CN113496072A - 用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的换算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的方法，首创提出人类健康指导值的概念，通过数学建模得到的拟合曲线求得NOAEL值，再通过公式换算求得斑马鱼的UFs_斑马鱼，最后用UFs_斑马鱼值和NOAEL值计算得到人类健康指导值，为人类日常安全食用食品提供科学依据。本方法具有普遍通用性，可广泛运用于各种食品、功能性食品、保健食品等的安全性评价。

Description

用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的换算方法

技术领域

本发明涉及剂量计算的技术领域，具体涉及一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量 的换算方法。

背景技术

斑马鱼是一种体外受精发育，胚体透明的模式生物。1938年，美国布朗大学Roosen-Rung 教授首次报道斑马鱼发育形态学研究成果。1950年代，美国罗格斯大学K.Kenneth Hisaoka 教授首次报道斑马鱼毒理学研究成果。1972年，美国俄勒冈大学George Streisinge教授开始 斑马鱼发育生物学研究和模式动物建立工作。1989年，美国俄勒冈大学Monte Westerfield教 授出版斑马鱼研究的“圣经”《The Zebrafish Book》第一版。1998年，首个斑马鱼模式生物 数据库ZFIN(http://zfin.org)成立。1998年，全球第一家斑马鱼药物研发服务外包公司成立。 2004年，斑马鱼国际资源中心(ZIRC)在俄勒冈大学成立。2007年，美国环境保护署(EPA) 将斑马鱼技术列入其转化毒理学研究项目ToxCastTM。2009年，斑马鱼药物毒理学评价技术 首次通过FDA和EMA的GLP认证，这标志着斑马鱼模型的安全药理学和毒理学评价结果可 以作为正式材料纳入临床试验申报资料。2012年，中国国家斑马鱼资源中心成立。2013年， 斑马鱼资料首次用于CFDA临床申报。

斑马鱼与人类基因同源性高达85％，由于基因组与蛋白质组与人类具有很高的相似性， 因此疾病的发病机制和信号传导通路等方面与人类基本近似，且生物结构和生理功能与哺乳 动物高度相似。与其他实验动物相比，斑马鱼还具有胚胎及幼鱼身体透明(可在体直接用肉 眼和解剖显微镜观察各器官的发育过程)、体积小(可用微孔板分析)、发育周期短、体外受 精、繁殖能力强、单次产卵数较高等特点(Zon LI,Peterson RT.In vivodrug discovery in the zebrafish[J].Drug Discovery,2005,4:35-44.)。模式生物斑马鱼近年来已成为研究人类疾病模型 之一，既具有体外实验快速、高效、低廉、用药量小等优势，又具有哺乳类动物实验预测性 强、可比度高、可观察多个器官等优点，在化合物安全性评价中得到广泛应用(Barros T P, Alderton W K,et al.Zebrafish:An emergingtechnology for in vivo pharmacological assessment to identify potentialsafety liabilities in early drug discovery[J].British Journal ofPharmacology,2008, 154:1400-1413.)。

斑马鱼具有本身独特的优势，例如光学透明性、高繁殖力及生长发育快。基因及蛋白质 表现中形态学及调节的变化可借助使用荧光蛋白容易地进行试验。相对较小的身体大小容许 多个斑马鱼装入多孔板中。此外，与鱼饲养相关联的相对便宜的成本和斑马鱼可达成的后代 的频率相结合是使得此生物体成为用于功效与毒性评价试验的有吸引力的工具的其他原因。

斑马鱼在药物功效评价与毒理学研究具有快速、高效、高性价比和高通量等多种特点， 与传统哺乳动物相比具有不可替代的优势。斑马鱼技术的出现将引领着药品、食品、保健品 等行业快速发展，将斑马鱼与人体进行量化的对应也成为必然趋势。

以往从某个实验动物研究获得的NOAEL转换为人类暴露的健康指导值时，通常使用的 不确定系数是100(见IPCS标准，1987)。但存在数据缺陷，例如缺乏慢性疾病研究中，各 个实验剂量均检测到效应却无法确定NOAEL值。亦因此，还可用LOAEL来制定健康指导值(见IPCS标准，1994)。默认的100倍不确定系数代表两个独立的10倍系数的乘积(即 100＝10*10)，2个“10倍”的含义分别为：①用于推导POD的实验动物的平均反应与一般人 群反应之间的差异；②高敏感人群与一般人群反应的变异性(IPCS，1987)。

现有对健康指导值理解成100＝10*10的研究价值在于，明确了基于人群实验研究获得的 NOAEL和基于传统模式动物(如鼠、犬等)实验获得的NOAEL会使用不同的不确定系数， 为健康指导值的研究增加了灵活些。

但是，推导POD的实验动物的平均反应与一般人群反应之间的差异倍数10倍，并不适 用于斑马鱼，因为POD实验动物毒性测试多为喂食或者注射，而斑马鱼的毒性测试则是利用 吸收的方式，两者的实验原理迥然不同。而且，现有的斑马鱼急性毒性模型进行安全性评价 的，评价对象都是药品、化妆品，未见应用于食品领域的；而食品中的成分杂、含量高低不 同，其安全性标准要求也迥异于药品、化妆品。也就是说，斑马鱼的给药剂量与人体的给药 剂量存在何种规律，目前尚未有文献报道可知，系全新的研究领域。

综上所述，如何寻找一种可规律化的、斑马鱼转换人用剂量的换算方法，应用于斑马鱼 急性毒性的评价，使之更好的服务于食品的安全性评价，是本领域技术人员尚未攻克的技术 难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的方法， 解决了上述现有技术存在的不足。

为此，本发明采取了以下技术方案：

一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的方法，通过构建的数学模型计算最大无作 用浓度NOAEL值，进行斑马鱼与哺乳动物的剂量换算，最终得到斑马鱼与人体的剂量换算。

优选的，一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的方法，包括如下步骤：

1)NOAEL值的计算

构建数学模型，通过Matlab进行数据拟合剂量-效应关系，得到拟合曲线；将拟合曲线 上y＝0.1的点值作为NOAEL值；

2)斑马鱼与哺乳动物的剂量换算

先对同一化合物分别在斑马鱼与哺乳动物表达的毒性数据进行相除，再对除后的数值进 行对数处理，再保持权重的一致性，再通过取平均值的方式来求得剂量换算的系数，公式如 下：UFs_斑马鱼＝UFs_哺乳动物÷10^{Average(Log LC50斑马鱼/Log LC50哺乳动物)}；

3)斑马鱼与人体的剂量换算

先将步骤1)得到的NOAEL值和步骤2)得到的UFs_斑马鱼值相除，得到人类健康指导值HBGV，公式如下：HBGV＝NOAEL÷UFs_斑马鱼；

再按人类的平均体重为60kg，计算出相应的每日最大摄入量，即得。

更优选的，数学模型构建方式为：

构建Weibull模型为：

通过Matlab进行 数据拟合剂量-效应关系，计算出theta1，theta2，theta3和theta4，得到拟合曲线。

更优选的，数学模型构建方式为：

构建Hill模型为：F(X)＝T-(T-B)/(1+X)^W，通过Matlab进行数据拟合剂量-效应关系， 计算出T、B、W，得到拟合曲线。

本发明中，HBGV代表人类健康指导值，NOAEL代表最大无作用剂量值，UFs代表不确定系数值。

本发明中，数学建模得到的拟合曲线为反映剂量与毒性关系的“S”形曲线；通过在拟合 曲线上寻找y＝0.1的点值作为NOEAL值，也符合OECD标准对斑马鱼正常死亡率≤10％的 定义。

现有的实验动物毒性数据主要为LC₅₀和LD₅₀，故选择斑马鱼的LC₅₀数据与哺乳动物的 LD₅₀数据进行系数转换。本发明中采用公式UFs_斑马鱼＝UFs_哺乳动物÷10^{Average(Log LC50斑马鱼/Log LC50哺乳动物)}，是为了消除个别化合物在斑马鱼与哺乳动物做表现出的毒性差异、以及化合物本身毒 性大小所引起的在换算过程中权重不统一的情况。

其中，LC₅₀与LD₅₀的数据来源于已公开的权威文献与OECD数据平台，见表1。

表1.斑马鱼与哺乳动物的化合物毒性数据

本发明提供的一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的方法，与现有技术相比，有 益效果如下：

本发明首创提出人类健康指导值的概念，通过数学建模得到的拟合曲线求得NOAEL值， 再通过公式换算求得斑马鱼的UFs_斑马鱼，最后用UFs_斑马鱼值和NOAEL值计算得到人类健康指 导值，为人类日常安全食用食品提供科学依据。本方法具有普遍通用性，可广泛运用于各种 食品、功能性食品、保健食品等的安全性评价。

附图说明

图1为本发明实施例1的Weibull模型模拟数据与实验值比较。

图2为本发明实施例1的Weibull模型对生菜安全性评价的拟合曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明中的附图，对本实 施例中的技术方案进行具体说明。必须说明的是，下述实施例仅用来解释本发明，而不是对 发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变， 都落入到了本发明的保护范围。

实施例1生菜的健康指导值计算

本实施例以生菜为例，探究用Weibull模型建模，来计算人安全食用生菜的健康指导值。

利用Weibull模型对生菜的数据进行模拟，通过对Weibull模型模拟出的数据与实验值进 行的比较(见图1)，发现模型拟合良好，进而计算出模型中四个参数值，分别为theta1＝1.0225, theta2＝1.0066,theta3＝1.5064,theta4＝2.0140。绘出拟合的连贯曲线(见图2)。

从拟合曲线中可知，生菜的UFs为15.8，据此计算HBGV值为0.00892g/ml＝8.92g/kg， 按照人的体重为60kg计，得出安全食用农场B生菜的健康指导值为535g/天。

Claims (4)

1.一种用于安全性评价的斑马鱼转换人用剂量的方法，其特征在于，通过构建的数学模型计算最大无作用浓度NOAEL值，进行斑马鱼与哺乳动物的剂量换算，最终得到斑马鱼与人体的剂量换算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)NOAEL值的计算

构建数学模型，通过Matlab进行数据拟合剂量-效应关系，得到拟合曲线；将拟合曲线上y＝0.1的点值作为NOAEL值；

2)斑马鱼与哺乳动物的剂量换算

先对同一化合物分别在斑马鱼与哺乳动物表达的毒性数据进行相除，再对除后的数值进行对数处理，再保持权重的一致性，再通过取平均值的方式来求得剂量换算的系数，公式如下：UFs_斑马鱼＝UFs_哺乳动物÷10^{Average(Log LC50斑马鱼/Log LC50哺乳动物)}；

3)斑马鱼与人体的剂量换算

先将步骤1)得到的NOAEL值和步骤2)得到的UFs_斑马鱼值相除，得到人类健康指导值HBGV，公式如下：HBGV＝NOAEL÷UFs_斑马鱼；

再按人类的平均体重为60kg，计算出相应的每日最大摄入量，即得。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的数学模型构建方式为：

构建Weibull模型为：theta1-theta2*Exp〔-Exp〔theta3+theta4*Log〔x〕〕〕，通过Matlab进行数据拟合剂量-效应关系，计算出theta1，theta2，theta3和theta4，得到拟合曲线。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的数学模型构建方式为：

构建Hill模型为：F(X)＝T-(T-B)/(1+X)^W，通过Matlab进行数据拟合剂量-效应关系，计算出T、B、W，得到拟合曲线。

Images