医学课件血液毒理学

Hematotoxicology 血液毒理学 第一节 概 述 一 血液毒理学概述 v血液毒理学(toxicology) 是一门研究药物、非治疗性化学试 剂以及环境中其他物质对血液和造血 器官有害效应的学科。 血液毒理学是在近20年来随实验血 液学的发展而迅速发展起来的毒理学 分支，其汲取了血液学和毒理学的基 本理论。 绪绪 论论 第一节 概述 N血液和造血组织的组成 N靶器官 内内 容容 提提 要要 血液和造血组织的组成 外周血 红细胞 白细胞 血小板 粒细胞 淋巴细胞 单核细胞 中性粒细胞 嗜碱性粒细胞 嗜酸性粒细胞 造血组织的组成 (二)红细胞的生理特征与功能 1.红细胞的生理特征 (1)可塑变形性:使红细胞可通过小血管。 (2)悬浮稳定性 (3)渗透脆性 2.红细胞的功能: (1)运输O2和CO2 (2)缓冲作用 三、白细胞(WBC)生理 (一)白细胞的分类与数量 白细胞 粒细胞 无粒细胞 中性粒细胞 嗜酸性粒细胞 嗜碱性粒细胞 单核细胞 淋巴细胞 数量的正常值： (410)109/L 成人血液白细胞分类及主要功能 名称 百分比(%) 主要功能 中性粒细胞 5070 吞噬并分解细菌等 嗜酸性粒细胞 0.5 5 限制速发性过敏反应 参与对蠕虫免疫反应 嗜碱性粒细胞 01 参与过敏反应、抗凝 淋巴细胞 2040 参与特异性免疫 单核细胞 38 继续发育成巨噬细胞 后,吞噬杀灭外来微生物 四、血小板生理 (一)数量和功能: (100300)109/L 1.参与生理止血全过程; 2.参与凝血: 释放血小板因子(PF3等); 3.维持血管壁的完整性: (1)粘附并融合到血管内皮中； (2)释放血小板源生长因子,促细胞增殖. 当血小板 50109/L时, 可发生紫癜。 (二)血小板的生理特性： 1.粘附: 血小板与非血小板表面的粘着; 2.释放: ADP、5-HT、PF4、TXA2等; 3.聚集: 血小板之间相互粘着的过程； 4.收缩: 引起血凝块回缩、血栓硬化； 5.吸附：血小板表面吸附多种凝血因子,形成 局部高浓度,促进凝血。 血液的组成：血浆和血细胞 血液系统的主要功能： 1）运输功能（O2、CO2、营养物质、代 谢产物、激素等） 2）缓冲功能 3）参与生理性止血功能和机体防御功能 一、血细胞的生成 血细胞的生成 1.造血器官：骨髓 2.造血过程（图3-1、图3-2） 图3-1 血细胞生成模式图 淋巴细胞库多能干细胞库 原红细胞原粒细胞原巨核细胞 血小板 （200109/L 400109/L） 红细胞 （5.51012/L 4.51012/L） 网织红细胞白细胞 （5.4109/L 9.1109/L） 从骨髓中释放 图3-2 血液形成（1） 靶器官 n血液是外源化学物的主要靶器官之一 血液是外源化学物的主要靶器官 n(1)进入机体的外源化学物在吸收后首先进人 血液，并达到较高的浓度，在分布、代谢和排 泄等过程中化学物都依靠血液来运输。因此， 血液和造血器官中的各种成分与外源化学物或 其代谢产物接触的机会较多； n(2)血液系统的成分和功能的复杂性，使血液 系统很易受到外源化学物的影响； n(3)外周血中的各种细胞均由骨髓中造血干细 胞/增殖分化而来，高度增殖的处于不同分化 阶段的各种血细胞对外源化学物易感性较高。 血液毒性是原发性的或继发性的 n原发性的是指一个或多个血液成分受到直接影响， 多是外源性物质尤其是药物的严重毒性作用； n继发性的是指毒性作用是其他组织受损或系统紊乱 的结果，由于血细胞通常可以反映出许多毒物对其 他组织的局部和全身作用，所以继发性血液毒性很 常见。 n这些继发性效应较直接效应更具反应性及代偿性， 从而为毒理学家提供了一种监测和确定毒性反应特 点的重要和实用的工具。 血液样本易于采集 n外周血作为最重要的生物样品，在毒理学研究中具 有重要的作用 n外周血样品不仅在实验毒理学中作为血液学和血液 生化学检验的标本，评价其它器官系统的功能状态 ； n用于研究生物学标志实验动物外推到人的有效性评 价， n在分子流行病学常用于检测暴露、效应和易感生物 学标志 n在基因组学、蛋白质组学、代谢组学研究中外周血 是最为常用的生物样品。 各种原因的血液毒性造成的结局 n1）血细胞生成异常，表现为外周血中某种或多种 细胞的减少或增多，如巨幼红细胞性贫血、粒细 胞缺乏症、再生障碍性贫血、血细胞增多症和白 血病等； n2）血红蛋白异常和溶血，高铁血红蛋白血症、硫 化血红蛋白血症、碳氧血红蛋白血症、赫恩小体 溶血性贫血等； n3）出血性疾病，如血小板减少症、药物或化学物 引起的凝血机制障碍而发生的出血等。 红细胞系毒理学 一、红细胞的代谢特点 红细胞由骨髓造血干细胞定向分化而来 原始红细胞 早幼红细胞中幼红细胞晚幼红细胞 网状红细胞 成熟红细胞 无细胞器，葡萄糖供能 代谢能力有核红细 胞网织红细 胞成熟红细 胞 分裂增殖能力+- DNA合成+- RNA合成 +- RNA存在 +- 蛋白质合成 +- 血红素合成+- 脂类合成+- 三羧酸循环 +- 氧化磷酸化 +- 糖酵解+ 磷酸戊糖途径 + n红细胞（RBC）占整个血循环容量的40 45 % , 是从肺向外周组织运输氧气的主要 工具。 二、红细胞(RBC)生理 (一)数量和形态: *无核、双凹圆碟状，直径78m. *数量: 成年男性：(4.05.5)1012/L 成年女性：(3.55.0)1012/L * Hb: 成年男性：120160g/L； 成年女性：110150g/L. (二)红细胞的生理特征与功能 1.红细胞的生理特征 (1)可塑变形性:使红细胞可通过小血管。 (2)悬浮稳定性 (3)渗透脆性 2.红细胞的功能: (1)运输O2和CO2 (2)缓冲作用 (2)悬浮稳定性红细胞能相当稳定 地悬浮于血浆中而不易下沉的特性。 *测定指标红细胞沉降率 (血沉,ESR)：血沉管内抗凝 血中红细胞在血浆中单位时 间沉降的距离。 正常值:男:苯胺硝基氯苯硝基苯TNT二硝基 甲苯硝基甲苯 n猫人 n猴、兔则无作用 变性珠蛋白小体(赫恩小体) n外源性化合物在体内经代谢转化产生的中间 代谢物，直接作用于珠蛋白分子中的硫基(- SH)，使珠蛋白变性。 n初期仅两个巯基被结合变性，是可逆的。后 期四个巯基均与毒物结合，珠蛋白变性后形 成沉淀物，使红细胞内出现包涵体，即赫恩 小体。 n珠蛋白2个-SH 变性Hb(可逆） n珠蛋白4个-SH 变性Hb(不可逆） (赫恩小体) GSH O2 O2 Heinz body 图 n赫恩小体呈圆形或椭圆形，直径0.3-2um， 具有折光性，多为l-2个，位于细胞边缘或 附着于红细胞膜上，有赫恩小体的红细胞 结构和功能均有缺陷，极易破裂，引起溶 血。 n赫恩小体的形成略迟于高铁血红蛋白，中 毒后约2-4天可达高峰，1-2周左右才消失。 外源性化合物对红细胞的毒性作用 n外源化合物可能影响红细胞的生成、功能 和存活期 n这些效应最常见的是导致红细胞数量的减 少（贫血） n红细胞生成减少性贫血（分为造血干祖细 胞异常所致贫血、造血调节异常所致贫血 、造血原料不足或利用障碍所致贫血）和 红细胞破坏过多性贫血（溶血性贫血） n红细胞的分化、增殖过程十分迅速，通常从原红 细胞分化、发育为网织红细胞只需约72小时，再 经过约48小时即可发育为成熟红细胞。红细胞的 生成是个持续的过程，依赖于细胞频繁的分化和 血红蛋白的高速合成。 n血红蛋白的合成依赖于珠蛋白链和血红素两部分 协调生成。外源化学物可以影响珠蛋白链合成和 血红素的合成，导致血红蛋白合成减少并引起贫 血 红细胞的生成 n铁粒幼细胞性贫血（sideroblastic anemia）是由 血红素合成障碍引起的不同程度小细胞低色素性贫 血。 n巨幼细胞性贫血（megaloblastic anemia）是由叶 酸、维生素B12缺乏或其他原因引起的DNA合成障碍 所致的一种贫血，通常影响红细胞系、骨髓细胞系 和巨核细胞系，引起形态学和生化学的改变 n再生障碍性贫血（aplastic anemia）是外源化学 物原形或其活性代谢产物引起造血微环境的异常和 影响造血干细胞的分化成熟，最终导致周围血各种 血细胞的减少的严重疾病。 再生障碍性贫血 红细胞的生成 n药物和化学物诱导发生的再生障碍性贫血可以分为可 预测性反应和特异性的反应两类 n一些药物、苯及放射性物质的大剂量暴露会导致可预 测性再生障碍性贫血。例如，急性高剂量全身辐射与 短期骨髓再生障碍及死亡有关。苯所致再生障碍性贫 血可根据其中毒剂量表现为轻微的、可逆性的改变或 致死性效应， n其机制可能与苯在肝细胞色素P450混合功能氧化酶催化 生成苯酚、氢醌、儿茶酚、三羟基苯、黏糠醛等活性亲电子 代谢产物，从而与骨髓血细胞中的DNA、RNA、蛋白质的共价 结合，引起骨髓血细胞损伤有关。 n特异性再生障碍性贫血的发生与引起这一过程的药物 和化学物的剂量无关，通常认为与免疫反应有关。 红细胞的生成 n纯红细胞减少症（pure red cell aplasia）： 是一种由于骨髓中仅红细胞系生成减少所 致的罕见的综合征，已经比较明确会引起 这一特异反应的药物包括：异烟肼、苯妥 英和硝基咪唑嘌呤，虽然致病机理尚不清 楚，但已有证据表明可能是免疫介导的反 应。 红细胞的生成 n继发性贫血：一些原发病本身可抑制红细 胞生成，使药物的毒性作用复杂化，如酒 精中毒性贫血，化疗引起的恶性微血管性 贫血等。此外，慢性感染、炎症和恶性疾 病也常引起贫血，此类贫血称为“慢性病性 贫血”(anemia of chronic disease, ACD) 二、对血红蛋白呼吸功能的影响 n血红蛋白对于肺与组织之间有效运输氧气 和二氧化碳是必需的。外源化学物可影响 血红蛋白结构和与氧的亲和力，改变血红 蛋白的呼吸功能 高铁血红蛋白血症（ methemoglobinemia） n在正常情况下红细胞内血红蛋白呈亚铁状 态（Fe2+），能与氧结合或分离；当血红蛋 白中的铁被氧化成为高铁状态（Fe3+）时， 即形成高铁血红蛋白（methemoglobin, Met Hb），这种血红蛋白不能与氧结合和 分离。在正常生理条件下，人体高铁血红 蛋白占血红蛋白总量的0.5%2%，如果超过 这个数值即成为高铁血红蛋白血症。 苯佐卡因非那西丁硝酸盐汽油 利多卡因一氧化氮亚硝酸盐苯胺 普鲁卡因非那吡啶硝基苯硝基甲苯 氯苯砜甲氧氯普胺 苯胺染料 亚硝基甲苯 亚硝酸异戊酯氟他胺硝酸丁酯三硝基甲苯 硝酸异丁酯亚硝酸银氯化钾 硝酸甘油苯醌 伯胺哇美蓝 药 物 环境化学物 磺胺药物 硫化血红蛋白（sulfhemoglobin, sulf Hb） n是一种结构尚不完全清楚的血红蛋白与硫相结合的稳 定化合物，占Hb总量02 %，超过这个数值即成为硫化 血红蛋白血症。 n三硝基甲苯、乙酰苯胺、代森锌、亚乙基双硫代氨基 甲酸锌能引起硫化血红蛋白血症。 n能引起Met Hb的化学物亦有能增加Sulf Hb的机会。 n硫化血红蛋白与Met Hb不同，一旦形成是不可逆的， 直至细胞死亡。 n具有硫化血红蛋白的红细胞的生命期和渗透性及脆性 均正常。 n由于sulf Hb不能携氧，故硫化血红蛋白血症的临床表 现为紫绀或缺氧，与Met Hb血症症状相似，但一般症 状较轻。Sulf Hb血症用亚甲蓝、维生素C治疗无效。 碳氧血红红蛋白( carbonylhemoglobin, HbCO) n主要与血液中的血红蛋白（Hb）结合形成 HbCO，还可与其他卟啉蛋白，如细胞色素 a3，肌红蛋白结合。 三、对红细胞存活期的影响 n任何一种对红细胞的损害如氧化损伤增加、代谢 障碍以及细胞膜的改变都可能导致红细胞减少， 引发贫血 n引起红细胞破坏的原因很多，包括非免疫性和免 疫性两类 n非免疫性溶血性贫血 n氧化损伤性溶血 n非氧化损伤性溶血 n免疫性溶血性贫血:免疫反应引起的红细胞损伤是 由IgG或IgM抗体介导的与表达在红细胞表面的抗原相 互作用造成的。 白细胞毒理学 白细胞的分类与数量 白细胞 粒细胞 无粒细胞 中性粒细胞 嗜酸性粒细胞 嗜碱性粒细胞 单核细胞 淋巴细胞 数量的正常值： (410)109/L 成人血液白细胞分类及主要功能 名称 百分比(%) 主要功能 中性粒细胞 5070 吞噬并分解细菌等 嗜酸性粒细胞 0.5 5 限制速发性过敏反应 参与对蠕虫免疫反应 嗜碱性粒细胞 01 参与过敏反应、抗凝 淋巴细胞 2040 参与特异性免疫 单核细胞 38 继续发育成巨噬细胞 后,吞噬杀灭外来微生物 白细胞对毒性物质的反应 n对粒细胞生成的影响 n对粒细胞功能的影响 n对白细胞的增殖的影响（白血病） n与其他造血组织一样，中性粒细胞的高增殖速率使它 们的祖细胞与前幼粒细胞对有丝分裂抑制剂特别敏感 ，这种由细胞毒药物引起的作用是非特异性的，这种 效应是与剂量相关的白细胞减少症（leueocytopema ）或粒细胞缺乏症（agranulocytosis） n粒细胞减少症是化学物诱导骨髓损害的最常见的表现 ，也可由电离辐射所致。一般说来，烷基化物（如氮 芥、二甲磺酸丁酯、苯丁酸氮芥、和环磷酰胺）和抗 代谢类（如氨甲蝶呤和5氟尿嘧啶）都是最常见的与 白细胞减少和嗜中性白细胞减少（联合放疗时加重） 相关的药物。 一、对粒细胞生成的影响一、对粒细胞生成的影响 n动物实验：长期经口摄入无机铅导致早期 髓系和红系的不同步高增殖性改变，白细 胞总数减少，而粒细胞数接近正常。 n甲氨蝶呤、阿糖胞苷、柔红霉素、环磷酰 胺、顺铂和亚硝基脲对静止期和分化期的 细胞有毒性，通常发生在用药714 天后。 一、对粒细胞生成的影响 n中毒性中性粒细胞减少可根据机制划分为免疫 介导或非免疫介导 n免疫介导引起的中性粒细胞减少会导致外周 血中性粒细胞破坏、祖粒细胞破坏或同时引起两 者破坏。和红细胞一样，免疫性外源化学物发挥 半抗原的作用，这是必须有药物存在才引起的细 胞损伤，在药物不存在的情况下会诱导免疫细胞 产生抗中性粒细胞抗体。外源化学物诱导的损伤 可以是抗体介导的，也可能是细胞介导的。 二、对粒细胞功能的影响 n乙醇、糖皮质激素可损坏粒细胞的吞噬作用及 对微生物的摄取。 n有报道用于X 线成像的对照介质、诊断用药和 碘克酸可以抑制粒细胞的吞噬作用。 n还有报道服用海洛因的患者，以及长期用美沙 酮维持戒毒的阿片滥用者体内超氧化物的生成 减少，而超氧化物具有杀伤微生物的能力和趋 化作用。 n抗痤疮药物中的锌盐也可损害粒细胞趋化性 白 血 病 一类起源于骨髓造血组织某一细胞 系的增殖性疾病 白 血 病 n是一类起源于骨髓造血组织某一细胞系的增殖疾病 。其中的白血病细胞增殖失控、分化障碍、凋亡受 阻，而停滞在细胞发育的不同阶段。在骨髓和其他 造血组织中白血病细胞大量增生累积，并浸润其他 器官和组织，而正常造血受抑制 n血细胞，主要是某一系列白细胞异常肿瘤性增生， 并在骨髓、肝、脾、淋巴结等各脏器浸润，外周血 中白细胞可有质与量的异常。 病 因 n病毒感染：成人T细胞白血病/淋巴瘤人 类T细胞白血病病毒型（HTLV- ） n电离辐射：X射线、射线、原子弹辐射。 1945年日本广岛、长崎原子弹爆炸3年后 白血病发生率开始上升第6年达最高峰 以后逐渐下降。 n化学品接触： 化学品：苯 化学药物：烷化剂（环磷酰胺等） 氯霉素 乙双吗啉 n遗传因素：白血病患者第一代家属中白 血病患者比一般人群高2.83.0倍，比远 亲高2.3倍。 分 型 n病程及肿瘤细胞分化程度： 急性、慢性 ANLL: 急性非淋巴细胞白血病（acute non-lymphatic leukemia） ALL: 急性淋巴细细胞白血病（acute lymphatic leukemia） CML: 慢性粒细胞性白血病（chronic myelocytic leukemia） CLL: 慢性淋巴细胞白血病（chronic lymphocytic leukemia） 肿瘤细胞类型： 原粒细胞：急性粒细胞白血病 早幼粒细胞：急性早幼粒细胞白血病 幼红细胞：红白血病 原始和幼稚单核细胞：急性单核细胞白血病 成熟淋巴细胞：慢性淋巴细胞白血病 n性别与发病率 男女之比为11.61。 n年龄与发病率 美国： ALL 05岁较高，为3.8/10万，5岁后下降， 2539岁最低，至老年又升至3.7/10万。 ANLL 30岁以前 0.8 /10万，以后上升，70岁 以后升至14.8 /10万。 CML 25岁以前 0.2 /10万，中年人增加。 CLL 30岁以前少见，此后上升，老年人达 28.3 /10万。 我国的流行病学 n死亡率： 男性 2.79 /10万，女性2.23 /10万，合计2.52 /10万。 排位： 男性为第6位（占3.48%），女性为第8位（占 4.11%）。 n类型分布： ANLL最高，ALL次之，其次为CML，CLL最少。 急性白血病的分型 n分型标准：FAB分型MICM分型 n分型依据：形态学、细胞组织化学形态 学和细胞组织化学、免疫表型、细胞遗传 学、分子生物学。 急性白血病的FAB分型 n急性淋巴细胞白血病： 细细胞学特征L1L2L3 细细胞大小小细细胞为为主大细细胞为为主大细细胞为为主，大小较较一致 核染色质质较较粗，结结构较较一致较较疏松，结结构较较不一致呈细细点状，均匀 核形规则规则，偶有凹陷或折叠不规则规则，常见见凹陷或折叠较规则较规则 核仁小而不清楚，少或不见见清楚，1个或多个明显显，1个或多个，呈小泡 状 胞浆浆量少不定，常较较多较较多 胞浆浆嗜碱性轻轻或中度不定，有些细细胞深染深蓝蓝 胞浆浆空泡不定不定常明显显 n急性非淋巴细胞白血病 M0：急性髓细胞白血病微分化型 M1：急性粒细胞白血病未分化型，原粒细胞90%。 M2：急性粒细胞白血病部分分化型。 M3：急性早幼粒细胞白血病，异常早幼粒细胞30%。 M4：急性粒-单核细胞白血病。 M5：急性单核细胞白血病。 M6：急性红白血病。 M7：急性巨核细胞白血病。 可能机制： 母体化合物生物转化为活性中间体的活 性中间体的活化代谢，骨髓生理功能 受干扰，拓扑异构酶抑制、DNA加成物 生成，染色体畸变、癌基因活化、抑 制基因灭活等 致白血病药物和化学物 n在癌症化疗中使用的多数烷化剂能引起MDS和/ 或AML，包括环磷酰胺、左旋溶肉瘤素、白消 安、苯丁酸氮芥和亚硝基脲复合物如卡莫司汀 。其他溶瘤细胞剂包括硫唑嘌呤、甲基苯肼、 阿霉素和博莱霉素。 n这些药物的危险性随治疗方案而有较大变化， 据报道，用烷化剂治疗的病人中MDS/AML发 生率为0.6%7%，平均相对危险度为100倍。 n拓扑异构酶抑制剂，特别是鬼臼毒酶素依托 泊苷和替尼泊苷能诱导AML。 n在芳香烃中，只有苯已被证明可导致白血病 。仍没有实验证据表明含取代基的苯能引起 白血病。 n高剂量的-射线或X-射线被认为是与ALL、 AML和CML有关，这一点在广岛长崎原子 弹爆炸的幸存者中得以表明，但放射性坠尘 或诊断性X线片还要低的辐射剂量与这些疾 病的关系却不明显。 n争议性的因素包括1,3-丁二烯，非离子化射 线（电磁波、微波、红外线、可和紫外光谱 的高频端）和吸烟。 n骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndrome ，MDS）是一组起源于造血干细 胞，以血细胞病态造血、高风险向急性白 血病转化为特征的难治性血细胞质、量异 常的异质性疾病。MDS是老年性疾病，继 发性MDS见于烷化剂、放射线、苯等有机 毒物等密切接触者。 中毒性白血病产生机制 n急性髓系白血病（AML）是与毒物暴露或 化学暴露相关的主要疾病。这表明骨髓抑 制在特定条件下可能会导致白血病，毒性 反应具有连续性，这也与细胞遗传学异常 有关特别是5号和7号染色体的全部或部分 丢失。 n用烷化剂或其他抗肿瘤制剂治疗患MDS和 （或）AML的病人之后，病人的这些染色 体缺失的频率为67%到95%。在职业性苯 暴露的AML患者可以观察到同样的变化， 它们表现的非整倍性更多的涉及7号染色体 。与继发性AML相比，5号染色体和7号染 色体丢失频率相对较低，表明这些细胞标 志基因可用于鉴别毒性暴露和其他引起白 血病的病因。 第四节 血小板及凝血毒理学 n止血过程包括三个基本过程即受伤的小血 管收缩、血小板血栓形成和纤维蛋白凝块 的形成和维持。 n凝血过程分三期有多种凝血因子参与，形 成凝血酶原酶、形成凝血酶原和形成纤维 蛋白。 n体内存在抗凝和纤溶机制，能预防正常时 血管内血液凝固，并适当限制和调节血凝 反应。 n止血系统各成分的变化或系统活性变化都 会导致止血功能紊乱的临床现象，包括流 血过多和血栓形成。 n止血系统是各种外源化学物毒性作用的靶 。 n外源性化学物通过引起血小板减少和损害 血小板功能来干扰血小板在止血过程中的 作用。 血小板减少症 1）血小板生成减少：骨髓抑制肿瘤 化疗药 2）血小板破坏增多：免疫介导青霉 素、奎尼丁、血小板抑制剂 l再生障碍性贫血最初表现皮肤粘膜出 血，是继发于血小板减少引起的。 n血小板减少症（thrombocytopenia）:由血小板的 生成减少或破坏增加导致。接触外源性物质可通过