分析工具 Computational Prediction


分享給LINE好友!

預測毒理學(Predictive toxicology)或是計算毒理學(Computational toxicology)是21世紀新興發展的毒理學研究方法之一,多方位結合了生物資訊、電腦模擬(in silico modeling)與系統生物學等工具,用於預測化學物質對生物系統或環境的健康與安全效應,也是屬於非動物性替代方法的一種。

目前許多化學物質沒有詳盡的毒理資料,預測毒理學可應用於初步篩選及危害排序,以便規畫後續的毒理試驗,也可應用於了解化學物質的毒性與作用機制等研究。本站將持續收集國際間普遍使用的預測分析工具及資料庫,期望能促進預測毒理學做為替代方法的發展,並應用於台灣相關議題的管理。

(Chemical-disease inference system, ChemDIS)

ChemDIS為一化學品-疾病關係的整合性分析平台,主要用於評估化學品對人體的潛在健康風險,透過串聯化學品-蛋白質體與蛋白質體-疾病間交互作用建立交互作用網路,並以超幾何分布來推導化學品-蛋白質-疾病三者間的關連性,不僅提供化學品潛在影響之基因/蛋白功能、生物途徑及疾病,還能幫助產生實驗假說供後續實驗驗證。此平台整合多個國際知名資料庫,包括化學品資料庫PubChem、蛋白質-化學品交互作用資料庫STITCH、基因功能資料庫Gene Ontology(GO)、探討生物路徑的資料庫KEGG和Reactome、標準化疾病資料庫DO及容易解讀的疾病資料庫DOLite。在第2.1版中ChemDIS已經能夠分析40多萬個化學品,並提供化學品混合物交互作用分析與客製化分析等功能。

前往分析系統網站

(The Integrated Chemical Environment, ICE)

美國國家毒物計畫替代性毒理學方法跨部門評估中心(The National Toxicology Program (NTP) Interagency Center for the Evaluation of Alternative Toxicological Methods, NICEATM)於2017年3月發表了「ICE化學品資訊分析整合平台」(The Integrated Chemical Environment)搜尋資料庫。目前ICE提供化學品來自動物和非動物測試的數據,可供查詢化學安全法規中毒理資訊描述的測試終點,包括急性口服毒性(Acute Oral Toxicity)、皮膚和眼睛刺激(Skin and Eye Irritation)、皮膚致敏性(Skin Sensitization)和內分泌活性(Endocrine)。另外,ICE也提供化學品的物理化學性質資料(包括溶解度,熔點和分子量)的查詢與預測,以及TOX21的高通量篩選(High-throughput screening, HTS)數據。

2020年7月發布3.1版更新,詳細更新內容請點此
2020年7月發布3.0.2版更新,詳細更新內容請點此
2020年3月發布3.0版更新,詳細更新內容請點此
2019年5月進行更新至2.0版本介面,詳細更新內容請點此
網路講座:ICE化學品資訊分析整合平台 - 支援毒性評估的工具與數據
前往分析整合平台網站

(OECD QSAR Toolbox)

QSAR Toolbox為經濟合作暨發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)所發展的計算毒理預測工具,可透過化學物質資料庫將化學品按結構分類,及利用定量構效關係(QSAR)、交叉參照(Read-across)模型,預測危害物質評估與化學品分類所需要的毒理及生態毒理數據,填補資料缺口,以減少不必要的動物實驗。歐盟REACH註冊者更可以透過QSAR Toolbox進行動物測試之替代方法。

QSAR toolbox主要功能包括:

  • 根據化學物質結構及物化特性資料庫進行物質分類。
  • 透過資料庫交叉參照預測及填補毒理數據缺口。
  • 應用化學物質資料庫建立QSAR 模型,預測毒性。
  • 應用化學物質代謝物結構的預測。
經濟合作與發展組織(OECD)於2020年4月15日釋出QSAR Toolbox 4.4.1版本,詳細更新內容請點此
經濟合作與發展組織(OECD)於2020年2月10日釋出QSAR Toolbox 4.4版本,詳細更新內容請點此
前往工具箱網站

(Open Structure-activity/property Relationship App, OPERA)

為了提供可靠並可用於法規目的之QSAR/QSPR模型,用於分析環境中感興趣的化學物質特性,美國環境保護署(U.S. EPA)的國家計算毒理學中心(National Center For Computational Toxicology, NCCT)建立開放性結構活性/特性關係應用程式(Open Structure-activity/property Relationship App, OPERA)。OPERA是免費的開放原始碼/開放資料的QSAR模型套裝軟體,提供物化特性、環境宿命參數、毒性終點的預測。所有OPERA模型都建立於經過整理的數據與使用開放原始碼工作流程標準化的QSAR就緒(QSAR-ready)化學物質結構。

OPERA持續由美國環境保護署與美國國家毒物計畫替代性毒理學方法跨部門評估中心(The National Toxicology Program (NTP) Interagency Center for the Evaluation of Alternative Toxicological Methods, NICEATM)合作開發。提供雌激素/雄激素活性、物化特性、急毒性、藥物動力學參數、生態毒性參數等等的預測

目前OPERA的毒性與物化特性預測可在化學結構資料庫(CompTox Chemistry Dashboard)與化學品資訊分析整合平台(The Integrated Chemical Environment, ICE)使用。另外,也可以至NIEHS GitHub repository下載OPERA應用程式,直接安裝於電腦本機使用。

相關連結:分析工具新增「開放性結構活性/特性關係應用程式」(Open Structure-activity/property Relationship App, OPERA)
前往軟體下載網站

美國(國家毒物計畫)替代性毒理學方法跨部門評估中心(The NTP Interagency Center for the Evaluation of Alternative Toxicological Methods, NICEATM)、北卡羅萊納大學(University of North Carolina at Chapel Hill)以及(巴西)戈亞斯州聯邦大學(Federal University of Goiás)合作開發了Pred-Skin 3.0網路預測工具,不僅可替代動物試驗,並能準確預測化學物質對於人體皮膚致敏性(skin sensitisation)。其所有預測模型皆可免費使用。

戈亞斯州聯邦大學的分子建模與藥物設計(Molecular Modeling and Drug Design)實驗室於先前已開發了化學物質「皮膚致敏性」的預測模型,用於預測兩種皮膚致敏性試驗,包括人體貼片試驗(human patch test)和小鼠局部淋巴結試驗(murine local lymph node assay, LLNA),並於網路平台上進行實作。此次經合作開發的重大修改與擴充後,提出全新的免費網路工具,Pred-Skin 3.0。新版的Pred-Skin結合多種定量構效關係(Quantitative Structure-Activity Relationship, QSAR)模型以及體外(in vitro)、動物體內(in vivo)、人體離體(ex vivo)試驗,並整合至共識性單純貝葉斯(Naïve Bayes)模型,以預測對化學物質人體皮膚的影響。

相關連結:Pred-Skin:準確預測人體皮膚致敏性的網路工具
前往分析網站

為了能快速評估化學物質毒性並推論可能的作用機制,美國國家環境衛生科學研究所(National Institute of Environmental Health Sciences, NIEHS)的研究團隊開發出一個直觀的網路工具,Tox21BodyMap。使用者可以將化學物質可能造成的作用效應對映標繪到人體圖的目標器官(target organs),視覺化的結果能讓化學物質的現有數據更直觀明瞭地呈現給使用者。

透過網頁上的互動式工具,Tox21BodyMap的使用者可以將化學物質的影響作用視覺化地映射到目標器官或系統。使用者可以調整基因表現閾值與活性濃度(half-maximal activity concentrations, AC50)參數,可進行不同的篩選分析。分析結果頁面可提供結合網路動態圖像、數據表格,以及TOX21 HTS綜合活性的彙整圖表,呈現化學物質生物活性的整體概況。

前往分析工具網站

(Threshold of Toxicological Concern,TTC)

毒理關切閾值(Threshold of Toxicological Concern,TTC)是目前最被廣泛使用且行之有年對微量存在之化學物質毒性的初步評估方法。歐洲食品安全局(European Food Safety Authority,EFSA)與世界衛生組織(World Health Organization,WHO)近年也提出修正建議,當進行初步安全評估時,蒐集化學物質之危害或毒性資料不完整或有限,則可應用TTC方法篩選及排序出可能的毒性強度。美國食品藥物管理局(U.S. Food and Drug Administration,U.S. FDA)將TTC應用於食品包裝材料遷移量、調味劑與新藥中具基因毒性及致癌性的不純物質的初步安全性評估;EFSA將TTC應用於調味劑、地下水中的農藥代謝物的安全性評估。

TTC的基本概念是藉由分析化學物質的最低反應劑量或無反應劑量的分布來建立一個暴露閾值,若低劑量的暴露量低於該閾值則對人體健康可能沒有風險。TTC可做為篩選工具,判斷化學物質是否需優先關注或是否需要更進一步的數據蒐集。

科學家基於TTC概念發展出各種不同的決策樹,其中,最廣為人知的是Cramer和Kroes決策樹。決策樹是以化學物質的結構與毒性資料為基礎設定多個問題,最終可決定物質的毒性關注高低。目前已有軟體公司整合各種方法,除了前述兩種決策樹預測方法,也包含致癌性預測、皮膚刺激性預測…等多種預測方法,可依需求選擇適合的決策樹。

前往軟體下載網站
參考資料下載