評(píng)價(jià)納米金屬氧化物健康效應(yīng)的qsar毒性預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境中有毒物質(zhì)預(yù)測(cè)領(lǐng)域,具體為評(píng)價(jià)納米金屬氧化物健康效應(yīng)的 QSAR毒性預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于納米技術(shù)取得的豐碩成果使人們獲益良多,納米材料已廣泛應(yīng)用于人們的日 常用品中,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如藥物載體、癌癥治療、基因治療、抗菌材料、醫(yī)學(xué)診斷、生物傳 感器等方面具有更加廣泛的應(yīng)用前景。納米金屬氧化物是工業(yè)生產(chǎn)納米顆粒物中的重要 組成部分,在食品、材料、環(huán)保、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等方面有較高的應(yīng)用價(jià)值。然而,人們?cè)絹?越擔(dān)心納米材料的納米特性,如小尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)以及量子尺寸效應(yīng)等,可能引 發(fā)特殊的生物學(xué)效應(yīng),給人類健康造成威脅、給環(huán)境以及社會(huì)帶來負(fù)面影響;這就需要能夠 反映納米金屬氧化物特性以及提供便于安全應(yīng)用的依據(jù),納米毒性的認(rèn)知將起到關(guān)鍵的作 用,有助于對(duì)納米產(chǎn)品進(jìn)行必要的安全性評(píng)價(jià)。
[0003] 在納米尺度上研宄納米金屬的生物毒性和健康效應(yīng)已成為近十年來的研宄熱點(diǎn), 相較于納米金屬單質(zhì)的致毒效應(yīng),金屬氧化物的致毒機(jī)理可能更為復(fù)雜。同時(shí),不同元素的 納米氧化物顆粒可能存在相似的作用位點(diǎn)和致毒機(jī)制。劑量效應(yīng)關(guān)系和預(yù)測(cè)模型在理論和 實(shí)際層面都具有重要意義。QSARs技術(shù)的最原始初衷是預(yù)測(cè)未測(cè)試化合物的毒性,并將這些 知識(shí)應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。對(duì)于具有同一作用模式的一系列物質(zhì),QSAR可通過統(tǒng)計(jì)學(xué)手段構(gòu) 建化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)與生物活性或毒性的相關(guān)關(guān)系,并進(jìn)而預(yù)測(cè)未知化合物的活性或毒性 影響。近十年來,對(duì)于納米尺度上的QSAR研宄十分活躍。Winkler等分析了當(dāng)前應(yīng)用QSAR 方法研宄納米毒性效應(yīng)的現(xiàn)狀并預(yù)測(cè)了未來潛力,認(rèn)為該方法可以在毒理學(xué)調(diào)查中優(yōu)化資 源,降低毒性測(cè)試的道德和貨幣成本。Wolterbeek和Walker綜述20種陽離子的物理化學(xué) 性質(zhì)與不同物種的潛在毒性效應(yīng),識(shí)別和解釋毒作用模式。開發(fā)了合適的化合物分類和交 叉參照的方法對(duì)納米材料進(jìn)行了初步的危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Meng認(rèn)為在納米材料的安全性評(píng) 估中,機(jī)遇正確毒理學(xué)路徑和損傷機(jī)理的QSAR方法起到至關(guān)重要的作用。Pathakoti等測(cè) 定17種金屬金屬氧化物納米顆粒對(duì)大腸桿菌的毒性,并基于此建立雙參數(shù)QSAR模型預(yù)測(cè) 無光(F= 33. 83,R2= 0. 87)和光誘導(dǎo)(F= 20. 51,R2= 0. 804)的毒性效應(yīng)。Epa等建立 了納米顆粒誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞多類型細(xì)胞PaCa2和人類臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞攝入和凋亡的定量 預(yù)測(cè)模型,分別提出了針對(duì)不同材料和同一材料表面不同修飾的建模策略。Toropova等提 出不依賴于空間結(jié)構(gòu)的最優(yōu)描述符,建立了大腸桿菌毒性預(yù)測(cè)模型。盡管Leszczynski初 步構(gòu)建了 13種納米金屬氧化物的毒性預(yù)測(cè)模型,但模型的預(yù)測(cè)效果和適用范圍仍需要進(jìn) 一步的研宄論證。
[0004] 總體而言,以上方法只對(duì)納米金屬離子的毒性進(jìn)行了初步的模型預(yù)測(cè),對(duì)于納米 金屬氧化物毒性效應(yīng)的定性模式識(shí)別和定量預(yù)測(cè),缺乏系統(tǒng)的研宄和可靠的預(yù)測(cè)方法。
[0005] 鑒于上述缺陷,本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研宄和實(shí)踐終于獲得了本創(chuàng)作。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種評(píng)價(jià)納米金屬氧化物健康效應(yīng)的QSAR毒性預(yù)測(cè)方 法,用以克服上述技術(shù)缺陷。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種基于納米金屬氧化物定量構(gòu)效關(guān)系的毒性預(yù)測(cè) 方法,根據(jù)納米金屬氧化物的結(jié)構(gòu)特征與細(xì)胞毒性效應(yīng)的定量關(guān)系預(yù)測(cè)未知納米金屬氧化 物的毒性終點(diǎn);
[0008] 具體包括以下步驟:
[0009] 步驟a,建模毒性數(shù)據(jù)采集,篩選,運(yùn)算和匯總;
[0010] 步驟b,構(gòu)建納米金屬氧化物結(jié)構(gòu)描述符數(shù)據(jù)集,以各金屬氧化物對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 為自變量進(jìn)行線性相關(guān)性分析和主成分分析,獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)描述符組合;
[0011] 其中,構(gòu)建納米金屬氧化物結(jié)構(gòu)描述符數(shù)據(jù)集,分別為金屬離子軟指數(shù)op、單位 電荷軟指數(shù)OP/Z、原子序數(shù)AN、離子半徑r、IP:0N態(tài)離子的離子勢(shì)、IP(N+1) :0N+1態(tài)離子的 離子勢(shì)、IP(N+1)和IP的差值A(chǔ)IP、原子半徑R、原子量AW、鮑林(Pauling)電負(fù)性Xm、共價(jià) 指數(shù)Xm2r、原子電離勢(shì)AN/AIP、第一水解常數(shù)|logKQH|、電化學(xué)勢(shì)、原子大小AR/AW、實(shí) 測(cè)電負(fù)性1、極化率2/1^、離子價(jià)2、極化力參數(shù)2/1'、2/1' 2、22/1'、似極化力參數(shù)2/^1?、2/^1?2、 氣態(tài)陽離子的生成焓AHme+、能皇GAP、氧化物簇的標(biāo)準(zhǔn)生成熱HoF。
[0012] 步驟b具體包括以下過程:
[0013] 步驟bl,以毒性終點(diǎn)為因變量,各金屬氧化物對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量進(jìn)行線性 相關(guān)性分析,根據(jù)下述公式(1)計(jì)算相關(guān)系數(shù)r;
[0015] 式中,L^分別表示各結(jié)構(gòu)參數(shù)和毒性值的平均值,Xjpyi分別表示第i種金屬 對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和毒性值;
[0016] 相關(guān)系數(shù)r> 0. 8為顯著相關(guān)參數(shù)。
[0017] 步驟b2,在顯著相關(guān)的前提下,通過主成分分析,獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)描述符組合;具 體公式:
[0018] F=a^^Zxi+a^^Zx^......+api*ZXp (2)
[0019] 其中an,a2i,......,api(i= 1,......,m)為X的協(xié)方差陣E的特征值所對(duì)應(yīng)的 特征向量,ZX1,ZX2,......,ZXp是原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值;
[0020] A= (aiJ)pXm=(aa2, . . . ,am) (3)
[0021] Raf入而(4)
[0022] R為相關(guān)系數(shù)矩陣,Apai是相應(yīng)的特征值和單位特征向量, 入> 人2彡..?彡人0。
[0023] 步驟c,構(gòu)建毒性預(yù)測(cè)模型及穩(wěn)健性檢驗(yàn);建立多元回歸方程,對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì), 采用F統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的P值進(jìn)行檢驗(yàn);
[0024] 具體的,步驟cl,多元回歸方程的構(gòu)建與參數(shù)估計(jì);
[0025] 步驟c中確定的兩最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量X,金屬氧化物細(xì)胞毒性值為因變量Y, 利用多元線性回歸分析方法構(gòu)建各模式生物的QICAR方程Y=XB+E,見公式(5),其中:
[0027] n為觀測(cè)值個(gè)數(shù);
[0028] 采用最小二乘法對(duì)方程中參數(shù)進(jìn)行估計(jì),X'為X的轉(zhuǎn)置矩陣:
[0030] 步驟c2,擬合優(yōu)度檢驗(yàn)和回歸方程的顯著性檢驗(yàn),采用F檢驗(yàn);
[0031] 模型的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)指標(biāo)為:相關(guān)系數(shù)的平R2和自由度校正的相關(guān)系數(shù)疋,標(biāo)準(zhǔn) 偏差RMSE;
[0032] F檢驗(yàn)的指標(biāo)為多因子方差分析(Multi-ANOVA)計(jì)算得到的F值和相關(guān)概率 p(SignificanceF);采用F統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的P值進(jìn)行檢驗(yàn);
[0033] 步驟c3,判別標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)毒性數(shù)據(jù)獲取途徑,體外實(shí)驗(yàn)R2多0. 81,體內(nèi)試驗(yàn) R2彡0. 64 ;顯著水平為a,當(dāng)p<a時(shí),回歸方程顯著。
[0034] 步驟c3按照下述公式計(jì)算,
[0039] 式中,R2表示相關(guān)系數(shù)的平方,R2表示自由度校正的相關(guān)系數(shù),RMSE表示標(biāo)準(zhǔn)偏 差。
[0040] 步驟d,QSAR模型的內(nèi)部驗(yàn)證;
[0041] 步驟d的具體過程包括:
[0042] 步驟dl,在給定的建模樣本中,抽取一個(gè)樣本作為預(yù)測(cè)集,其余樣本作為訓(xùn)練集建 模,并計(jì)算該樣本的預(yù)測(cè)誤差;
[0043] 步驟d2,記錄每個(gè)方程中預(yù)測(cè)誤差的平方加和,直到所有的樣本都被預(yù)報(bào)了一次 而且僅被預(yù)報(bào)一次;
[0044] 步驟d3,計(jì)算交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)〇2"和交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSECV,判別依據(jù): Q2cv> 0. 6,R2-Q2cv^ 0. 3〇
[0045] 步驟d3采用的計(jì)算公式為:
[0048] 式中,表示第i個(gè)化合物毒性的實(shí)測(cè)值,代表第i個(gè)化合物毒性的預(yù)測(cè) 值,?代表訓(xùn)練集毒性的平均值,n表示訓(xùn)練集中化合物數(shù)。
[0049] 步驟e,模型適用范圍計(jì)算;經(jīng)過校驗(yàn)的模型,以杠桿值h為橫坐標(biāo),以各數(shù)據(jù)點(diǎn)的 標(biāo)準(zhǔn)殘差為縱坐標(biāo),繪制Williams圖;
[0050] 步驟e中,杠桿值的計(jì)算公式為:
[0051] hj=x (12)
[0052] 式中,Xi代表第i個(gè)金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)組成的列向量;對(duì)于雙參數(shù)模型,
;xT表示矩陣x的轉(zhuǎn)置矩陣,(xTxr表示對(duì)XTX矩陣的逆矩陣。
[0053] 臨界值h*的計(jì)算公式為:
[0055] 式中,p代表模型中變量數(shù),雙參數(shù)模型中p= 2,n代表模型訓(xùn)練集化合物的數(shù)量, 根據(jù)步驟a-d校驗(yàn)過后QSAR方程中訓(xùn)練集金屬氧化物個(gè)數(shù)決定;
[0056] 在Williams圖中h<h*的坐標(biāo)空間為模型的適用范圍。
[0057] 步驟f,對(duì)未知納米金屬氧化物的毒性進(jìn)行快速篩選與預(yù)測(cè)。
[0058] 具體過程為,按照上述步驟a-步驟e所述的方法獲得納米QSAR預(yù)測(cè)方程,搜集并 整理待預(yù)測(cè)納米金屬氧化物的所有結(jié)構(gòu)描述符的值,代入方程計(jì)算待預(yù)測(cè)的毒性終點(diǎn)。
[0059] 本發(fā)明提供的評(píng)價(jià)納米金屬氧化物健康效應(yīng)的QSAR毒性預(yù)測(cè)方法,基于納米金 屬氧化物的作用模式和致毒機(jī)理,構(gòu)建納米金屬毒性預(yù)測(cè)模型。通過QSAR模型方法預(yù)測(cè)未 知毒性值,快速、簡(jiǎn)單,依賴較少的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)完成多種毒性數(shù)據(jù)缺乏化合物的毒性終點(diǎn) 預(yù)測(cè)。
【附圖說明】
[0060] 圖1為本發(fā)明的預(yù)測(cè)