肝毒性研究中的三类计算系统生物学模型

把毒性通路纳入剂量与时间分析

2012 年，美国 The Hamner Institutes for Health Sciences 团队在 Frontiers in Physiology 综述计算系统生物学在肝毒性研究中的应用。文章把细胞通路、肝小叶内不同细胞及全身药物暴露放在相互连接的层级中，讨论怎样预测剂量反应。

作者从应激和受体信号出发，说明同一通路可以先出现适应性反应，持续或较强干扰则可能改变细胞状态。模型需要描述基线状态，以及不同浓度和时间下的变化。

常微分方程适合表示连续变化的分子数量或浓度，随机模型可以考虑细胞间波动，离散规则则用于描述细胞或基因状态。选择哪种形式，取决于需要表示的过程和可用资料。

转录网络描述人肝细胞的基因响应

第一个案例以人原代肝细胞中的过氧化物酶体增殖物激活受体 α（peroxisome proliferator-activated receptor alpha，PPARα）通路为例，结合基因表达和转录因子结合信息，区分直接受受体调节的基因、经其他因子间接调节的基因及其他响应基因。

在同一网络上叠加时间或剂量数据，可以观察调控节点怎样随刺激变化。文章同时说明，这一案例集中于转录层面，尚未纳入全部受体修饰和其他调节过程。

空间模型表示肝小叶内的细胞差异

第二个案例把肝细胞、内皮细胞、肝星状细胞和肝巨噬细胞（Kupffer 细胞）作为独立计算对象，放入肝小叶的空间结构。局部浓度、细胞状态及相邻细胞作用共同决定模拟变化。

该示例以芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）通路为基础，研究对象是 2,3,7,8-四氯二苯并对二噁英（2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin，TCDD）的肝毒性。模型把细胞内信号与组织层面的增殖、死亡等过程连接；部分细胞及相互作用仍处于扩展阶段，案例重点是多尺度模型的构建思路。

DILIsym 连接暴露、损伤机制和临床指标

药物案例使用 DILIsym，把全身分布与代谢、谷胱甘肽变化、线粒体功能、肝细胞存活和肝损伤指标连接。模型分别设置小鼠、大鼠和人的生理参数，并用不同参数组合表示个体差异。

对乙酰氨基酚案例中，活性代谢物消耗谷胱甘肽并引起线粒体相关损伤。模拟结果与既有肝谷胱甘肽和血液丙氨酸氨基转移酶资料比较，观察时间过程是否一致。

早期胆红素升高的解释还加入了细胞能量不足对胆红素处理的影响。与只用肝细胞死亡解释的模型比较，这一机制使早期时间过程更接近相应文献数据。

药物与治疗情景显示模型的具体用途

团队进一步模拟对乙酰氨基酚过量后的 N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAC）治疗。模型设定 60 g 对乙酰氨基酚过量，并比较治疗延迟 4–44 小时的情景。较早启动治疗时，72 小时口服方案比 21 小时静脉方案保留更多肝细胞，差异随延迟增加而减小；在延迟 39 或 44 小时的模拟中，两种方案均未能避免模拟个体死亡。延长原静脉方案可改善模拟效果，但因 NAC 总量较低，效果仍未达到口服方案。另一个 48 小时静脉方案采用接近口服方案的给药水平，模拟的肝细胞保留效果与 72 小时口服方案相近；较高的 NAC 水平更有效地控制活性代谢物峰值。

另一个案例以 methapyrilene 的体外分配、代谢及共价结合资料作为输入，比较模拟大鼠、小鼠和人。模型预测的大鼠肝毒性阈值约为 150–200 mg/kg，并与既有大鼠资料相符；相同模拟条件下，人和小鼠没有出现相同毒性。

这些结果说明，机制模型可以把体外输入转换为可与整体生理资料比较的预测。各情景来自已选定的参数和机制，本篇模型最初集中于活性代谢物相关损伤，其他肝毒性机制需要继续扩展。