毒性信息。
- **3-PBA相关候选基因的检索**：将3-PBA的SMILES字符串提交至ChEMBL数据库（https://www.ebi.ac.uk/chembl/）以识别相关候选基因。

**讨论**
如上所述，3-PBA既可来自吸收的拟除虫菊酯的代谢，也可来自其在环境中的降解。在人类体内，尿液中的3-PBA主要作为拟除虫菊酯暴露的生物标志物，而非组织内3-PBA水平的直接指标[15]。毒代动力学研究显示，3-PBA在拟除虫菊酯暴露后迅速出现在血浆和尿液中，并在短时间内被清除[23]。

**结论**
通过整合网络毒理学、机器学习、生物信息学和体外验证方法，本研究发现了3-PBA暴露与肌肉减少症相关生物过程之间的分子关联。结果表明，3-PBA暴露可能与线粒体能量代谢、Ca2+稳态及肌生成调控的变化有关，所识别的关键基因可能参与这些生理过程。

**作者贡献声明**
- 李一浩：数据验证
- 杨晓：数据验证
- 张玉华：方法论研究
- 马子军：撰写、审稿与编辑；原始草案撰写；软件开发；方法论研究；数据验证
- 陆一凡：撰写、审稿与编辑；原始草案撰写；软件开发；方法论研究；数据验证；概念框架构建
- 赵培源：撰写；原始草案撰写；方法论研究；数据验证；概念框架构建
- 刘希宏：撰写、审稿与编辑；方法论研究；数据验证

**利益冲突声明**
作者声明无已知利益冲突。

**数据获取**
本研究使用和/或分析的数据可在合理请求下向相应作者获取。

**AI辅助技术声明**
在撰写过程中，作者使用了ChatGPT辅助中文到英文的翻译工作。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对最终发表的文章内容负全责。

**资金支持**
本研究得到了河南省科学技术研究项目（项目编号262102310562和252102520042）、河南省中医药研究专项（项目编号2025ZY1030）以及河南省科学技术政策咨询项目（项目编号SKXJCZX-2026-37C）的支持。