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毒理学基础 Foundations of Toxicology 北京大学公共卫生学院毒理学系 课 程 安 排 (理论课) 课 程 安 排 (实习课) 北京大学公共卫生学院毒理学系北京大学公共卫生学院毒理学系 郝卫东郝卫东 绪绪 论论 一 毒理学的范畴 二 毒理学基本概念 三 毒理学发展趋势 从生物学角度研究环境因素（主从生物学角度研究环境因素（主 要是化学物质）对生物机体的损要是化学物质）对生物机体的损 害作用及其机制的科学。害作用及其机制的科学。 毒理学 Paracelsus(1493-1541) “The dose makes the poison.” 研究范畴 描述毒理学 通过各种毒性试验研究外源化学 物 的毒作用特征。 机理毒理学 研究外源化学物对生物体毒作用 的 细胞、分子以及生化机制 管理毒理学 依据描述和机制毒理学对外源化 学 物毒作用规律的研究成果，确定 需 要管理的外源性化学物，制订相 应 的管理法规及卫生标准，并以此 为 依据对外源化学物进行有效的管 理，以保障接触人群的健康。 流行病学研究 受控的临床研究 毒理学体内试验 毒理学体外试验 优点 真实的暴露条件 规定的限定暴露条 易于控制暴露条件 影响因素少，易 于控 在各化学物之间发生相 在人群中测定反应 能测定多种效应 制 互作用 对某组人群(如哮喘) 能评价宿主特征的作用 可进行某些深入 的研 测定在人群的作用 的研究是有力的 (如：性别、年龄、遗 究(如：机制，代谢) 表示全部的人敏感性 能测定效应的强度 传特征等和其他调控因 人力物力花费较 少 素饮食等) 能评价机制 缺点 耗资、耗时多 耗资多 动物暴露与人暴露相关 不能全面反映毒 作用 多为回顾性，无健康 较低浓度和较短时 的不确定性 不能作为毒性评价 和 保护 间的暴露 受控的饲养条件与人的 危险性评价的最后依 难以确定暴露，有混杂 限于较少量的人群 实际情况不一致 据 暴露问题 (一般50) 暴露的浓度和时间的模 难以观察慢性毒作 用 可检测的危险性增加必 限于暂时、微小、 式显著地不同于人群的 需达到2倍以上 可逆的效应 暴露 测定指标较粗(发病率， 一般不适于研究最 死亡率) 敏感的人群 毒理学研究方法的优缺点毒理学研究方法的优缺点 按研究的化学物分类：金属毒理学、农药毒理 学、有机溶剂毒理学等 从学科领域分类：有药物毒理学、环境毒理学 、食品毒理学、工业毒理学、临床毒理学、法 医毒理学、分析毒理学、管理毒理学等 从靶器官分类：肝脏毒理学、肾脏毒理学、神 经毒理学、生殖毒理学、眼毒理学、 皮肤毒理学、免疫毒理学等 从机制研究分类：生化毒理学、分子毒理学、 膜毒理学、细胞毒理学、遗传毒理学等。 基础毒理学与各分支以及相关学科的关系 遗传学 生化 分子生物 生理 病理 免疫 基础毒理学 食品毒理学 环境和职业毒理学 药物毒理学 系统毒理、细胞与分子毒理 二 毒理学基本概念 外源化学物和毒物 外源化学物(xenobiotics) 在人类生活的外界环境中存在、可能与 机体接触并进入机体，在体内呈现一定的 生物学作用的一些化学物质，又称为“外源 生物活性物质”。与外源化学物相对的概念 是内源化学物，是指机体内原已存在的和 代谢过程中所形成的产物或中间产物。 外源化学物种类和数量 毒物(toxicant) 以较小剂量进入机体后，能够使生物体发 生有害反应、严重功能破坏甚至危及生命 的任何物质。 毒物（Toxicant） 工业毒物：包括生产中的原料、中间体、辅助剂、杂质、成品、 副产品、废弃物等。 环境污染物：包括生产中排放的废气、废水和废渣，这些污染物 可通过空气、水、土壤或食物而危及人类健康。 食品中有毒成分：包括天然毒素或食品变质后产生的毒素，以及 食品中不合格的添加剂。 农用化学物：包括农药、化肥、生长激素等，常因误用、滥用以 及农药在食品中的残留而造成危害。 嗜好品（如卷烟）、化妆品、其他日用品中的有害成分。 生物毒素；又统称毒素，包括动物毒素、植物毒素、细菌毒素、 真菌毒素。 医用药物，包括兽医用药。药物常由过量使用、致敏作用或特异 反应性，引起毒性作用。 军事毒物：主要指用作化学武器的化学物。 放射性核素，即具有放射能的元素。 毒性和安全性 毒性毒性(toxicity)(toxicity) 指某种化学物对机体产生有害作用的能力。指某种化学物对机体产生有害作用的能力。 危害性危害性(hazard)(hazard) 定性表示外源化学物对机体产生有害作用的定性表示外源化学物对机体产生有害作用的 可能性。可能性。 安全性安全性(safety)(safety) 某种物质在一般的接触情况下，不会引起对某种物质在一般的接触情况下，不会引起对 健康有害作用，就可认为是安全。安全性是健康有害作用，就可认为是安全。安全性是 一个相对的概念。一个相对的概念。 危险性危险性(risk)(risk) 指一定时期内从事某种活动，如接触外源化指一定时期内从事某种活动，如接触外源化 学物，引起有害作用，如造成机体损伤、产学物，引起有害作用，如造成机体损伤、产 生疾病或死亡的概率。生疾病或死亡的概率。 安全限值 对各种有害因素规定的接触限量要求，在低于此接 触量时，根据现有的知识，不会观察到任何直接和/ 或间接的有害作用。通常通过最大未观察到有害作 用 剂量（NOAEL）除以安全系数计算得出。 动物试验外推到人通常有三种基本的方法：利用不 确定系数（安全系数）；利用药物动力学外推（广 泛用于药品安全性评价并考虑到受体敏感性的差 别）；利用数学模型。 安全系数(safety factor) 是考虑到动物试验结果外推到人群时的不确定性及 人 群毒性资料本身所包含的不确定因素，确定的安全 性 界限范围。 安全系数一般采用100，为物种间差异（10）和个体 间差异（10）两个安全系数的乘积 每日容许摄入量 （acceptable daily intake，ADI） 是以体重表达的每日容许摄入量，以此量终生摄入无 可 测量的健康危险性（标准人为60kg）。 可耐受摄入量 （tolerable intake，TI） 由IPCS（国际化学品安全规划署）提出，指没有可估 计的有害健康的危险性对一种物质终生摄入的容许量 。取决于摄入途径，TI可以不同的单位来表达，如吸 入可表示为空气中浓度（如g/m3或mg/m3）。 参考剂量（reference dose，RD） 参考浓度（reference concentration，RfC） 是美国环境保护局（EPA）对非致癌物质进行危险性评 价提出的概念。人群（包括敏感亚群）终身暴露于该水 平时，预期在一生中发生非致癌（或非致突变）性有害 效应的危险度很低，在实际上是不可检出的。 最高容许浓度 （maximal allowable concentration，MAC） 指某一外源化学物可以在环境中存在而不致对人体造成 任何损害作用的浓度。我国在制订MAC时遵循“在保证健 康的前提下，做到经济合理，技术可行”的原则，因此与 上述几种以保护健康为基础的安全限值有区别。 治疗指数（The Therapeutic Index， TI） T.I.= LD50 ED50 对于药物，常用治疗指数来计算其安全性，TI越大安全性 越高。但治疗指数不够完善，没考虑药物最大有效量时的 毒性和剂量反应曲线斜率。故用安全界限来评价药物的 安全性比治疗指数更佳。 常用毒性参数 致死剂量 绝对致死剂量(absolute lethal dose，LDl00) 能引起一组观察生物体全部死亡的最低剂量。 最小致死剂量(minimum lethal dose，MLD) 在一个观察群体中，仅引起个别生物体发生死亡的最 低剂量。 最大耐受剂量(maximal tolerance dose，MTD、 LD0) 在一个观察群体中，不引起生物体死亡的最高剂量。 半数致死剂量 (median lethal dose，LD50) 在一个观察群体中能引起50生物体死亡的剂量。它是依 据实验数据，经过计算得到的一个统计值。 某些化学物的半数致死剂量（LD50） 观察到有害作用的最低剂量 (lowest observed adverse effect level，LOAEL) 通过实验和观察，引起机体某种有害改变的最低剂量。 最大未观察到有害作用剂量 （no observed adverse effect level, NOAEL） 通过实验和观察，以现有的技术手段和检测指标，未观察 到与受试物有关的毒性作用的最大剂量。 阈剂量(threshold dose) 化学物质引起受试对象中的少数个体出现某种最轻微的异 常改变的最低剂量。 剂量-效应关系和剂量-反应关系 剂量(dose) 接触剂量(exposure dose) 指外源化学物与机体的接触量。 吸收剂量(absorbed dose) 指外源化学物穿过一种或多种生物屏障，吸收进入体 内的剂量。 靶剂量(target dose) 指到达靶器官(如组织、细胞)的外源化学物和或其 代谢产物的剂量。 毒理学中的剂量通常是指机体接触化学物质的量或给予机体化学物 质的量，一般以mgkg体重表示。 有观点认为，用单位体重表示剂量不如用单位体表面积合适，对于 引起等效生物学效应的剂量，用单位体表面积表示的剂量在不同物 种间可能更接近。 效应和反应 效应(effect) 指接触外源化学物所引起的生物学改变。此种变化 的程度用计量单位来表示。毒效应是化学物质对机体所致 的不良或有害的生物学改变。 反应(response) 指接触外源化学物的群体中出现某种效应的个体在群 体中所占比例，一般以百分率或比值表示。 死亡 中毒，患病 亚临床变化 体内过量负荷 致突变作用 致癌作用 毒作用效应谱 (spectrum of toxic effects) 机体接触外源化学物后，依外源化学物的性质和剂 量，可引起从微小的生理生化指标异常改变到明显的临 床中毒表现，直至死亡的多种毒作用表现，称为毒效应 谱。 有阈和无阈毒性作用 一般认为，外源化学物的一般毒性(器官毒 性)和致畸作用是有阈值的，即达到一定的剂量 水平才对机体产生毒性作用；而遗传毒性致癌 作用和致突变作用则无阈值，即只要接触就可 能产生有害作用。 急性毒性和慢性毒性 急性毒性 24小时内一次或多次染毒引起的毒性； 亚急性毒性 在1个月或短于1个月的重复染毒引起的毒性； 亚慢性毒性 连续染毒1-3个月引起的毒性； 慢性毒性 连续染毒6个月-2年，甚至终生染毒引起的毒性。 一般毒性和特殊毒性 一般毒性 是与特殊毒性相对而言的，主要包括急 性 毒性、亚慢性和慢性毒性、蓄积毒性及 局 部毒性等。 特殊毒性 主要指致癌作用、致突变作用、生殖和 发 育毒性等。 剂量-效应(反应)关系的类型 1直线型 剂量和由它引起的效应强度或反应发生率严 格按比例增减，呈直线关系。仅在某些体外 实验中，在一定的剂量范围内存在。 2抛物线型 为先陡峭后平缓的曲线，又称为对数曲线 型。即随着剂量的增加，效应或反应的强度 也增高，且最初增高急速，随后变得缓慢。 如将剂量换成对数值可转变为一条直线。 剂量-效应(反应)关系的类型 3S形曲线 在外源化学物的剂量-反应关系中较为常见 。 呈两端平缓中间陡峭的“S”形，即在低剂 量范 围内，随着剂量增加，反应或效应强度增高 较为缓慢，然后剂量较高时，反应或效应强 度也随之急速增加，但当剂量继续增加时， 反应或效应强度增高又趋向缓慢。可分为对 称S形曲线和非对称S形曲线两种形式。 剂量-效应(反应)关系的类型 3U形曲线 靶器官 化学物进入机体后，对体内各器官的毒作用 并不一样，往往有选择性，外源化学物可以 直接发挥毒作用的器官就称为该物质的靶器 官（target organ）。 毒物直接发挥毒作用的器官称为靶器官；出 现毒性效应的器官称为效应器官。效应器官 可以是靶器官，或不是靶器官。例如马钱子 碱中毒可引起抽搐和惊厥，靶器官是中枢神 经系统，效应器官是肌肉。 生物学标志(biomarker) 指可反映外源化学物通过生物学屏障 进入组织或体液（其原型及其代谢产 物）以及引起的生物学后果（包括可 测量的细胞、生化组分、结构及功能 的改变和行为改变）的指标。 接触生物学标志(biomarker of exposure) 在组织、体液或排泄物中测定的外源化学物或其代谢物， 以及在生物体内测定的外源化学物或其代谢物与靶分子 或靶细胞之间相互作用的产物。接触生物学标志可提供 有关化学物质暴露的信息，可用于预测个体所接受的化 学物质剂量，并能与导致的损害相关联。 效应生物学标志(biomarker of effect) 在生物体内可测量的生化、生理、行为、病理组织学或 其他方面的变化。 易感性生物学标志(biomarker of susceptibility) 可反映机体对化学物质毒作用敏感程度的生理或生化状 态改变的指标。易感性生物学标志对于易感人群的鉴定、 区分和保护具有重要的意义。 从暴露到健康效应的模式以及生物学标志的关系 暴露 吸收 剂量 靶剂 量 生物学 效应 健康 效应 接触标志 易感性标志 效应标志 三 毒理学发展趋势 毒理学研究规范化和标准化 生物科学最新技术广泛应用，毒性作用 机制研究进一步深化 毒性测试策略的转变 3Rs在毒理学研究中的应用 毒理学发展趋势 毒理学研究规范化和标准化 GLP成为法规毒理学研究必备条件 GLP (Good Laboratory Practice) 为保证试验数据的准确、可靠，对于非临 床的实验室研究在研究计划制定、实施、 监督、记录及报告等各项工作的过程和条 件提出的要求和指导。 GLP的主要内容 关键 - 人员素质 基础 - 实验设施 手段 - SOP ( Standard Operation Procedure） 保证 - QAU （Quality Assurance Unit） 毒理学发展趋势 其它生物学科的最新技术广泛应用 毒性作用机制研究进一步深化 毒理组学技术 毒理基因组学 毒理蛋白质组学 代谢组学 建立时间 1998 1998 1999 检测物 mRNA/cDNA 蛋白质 内源性代谢产物 检测技术 基因芯片 2-D/MS NMR/LC-MS 数据分析 生物信息学 生物信息学 模式识别 基础数据库 基因组数据库 IPI/SP COMET 毒理基因组学 从基因组全局上研究毒物作用和基因表 达的相互影响，以利用基因组资源和信 息研究毒物作用于机体的毒性反应机制 。 表达谱基因芯片检测步骤 表达谱基因芯片 毒理蛋白质组学 研究外源化学物引起特研究外源化学物引起特 定蛋白质群体的改变。定蛋白质群体的改变。 核心技术：核心技术： 二维凝胶电泳蛋白质分二维凝胶电泳蛋白质分 离识别技术离识别技术 质谱分析鉴定技术质谱分析鉴定技术 代谢组学 代谢组代谢组: : 一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合，一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合， 尤其指小分子物质。尤其指小分子物质。 代谢组学代谢组学: : 系统研究代谢产物的变化规律，揭示内源性代谢物质系统研究代谢产物的变化规律，揭示内源性代谢物质 的整体及其变化规律，联系该变化规律与所发生的生的整体及其变化规律，联系该变化规律与所发生的生 物学事件或过程的本质。物学事件或过程的本质。 主要研究手段：核磁共振主要研究手段：核磁共振(NMR)(NMR)和色谱质谱联用技术和色谱质谱联用技术 通过分析与毒性作用的靶位和作用机制密切相通过分析与毒性作用的靶位和作用机制密切相 关的生物体液中的代谢产物谱随时间的变化，关的生物体液中的代谢产物谱随时间的变化， 可以确定毒性作用的靶器官和组织、毒性作用可以确定毒性作用的靶器官和组织、毒性作用 的过程和生物标志物，从而进行毒理作用机制的过程和生物标志物，从而进行毒理作用机制 研究或评价化合物毒性。研究或评价化合物毒性。 毒理学发展趋势 毒性测试策略的转变(NRC) 毒性测试策略的转变(NRC) 体外试验确定毒作用途径 14天体内试验确定毒作用靶 毒理学研究程序 常规毒理学研究程序 动物试验 作用靶器官 细胞 分子 “反向毒理学”研究程序 基因表达谱 蛋白表达谱 代谢组学改变 代谢途径 信号途径 潜在靶器官 分子机制 建立模型 分子标志物研究毒物筛选 毒理学发展趋势 3Rs在毒理学研究中的应用 3Rs 在生物医学实验中减少(reduction)、替代 (replacement)和优化(refinement)