Rapid Screening of Chemicals with Placental Transfer Risk Using Interpretable Machine Learning

经胎盘 人工智能 机器学习 计算机科学 胎儿 胎盘 生物 怀孕 遗传学
作者
Xiaojia Chen,Jingzhi Yao,Yu Ma,Yuanyuan Fang,Wenxin Wang,Xiaojun Deng,Ling Tan,Yijun Fan,Mingliang Fang
出处
期刊:Environmental Science and Technology Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 798-804 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.estlett.4c00413
摘要

Assessing the placental transfer efficiency of toxic chemicals remains challenging. Here, a robust machine learning (ML) model was developed to predict the human fetal–maternal blood concentration ratio (F/M) at the exposomic level. By curating one of the largest F/M data sets, we evaluated a series of prediction models using a combination of 12 ML algorithms and four molecular fingerprints. The long short-term memory (LSTM) model with retraining optimization works as the best performer, displayed robust accuracy (R2train = 0.91, R2test = 0.68), and was subsequently applied to our previously developed risk-based Human Exposome and Metabolite Database (HExpMetDB). The fetal hazard quotient (FHQ) was assessed using the predicted F/M ratios, probabilistic exposure dose, and toxicity index. From the top 1000 prioritized chemicals via FHQs ranking, we randomly selected four candidates (triethyl phosphate, benzotriazole, oxybenzone, and dichlormid) to perform in vivo experiments. All four chemicals exhibited transplacental potential (F/M ratio >0.3) as new possible chemicals of concern, demonstrating the accuracy of the predictive model. The Shapley additive explanation (SHAP) method revealed the top 10 key structural fragments related to the transplacental transfer efficiency. We believe that the prediction model can serve as an effective tool to screen potential risk compounds of fetal exposure.
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