基于细胞应激反应途径组合测试和毒物基因组学预测化学物肝、肾靶器官毒性

Cellular stress response (CSR) pathway study is a new toxicity testing.strategy. Our team has obtained some new results and viewpoints in regard of.predicting liver and kidney toxicities of chemicals by CSR testing in the.National Natural Science Foundation which is now undertaking. On basis of.these new findings, the project intends to use dual luciferase reporter gene.technology, gene chip and bioinformatics to explore the differences of CSR.modes induced by different dose levels of model chemicals APAP and CdCl2 in.HepG2 and HEK293T cells, and the possible mechanisms that CSRs trigger cell.death pathways, and to identify all transcription factor-regulated molecular.pathways disrupted by model chemicals, as well as the CSR core pathways. In.addition, the project will determine the toxicity parameters NOEL and LOEL.of model chemical-induced transcriptional effects, cellular stress and cell.death, and use these toxicity parameters as the target doses in animal.experiments to reconstruct the external exposure doses by reverse.toxicokinetics methods. The project will further confirm the feasibility of.predicting liver and kidney target organ toxicities based on CSR pathway.ensemble testing and toxicogenomics through comparing the reconstructed.external exposure doses with the toxicity parameters obtained from animal.experiments.

细胞应激反应途径研究是毒性测试的新策略。本课题组正承担的青年基金课题在以细胞应激反应途径预测化学物肝、肾靶器官毒性方面取得了一些新的结果和观点。在此基础上，本项目拟利用双荧光素酶报告基因技术、基因芯片及生物信息学等技术，探讨模型化学物APAP、CdCl2不同剂量水平诱导HepG2、HEK293T细胞应激反应模式的差异及细胞应激反应激活后启动细胞死亡途径的可能机制，识别模型化学物诱导改变的全部转录因子调控的分子途径，以及化学物应激反应核心途径，在综合分析的基础上提出模型化学物的毒作用模式。此外，项目将测定模型化学物诱导模型细胞发生转录效应→细胞应激→细胞死亡不同效应终点的毒性参数NOEL和LOEL，并以此作为动物实验靶剂量，利用反向毒动学方法重建外暴露剂量，并将重建的外暴露剂量与基于动物实验的毒性参数进行比较，确定基于细胞应激反应途径组合测试和毒物基因组学预测化学物肝、肾靶器官毒性的可行性。

化学品安全是国际社会经济发展的重大问题。化学物毒性资料严重缺乏，毒性测试已成为化学品健康风险评估和管理的瓶颈。本项目旨在发展基于细胞应激反应途径研究的毒性测试新策略。项目以肝、肾毒物CdCl2为模型化学物，测定其诱导人源肝、肾细胞HepG2和HEK293T的整合反应包括细胞增殖抑制和细胞死亡，结果显示CdCl2抑制细胞增殖和诱导细胞死亡均呈剂量依赖性。通过分析CdCl2处理HepG2和HEK293T细胞24h的半数抑制浓度IC50和半数致死浓度LC50以及诱导细胞死亡的方式，发现CdCl2诱导模型细胞的整合反应具有组织特异性。利用双荧光素酶报告基因检测系统测定CdCl2诱导HepG2和HEK293T细胞应激反应（氧化应激、热休克反应、DNA损伤应答反应、缺氧反应、内质网应激、金属应激、炎症反应和渗透压反应）模式，结果显示CdCl2诱导模型细胞以时间-反应关系和剂量-反应关系所表征的细胞应激反应模式不同，具有组织特异性。通过分析CdCl2激活HepG2和HEK293T细胞应激反应途径与诱导细胞死亡结局的关系，发现持续高水平的细胞应激伴有凋亡的发生，而细胞应激的衰减会伴有坏死的出现。基因芯片数据显示了HepG2和HEK293T各自特征性全基因组表达谱，并为确定CdCl2对HepG2和HEK293T细胞的毒作用模式提供了线索。综合上述研究，项目确定了CdCl2诱导HepG2和HEK293T细胞应激反应、抑制细胞增殖和诱导细胞死亡不同效应终点的毒性参数NOEL、LOEL、IC50和LC50。为重建体内实验外暴露剂量，项目提出并成功建立了基于靶剂量的体外-体内剂量外推模型。此外推模型的成功建立也进一步证实了项目提出的以基于靶剂量体外-体内剂量外推建模为核心的化学物毒性测试方案的可行性。上述研究结果提示化学物诱导细胞应激反应模式和细胞整合反应的组织特异性可能是其靶器官毒性的重要机制，从细胞应激反应→靶细胞损伤→靶器官损伤研究的思路，建立基于细胞应激反应途径预测化学物肝、肾靶器官毒性的策略是可行的。本研究不仅为推进我国化学物毒性测试新策略的发展提供了依据和必要的方法学的准备，而且有助于进一步理解CdCl2肝、肾靶器官毒性的机制和毒作用模式。