醫(yī)療器械毒理學(xué)風(fēng)險評估中QSAR的應(yīng)用

【作者】湯欣，趙文靜，于清

美敦力（上海）有限公司，上海市，201114

0 引言

定量構(gòu)效關(guān)系（quantitative structure-activity relationship,QSAR），即化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其活性之間的關(guān)系的探索，起始于藥物設(shè)計領(lǐng)域。人們通過研究生物活性和理化參數(shù)或化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系來預(yù)測新化合物的生理活性，如與生物大分子的相互作用，在生物體內(nèi)的吸收、分布、代謝、排泄等生理相關(guān)性質(zhì)的方法。醫(yī)療器械材料的生物相容性取決于材料的理化性質(zhì)，它們引起的不良反應(yīng)通常與材料的成分、污染物或降解產(chǎn)物息息相關(guān)。直接對器械材料的可瀝濾物進(jìn)行風(fēng)險評估更為高效合理，所以新版ISO 10993-18《醫(yī)療器械風(fēng)險管理過程中的化學(xué)表征》在2020年應(yīng)運(yùn)而生。通過化學(xué)表征及其毒理學(xué)風(fēng)險評估來評價醫(yī)療器械生物相容性的模式越來越成為大家的共識。但醫(yī)療器械的組成材料往往是化學(xué)成分的混合物，如聚合物材料，成分非常復(fù)雜。在臨床使用過程中，與人體接觸的醫(yī)療器械可能瀝濾出的化學(xué)物質(zhì)種類隨著器械材料的復(fù)雜程度呈幾何級增加，另外隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更靈敏的分析設(shè)備及方法的出現(xiàn)也使得更多的化學(xué)物質(zhì)被檢測到，這些瀝濾物中通常會有未經(jīng)研究過的化合物，沒有毒理學(xué)數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)，甚至連結(jié)構(gòu)類似物都無法找到。以至于毒理學(xué)家們只能通過更多的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)來考察該器械的使用風(fēng)險。這樣不僅會增加生產(chǎn)企業(yè)的成本，也對實(shí)驗(yàn)動物造成傷害。又因?yàn)閯游锱c人體生物學(xué)上的差異，也使對該物質(zhì)的風(fēng)險評估存在較大的誤差。

盡管目前QSAR在醫(yī)療器械風(fēng)險評估中的應(yīng)用尚未普及，但2007年歐盟頒布實(shí)施的REACH法規(guī)，以及同年美國國家委員會發(fā)布的《21世紀(jì)毒性檢測：遠(yuǎn)景和戰(zhàn)略（TT21C）》，均將定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）、虛擬篩選等計算毒理學(xué)方法視為化學(xué)品風(fēng)險評估以及毒性研究不可或缺的手段[1-2]，用于對可能從醫(yī)療器械或材料中釋放出的潛在有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行安全評估。所以充分理解QSAR是很有必要的。下面我們主要討論QSAR的原理和在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用、現(xiàn)狀以及未來的展望。

1 QSAR原理介紹

定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR），是指用各種定量的方法來確定化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。即通過分析現(xiàn)有的活性物質(zhì)（如一系列有相同生物活性作用的結(jié)構(gòu)類似的化合物），以化合物的理化或結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，相關(guān)生物活性為應(yīng)變量，用數(shù)理統(tǒng)計的方法建立起兩者之間的相關(guān)定量關(guān)系[3]。QSAR通過建立的算法模型來分析化合物分子結(jié)構(gòu)變化與其某些生物活性的變化關(guān)系，來預(yù)測新化合物的生物活性[4]。

早在19世紀(jì)初，隨著藥物化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，人們已經(jīng)認(rèn)識到物質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)之間存在著一定的關(guān)系，Crum-Brown和Frazer認(rèn)為化合物的生物活性和結(jié)構(gòu)之間存在某種函數(shù)關(guān)系ψ=f(C)。到了20世紀(jì)初，Meyer與Traube等發(fā)現(xiàn)了麻醉劑的效應(yīng)與一些理化性質(zhì)具有線性關(guān)系。至20世紀(jì)60年代，Hansch和Free-Wilson等從研究取代基與活性的關(guān)系出發(fā)，建立了線性自由能模型，才真正定義了定量關(guān)系-活性關(guān)系，從而使構(gòu)象關(guān)系的研究從定性構(gòu)效關(guān)系轉(zhuǎn)向定量構(gòu)效關(guān)系[5]，這也是今天廣為應(yīng)用的QSAR的基礎(chǔ)。

隨著QSAR的應(yīng)用與發(fā)展，目前主要有將研究方法與建模方法相結(jié)合的二維定量構(gòu)效關(guān)系方法（2D-QSAR），基于分子性狀分析法發(fā)展的三維定量構(gòu)效關(guān)系方法（3D-QSAR）以及為彌補(bǔ)3D-QSAR的不足而創(chuàng)立的高維定量構(gòu)效關(guān)系方法。

2 QSAR應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，QSAR已經(jīng)從使用簡易回歸方法在少量化合物上的應(yīng)用進(jìn)化為涵蓋廣、多元化的基于多種統(tǒng)計和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來分析數(shù)千種不同分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)組的方法。QSAR最常見的應(yīng)用集中在藥物研發(fā)中，即篩選大量靶向候選藥物化合物。美國化學(xué)文摘社（CAS）的技術(shù)人員正試圖通過QSAR方法篩選具有治療COVID-19效果的藥物[6]。同時，QSAR也在農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和食品安全等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用：在農(nóng)學(xué)和環(huán)境科學(xué)方面，QSAR可以用來優(yōu)化農(nóng)藥分子設(shè)計，評估農(nóng)藥中雜質(zhì)的毒性，分析農(nóng)藥在土壤中的消解機(jī)理和工業(yè)廢水中有毒物質(zhì)對水環(huán)境的危害等[7-9]；而在食品安全方面，QSAR被廣泛用于分析食品中未知農(nóng)藥的殘留，研究食品中對人體具有調(diào)節(jié)功能的生理活性物質(zhì)的譜效關(guān)系和評估食品接觸材料中非有意添加物的風(fēng)險等[10-11]。在醫(yī)療器械生物安全性評價方面，QSAR的應(yīng)用目前處于初期階段，作為預(yù)測醫(yī)療器械可浸提物和可瀝濾物毒性的一種手段。

相比QSAR,同為毒理學(xué)風(fēng)險評價工具的毒理學(xué)關(guān)注閾值（TTC）方法和交叉參照法（Read-across）在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用相對成熟。TTC方法是指在缺少化學(xué)特異性毒性數(shù)據(jù)的情況下，使用基于人體暴露水平（TE）的TTC來評估多種聯(lián)合暴露的低劑量化合物。Readacross則通過分類分組的方法參照已知化學(xué)物質(zhì)的毒性評估結(jié)構(gòu)相似但毒性未知的目標(biāo)物。但TTC方法不涉及特定終點(diǎn)的定量構(gòu)效關(guān)系，而Read-across在缺少已知相似化合物的毒性數(shù)據(jù)時也是不適用的。所以對于含有未知化學(xué)結(jié)構(gòu)的化合物，TTC和Read-across的分析能力都是有限的。當(dāng)這些情況發(fā)生時，QSAR就能很好地彌補(bǔ)前兩者的不足。即使缺乏可浸提物和可瀝濾物研究資料或未知物的毒理學(xué)數(shù)據(jù)，QSAR也都可以為相關(guān)研究提供參考[12]。

目前免費(fèi)的和商業(yè)化的QSAR模型一般可以預(yù)測理化性質(zhì)、生態(tài)毒理、環(huán)境行為、健康毒理和代謝等信息。比如QSAR可以預(yù)測可燃性、表面張力、水溶性、脂溶性和氧化還原性等理化性質(zhì)（不同軟件模型可預(yù)測不同理化性質(zhì)），以及急性毒性、生殖毒性、基因毒性、致癌性、免疫毒性和毒代動力學(xué)等健康毒理性質(zhì)。這些非特異性理化性質(zhì)及健康毒理信息可用于支持醫(yī)療器械可浸提物和可瀝濾物的毒理學(xué)評估。預(yù)測生物降解性和沉積物毒性等生態(tài)毒理信息可用來分析醫(yī)療器械廢棄用品潛在的環(huán)境行為。

在醫(yī)療器械毒理學(xué)風(fēng)險評價中QSAR可應(yīng)用于化學(xué)表征之后，針對可浸提物和可瀝濾物的理化性質(zhì)以及特定的毒理學(xué)終點(diǎn)的評價，如：致癌性、致突變性、遺傳毒性、皮膚刺激、致敏性、致畸性、呼吸系統(tǒng)致敏性、發(fā)育毒性、遺傳生殖毒性、吸收/分布/代謝/排泄（absorption,distribution,metabolism,excretion,ADME）等。對目標(biāo)化合物的皮膚致敏性進(jìn)行預(yù)測時，OECD QSAR Toolbox可根據(jù)局部淋巴結(jié)實(shí)驗(yàn)（LLNA）和其他動物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對化學(xué)同類物進(jìn)行分組，同時自動生成與代謝相關(guān)的關(guān)鍵事件（KE）流程以獲得有害結(jié)局路徑（AOP），最終預(yù)測目標(biāo)物的皮膚致敏性。其中針對皮膚蛋白結(jié)合和一般蛋白結(jié)合的分析器（profiler）和針對自動氧化和新陳代謝的仿真（simulator）也起到重要作用。ALVES等整合了大量皮膚致敏反應(yīng)數(shù)據(jù)集并基于貝葉斯模型（Bayes model），建立了包含體外、動物和人體數(shù)據(jù)QSAR模型的新平臺，該平臺相比現(xiàn)行的計算模型能更加靈敏地預(yù)測目標(biāo)物的致敏作用[13-14]。而對于機(jī)理較復(fù)雜的遺傳毒性的致突變性，當(dāng)前QSAR模型大多能對其進(jìn)行“陽性”或“陰性”的定性預(yù)測[15]。這些應(yīng)用都體現(xiàn)了QSAR在醫(yī)療器械領(lǐng)域的潛在應(yīng)用空間。

3 法規(guī)要求現(xiàn)狀

目前，QSAR主要應(yīng)用于環(huán)境、食品、工業(yè)化學(xué)品等領(lǐng)域，用來識別潛在的健康危害，并對危害進(jìn)行篩查和優(yōu)先級排序。在加拿大，根據(jù)加拿大環(huán)境法的新物質(zhì)規(guī)定（1999年），監(jiān)管機(jī)構(gòu)使用QSAR預(yù)估加拿大國內(nèi)物質(zhì)清單（Domestic Substances List,DSL）并對其進(jìn)行排序[16]。美國FDA對應(yīng)用QSAR來進(jìn)行藥品雜質(zhì)的毒理學(xué)評估提供相應(yīng)的咨詢服務(wù)[17]。在歐盟內(nèi)部，歐洲委員會的新化學(xué)品政策（化學(xué)品注冊、評估和授權(quán)與限制、REACH）提出了一種在單一監(jiān)管框架內(nèi)管理化學(xué)信息的新系統(tǒng)。該政策主要為促進(jìn)替代（非動物）方法的開發(fā)和驗(yàn)證，包括QSAR模型和體外試驗(yàn)[18]。在REACH計劃中，歐盟致力于制定一套國際公認(rèn)的QSAR驗(yàn)證原則，以增強(qiáng)對QSAR預(yù)測的信心，并為監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)，對QSAR預(yù)測的可接受性做出決策。目前，歐盟的經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）在持續(xù)更新Read-across和QSAR相關(guān)的指導(dǎo)原則。2007年OECD頒布了關(guān)于驗(yàn)證（定量）結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系[(Q)SAR]模型的指導(dǎo)文件，其中明確了使用QSAR的5個基本原則（接受標(biāo)準(zhǔn)）：①明確的評價終點(diǎn)（a defined endpoint）；②清晰的算法（an unambiguous algorithm）；③明確的使用范圍（a defined domain of applicability）；④適合度、穩(wěn)健性和可預(yù)測性的適當(dāng)測量（appropriate measures of goodness-of-fit,robustness and predictivity）；⑤機(jī)理的解釋（a mechanistic interpretation）（如果可能）[19]。

在2008年，歐洲化學(xué)品管理局（ECHA）頒布了關(guān)于信息要求和化學(xué)品安全評估的指導(dǎo)原則，在第六章QSARs和化學(xué)品分組中指出了可以應(yīng)用QSAR來代替試驗(yàn)的相應(yīng)情況：①結(jié)果來自(Q)SAR模型，其科學(xué)有效性已經(jīng)確定；②該物質(zhì)屬于(Q)SAR模型的適用性領(lǐng)域；③結(jié)果足以進(jìn)行分類和標(biāo)簽和/或風(fēng)險評估；④提供所應(yīng)用方法充分性和可靠性的文件[20]?；仡櫄W盟頒布的一系列指導(dǎo)原則和評估框架，其基本要點(diǎn)是，REACH要求展示所有使用的數(shù)據(jù)，包括QSAR模型生成的預(yù)測，并且明確記錄模型及其使用方式。對于不同的目的應(yīng)選取相應(yīng)合適的QSAR模型。因?yàn)樗袑瘜W(xué)毒性的評價無論是在體內(nèi)、體外還是在模擬應(yīng)用中都不可避免地含有不確定性。認(rèn)識到這一不確定性，并利用互補(bǔ)模型和其他信息來源來解決這一問題，是評估的關(guān)鍵步驟。相較于REACH法規(guī)，中國的新化學(xué)物質(zhì)管理辦法在非測試方法的應(yīng)用上還處于起步階段。目前，僅針對一些無法開展測試的物質(zhì)允許使用非測試方法。但隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，以及人們對于替代動物試驗(yàn)的需求日益增加，如QSAR這類計算方法的應(yīng)用和研究必然會更加深入。

目前器審中心在醫(yī)療器械中應(yīng)用的納米材料安全性和有效性評價框架指導(dǎo)原則（征求意見稿）中，也提到了使用QSAR，Read-across等計算機(jī)模擬研究來替代體內(nèi)測試來評估皮膚刺激、眼刺激、皮膚致敏、急性毒性、重復(fù)劑量染毒、生殖發(fā)育、遺傳和致癌等毒理學(xué)風(fēng)險。但要注意的是成功的QSAR應(yīng)用在遞交時需要呈現(xiàn)出：對于分類和風(fēng)險評估充分性；提供應(yīng)用方法的相關(guān)文件；此方法適用于合適的領(lǐng)域；模型的科學(xué)有效性[21]。

4 可用資源介紹

目前，已有大量軟件工具可用于預(yù)測化合物的理化性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境毒性、毒理終點(diǎn)和其他生物學(xué)特性。通常，軟件給定的數(shù)據(jù)包能夠預(yù)測化學(xué)物質(zhì)的多個屬性和終點(diǎn)，一些軟件還允許用戶開發(fā)新模型或輸入新信息。常用的QSAR模型預(yù)測軟件主要有兩種類型：以專家規(guī)則為基礎(chǔ)和以統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。以下對目前醫(yī)療器械毒理學(xué)評估領(lǐng)域常用的QSAR軟件作簡單介紹。

5 應(yīng)用實(shí)例介紹

在某款與病人臨床接觸時長超過30天的醫(yī)療器械的生物相容性評價中，化學(xué)表征共檢測出超出AET限度的63種潛在關(guān)注化合物（chemical of potential concerns,COPC），其中22 種化合物缺乏可用的毒理學(xué)數(shù)據(jù)。毒理學(xué)家使用Toxtree、Danish QSAR Database和OECD QSAR Toolbox三種QSAR軟件，對這22種化學(xué)物質(zhì)的基因毒性進(jìn)行預(yù)測。例如：乙基己酸乙基己酯（CAS：7425-14-1），Toxtree預(yù)測顯示Ames陰性，MNT(micronucleus test)陰性，無DNA警示結(jié)構(gòu)；Danish QSAR Database預(yù)測該物質(zhì)的基因毒性為陰性；OECD QSAR Toolbox顯示該化合物無基因毒性警示結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些結(jié)果，毒理學(xué)家得出結(jié)論，該化合物不具有基因毒性。因此毒理學(xué)家就可以用非基因毒性化合物Cramer III類TTC（90 μg/d）與該化合物在器械臨床使用過程中的病人暴露劑量相比較，由于暴露劑量低于TTC，可判斷該化合物不具有系統(tǒng)毒性的風(fēng)險。

某長期植入心血管器械進(jìn)行毒理學(xué)風(fēng)險評估，按照ISO 10993的要求對其可瀝濾物進(jìn)行COPC的篩選后，發(fā)現(xiàn)若干COPC缺少致敏和刺激的毒理學(xué)數(shù)據(jù)。例如赤丁四醇（CAS：149-32-6）缺少刺激性數(shù)據(jù)，但Toxtree、Danish QSAR Database和OECD QSAR Toolbox均預(yù)測該化合物不會產(chǎn)生組織刺激風(fēng)險（見表1）。通過QSAR輔助的毒理學(xué)分析結(jié)果顯示該研究中缺乏數(shù)據(jù)的COPC均不具有組織刺激性或致敏性，對應(yīng)的生物學(xué)風(fēng)險可接受。事實(shí)上，此QSAR分析結(jié)果與前續(xù)生物學(xué)測試（豚鼠最大劑量刺激實(shí)驗(yàn)和皮內(nèi)注射材料浸提液實(shí)驗(yàn)）結(jié)論一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了QSAR在預(yù)測醫(yī)療器械可瀝濾物刺激性和致敏性方面的作用。

表1 醫(yī)療器械毒理學(xué)評估領(lǐng)域常用的QSAR軟件Tab.1 QSAR software used in medical devices biocompatibility assessment

暴露途徑不同常常引起化合物的吸收率不同。缺乏化合物的ADME數(shù)據(jù)可能使通過“起始點(diǎn)”（point-of-departure，POD）計算可耐受攝入量（tolerable intake,TI）變得困難。某長期植入產(chǎn)品按照ISO 10993的要求對其可瀝濾物進(jìn)行潛在關(guān)注化合物的篩選后，發(fā)現(xiàn)若干COPC缺少充分的ADME數(shù)據(jù)。其后毒理學(xué)家應(yīng)用QSAR方法（OECD QSAR Toolbox）針對諸如2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇（TMDD,CAS:126-86-3）等化合物預(yù)測其藥代動力學(xué)，得到了低劑量攝入有100%吸收率的預(yù)測結(jié)果，從而進(jìn)一步支持了急性體內(nèi)劑量TI的計算。

QSAR在醫(yī)療器械生物安全性評價方面的應(yīng)用是很廣的，不僅僅局限于以上列舉的三個方面。

6 總結(jié)與展望

雖然定量構(gòu)效關(guān)系的研究歷史并不長，但因其獨(dú)特的方法而具備的準(zhǔn)確性及高針對性，使其在化學(xué)化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥及環(huán)境等領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢和作用。而在醫(yī)療器械風(fēng)險評估領(lǐng)域，QSAR的引入和應(yīng)用也受到了越來越多的重視，軟件及數(shù)據(jù)庫的開發(fā)也有越來越多的研究者參與。我們系統(tǒng)地闡述了QSAR方法的產(chǎn)生背景、主要原理、國內(nèi)外法規(guī)現(xiàn)狀以及對醫(yī)療器械領(lǐng)域的重要作用，分析了可以用于對醫(yī)療器械風(fēng)險評估的軟件數(shù)據(jù)庫資源。

但是一方面，醫(yī)療器械所用的高分子材料種類繁多，且每件醫(yī)療器械可能是多種材料的混合體，可能產(chǎn)生的可瀝濾物千奇百怪，以至于數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)如今對醫(yī)療器械安全性評估的需求；另一方面，許多高分子材料的結(jié)構(gòu)母體雖在其他領(lǐng)域已經(jīng)得以研究，但是，聚合成高分子化合物后在不同環(huán)境及工藝過程中的產(chǎn)生的有潛在毒性的物質(zhì)，仍缺乏系統(tǒng)性的研究和應(yīng)用。因此，將定量構(gòu)效關(guān)系應(yīng)用于該領(lǐng)域，可以從理論上評估醫(yī)療器械可浸提物或可瀝濾物對人體的毒理學(xué)分險，縮短醫(yī)療器械生物相容性研究的時間和成本，大大提高生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)效率，對控制評估醫(yī)療器械的安全性有著十分重要的積極意義和推動作用。未來隨著QSAR的推廣及新算法和工具的演進(jìn)，醫(yī)療器械毒理學(xué)風(fēng)險預(yù)測將進(jìn)入更智能的時代。