均勻設計射線

均勻設計是我國數學家王元院士和方開泰教授創立的，是一種可使實驗點在實驗範圍內均勻散布的最佳化實驗設計方法，能有效地選擇有代表性的實驗點，以儘可能少的實驗次數反映混合物組分濃度變化的均勻分布，已在多個研究與套用領域得到廣泛套用。我們將均勻設計思想與固定濃度比射線方法有機地結合起來, 建立了均勻設計射線法(也稱均勻設計固定濃度比法(Uniform design-based fixed concentration ratio，簡稱 UDCR)，從而有效開展多元混合物聯合毒性研究。

基本介紹

• 中文名：均勻設計射線
• 外文名：Uniform  design ray
• 簡稱：UD-Ray
• 描述：實驗點在實驗範圍內均勻散布
• 優點：有效地選擇有代表性的實驗點
• 作用：多元混合物聯合毒性研究

均勻設計射線研究背景

真實環境中化學混合物的存在是普遍規律。化學混合物聯合效應具有與單個組分不同的變化規律，目前缺少有效方法學與可靠基礎數據。近年來探索建立化學混合物毒性評估與預測(APTox)的方法體系。發展了微板毒性分析法(MTA)以提高測試數據精密度，創建了直接均分射線(EquRay)與均勻設計射線(UD-Ray)法來有效表征混合物濃度組成，建立了支持向量回歸(SVR)技術擬合不同形狀濃度-效應曲線，提出了將實驗混合物整體劑量-效應曲線(CRC)與加和參考模型預測CRC比較以評價混合物毒性相互作用的方法，集成多種技術設計開發了化學混合物毒性評估與預測的應用程式。

在實際環境體系中的污染物通常以混合物形式存在，因而可能產生累積與聯合毒性作用，導致潛在環境與健康風險。如何進行化學混合物的聯合毒性研究與潛在風險評價已成為環境化學領域的熱點和急需研究解決的重要前沿科學問題之一。Rajapakse等套用雌激素受體α考察了11種外源雌激素的混合物在無觀測效應濃度(NOEC)下的聯合效應，發現混合物總效應是17β-甾二醇的二倍。Deneer等發現由50個化學物構成的混合物體系產生了顯著的累積與聯合毒性作用，該50種化學物質中的每一種物質的濃度均低於NOEC。

化學混合物的累積與聯合毒性取決於構成組分的毒性以及這些組分之間的相互作用。對於二元混合物,可採用析因設計方法設計混合物的濃度配比，通過等效線圖、毒性單位法或濃度加和模型評估或預測混合物的聯合毒性。更完全的相互作用信息可以採用三維回響面分析方法。析因設計或部分析因設計可以降低實驗工作量，然而當組分數或水平數增加時，實驗工作量成指數冪增加。因此，要完成三個組分以上多元混合物的聯合效應研究仍是非常困難的。對於多元混合物,目前大多採用等毒性濃度比法或固定濃度比法即射線設計(Raydesign)研究某些特殊混合物的聯合毒性。等毒性濃度比法選擇EC50一個等毒性濃度點，而射線設計建議選擇相對食譜暴露估計量代替等毒性濃度點。它們都只考慮了大量混合物中的1個或幾個特殊混合物，因而對多樣性混合物沒有預測意義。如何設計具有充分代表性的混合物同時又不大幅度增加實驗工作量以實現混合物毒性的預測需要新的探索。

化學混合物中各組分濃度較低，一般不在該組分濃度-效應曲線(concentrationresponsecurve，簡稱CRC)的線性部分，經典線性擬合方法只能獲得EC50等高效應濃度數據，無法準確估計低效應濃度，必須採用非線性模擬方法。另一方面，由於毒性效應的測定因受試生物多種不可控因素客觀存在而產生較大的不確定性(偶然誤差)特別是低濃度毒性的測定。如何設計毒性實驗減少偶然誤差以及如何模擬非線性CRC是有效預測混合物聯合毒性的關鍵問題之一。

儘管化學混合物聯合毒性的研究已有近百年歷史,但進展緩慢，除了混合物本身毒作用機制的複雜性之外，缺乏方法學與數據分析平台的研究是阻礙其快速發展的重要原因之一。目前用於研究化學混合物聯合毒性的套用軟體僅有CombiTool和BioMol。CombiTool基於濃度加和與獨立作用模型，可用於評估兩組分最多三組分(假定一個組分濃度不變)混合物的聯合毒性。BioMol主要套用於兩組分最多三組分混合物基於藥代動力學的聯合毒性研究。

近年來，我們課題組在國家自然科學基金等資助下，針對CRC非線性擬合、代表性混合物濃度設計、降低毒性測試不確定度、混合物毒性評估與預測，數據分析軟體平台設計等關鍵問題進行開拓研究，建立了微板毒性分析方法、直接均分射線法、均勻設計射線法、支持向量回歸法、混合物指數整體評估及軟體平台等一系列方法技術，初步形成了化學混合物聯合毒性評估與預測(Assessmentandpredictionofmix-turetoxicity，簡稱APTox)的方法學體系。

化學混合物設計

目前混合物聯合毒性研究大多集中在二元混合物,通常以毒性單位為基礎考察混合物毒性隨濃度的變化,很少從混合物CRC整體進行系統毒性分析，不能全面反映不同濃度區域可能不一樣的毒性變化。我們引入最佳化實驗設計思想，創建了直接均分射線(Directequipartitionray，簡稱EquRay)與均勻設計射線(Uniformdesignray，簡稱UD-Ray)法。

均勻設計射線法(UD-Ray)

目前化學混合物毒性分析方法絕大多數隻適用於二元混合物，僅極少數涉及三組分混合物。對於多元混合物，常採用等毒性濃度比法或固定濃度比法考察其中1個或幾個特殊混合物，很難模擬實際環境中化學混合物的多種濃度變化，不能預測未知混合物。要實現不同組成混合物聯合毒性的真正預測，必須有一組象單個化學物一樣的標準濃度樣本校正集，這個校正集必須充分代表混合物中的各種濃度變化。我們創造性地將均勻設計思想引入混合物毒性研究之中，構建了均勻設計射線(UD-Ray)法，初步解決了多元混合物代表性問題。

均勻設計是我國數學家王元院士和方開泰教授創立的，是一種可使實驗點在實驗範圍內均勻散布的最佳化實驗設計方法，能有效地選擇有代表性的實驗點，以儘可能少的實驗次數反映混合物組分濃度變化的均勻分布，已在多個研究與套用領域得到廣泛套用。我們將均勻設計思想與固定濃度比射線方法有機地結合起來,建立了UD-Ray法(也稱均勻設計固定濃度比法(Uniformdesign-basedfixedconcentrationratio，簡稱UDCR)，從而有效開展多元混合物聯合毒性研究。

UD-Ray基本過程如下:根據多元混合物組分(因素)與各組分濃度(水平)的可能範圍，建立合適的因素-水平表;根據均勻設計基本原理計算或選擇合適的均勻表與相應使用表;通過使用表設計一組具有不同濃度分數的混合物(這些混合物各組分濃度能最大限度地代表混合物濃度的三維分布);以固定濃度比射線法將這組混合物中的每一個混合物擴展成一條射線;套用MTA方法測定各混合物的毒性效應並選擇合適加和參考模型評估這些混合物的毒性相互作用。

直接均分射線法(Equ Ray)

為全面有效探索二元混合物聯合效應隨各組分濃度的變化規律，我們在固定濃度比射線設計基礎上，提出稱為直接均分射線法(EquRay)研究聯合效應的新方法。EquRay要點如下:對於由A與B兩個組分組成的二元混合物，在以A和B的濃度為坐標軸的二維坐標平面上，連線A和B軸上的EC50點(線段);在連線線段上等距離選擇m個點(例如5個點)，從坐標原點出發並通過等距離點做m條射線(記為R1，R2，R3，…，Rm);選擇合適的稀釋因子，在每條射線上設計12個濃度梯度點(這些點代表的混合物中A與B的濃度分數為常數);套用MTA或其它毒性測試方法測試每條射線上各個混合物點的毒性效應，進而構成一條具有固定濃度分數的混合物CRC。EquRay法能均勻考察具有不同濃度分數的多條射線,從而表征二元混合物的各種濃度變化。由於1條射線的濃度-效應數據構成1條混合物的CRC,EquRay法也能從整條CRC曲線上考察混合物的毒性變化規律。

EquRay方法已成功地套用於農藥敵敵畏與3個離子液體的3個二元混合物體系的濃度配比設計，以S-MTA法測試各條射線上的各濃度點混合物的抑制毒性，以CA為加和參考模型，分析這些二元混合物射線的聯合毒性規律[13a]。為系統評估具有非單調CRC(如J-型)特徵化學物與典型S-型CRC化學物之間的聯合毒性變化，套用EquRay方法設計了3組二元混合物(丙酮-二甲亞碸、乙腈-二甲亞碸和丙酮-乙腈)，並通過S-MTA測試、實驗CRC與CA預測CRC比較和等效線圖分析揭示了這些混合物的聯合毒性規律。

我們曾以中心複方設計(CentralCompositeDesign,CCD)方法設計二元混合物的濃度組成並同樣以固定濃度比射線法將每一個濃度點拓展成混合物CRC，考察離子液體和農藥二元混合物的聯合毒性變化[23]。然而,CCD法中某些濃度點在射線擴展時在同一條射線上,且整體濃度分布不如EquRay均勻，因此對於二元混合物我們推薦使用EquRay。