影响毒性作用的因素.ppt

第五章 影响毒性作用的因素,毒性作用是毒物与生物(人或动物)机体相互作用的结果。外源化学物或其代谢产物必须以具有生物学活性的形式到达靶器官、靶细胞，达到有效的剂量、浓度，持续足够时间，并与靶分子相互作用，或改变其微环境，才能够造成毒性作用。 在评价化学物毒性时，可设法加以控制以避免其干扰，使实验结果更准确，重现性更好，人类接触化学物时，这些因素并不能控制，因此，以动物实验结果外推人时，特别在制订预防措施时，都应予以注意。,毒性作用出现的性质和强度主要受四个方面的影响： 化学物因素 毒物与机体所处的环境条件 机体因素 化学物的联合作用。,第一节 毒物因素,1 化学结构 2 理化性质 3 不纯物和化学物的稳定性 4 毒物进入机体的途径,1 化学结构（即构效关系）,每一种外源化学物的毒性是其固有的性质，它是由化学物的化学结构所决定的。 外源化学物的化学结构是决定毒作用的重要物质基础，因为他决定了毒物的理化性 质和化学活性，因而决定了毒物在体内可能参与和干扰的过程，因此决定毒作用的性质和大小。,研究化学结构与毒作用的关系在毒理学中具有重要意义：,（1）通过比较，预测新化学物同系物生物活性； （2）推测化学物的毒作用机理； （3）按照人类要求生产高效低毒的化学物； （4）结构-活性关系研究，现已成为毒理学的一个重要分支。 经过大量研究，目前已找到一些有限的化学结构与毒性大小之间的规律：,1.1 取代基的影响,苯具有麻醉和抑制造血功能，当苯环中的氢被甲基取代后(甲苯或二甲苯)抑制造血不明显但麻醉作用和皮肤刺激作用大于苯，使得易察觉和治疗。,CH3,麻醉作用 抑制造血机能,麻醉 作用,NH2,麻醉作用 抑制造血机能,具有形成高铁血红蛋白作用,被氨基取代后，为苯胺。具有血液系统毒性，与二价铁结合，氧化成三价铁，形成高铁血红蛋白的作用，失去携氧能力；,而被硝基(硝基苯)或卤素取代(卤代苯)后，具有肝肾毒性，可导致中毒性白内障，一般来说毒性更大。,卤代烷烃类卤素数 此类化学物质对肝脏的毒性可因卤素增多而增强，如氯甲烷的肝毒性大小依次是CCl4 CHCl3CH2Cl2CH3Cl,1.2 同系物的碳原子数和结构的影响,烷、醇、酮等碳氢化合物，碳原子愈多毒性愈大(甲醇与甲醛除外)。但碳原子数超过一定限度时(一般为79个碳原子)，毒性反而下降(如戊烷毒性作用己烷庚烷，但辛烷毒性迅速减低)。 由于这类非电解化合物伴随碳原子数增加而脂溶性增大，水溶性相应减小，即脂水分配系数增大。极亲脂性化合物，由于不利于经水相转运，其在机体内易被阻滞于脂肪组织中，反而不易穿透生物膜达到靶器官。,1.3 分子饱和度,碳原子数相同时，不饱和键增加其毒性增加，如乙烷的毒性乙烯的毒性乙炔的毒性。,1.4 异构体和立体构型,异构体的生物活性有差异，典型的例子是六六六，有七钟同分异构体。常用的有、和等：和六六六急性毒性强，六六六慢性毒性大，、六六六对中枢神经系统有很强的兴奋作用；、六六六则对中枢神经系统有抑制作用。 带两个基团的苯环化合物的毒性是：对位邻位间位，分子对称的不对称的。,化学物同素异构体存在手征性，即对映体构型的右旋(R)和左旋(S)，对于生物转化和生物转运都有一定影响，从而影响毒性。一般来说，左旋异构体对机体的作用较强，如左旋吗啡有强烈的生理活性，而右旋吗啡没有作用，如S(-)反应停的致畸性比R(+)反应停强烈。但也有例外，如左旋和右旋的尼古丁对大鼠的毒性相等，而右旋尼古丁对豚鼠的毒性较左旋体大2.5倍。,1.5 与营养物和内源性物质的相似性,外源化学物结构与主动转运载体的底物如营养物和内源性物质类似，即可通过这些特异的载体系统吸收。例如，尿嘧啶类似物抗癌药物氟尿嘧啶被嘧啶转运系统携带；铅在肠管经钙转运系统主动吸收。,2 理化性质,2.1 溶解度 （1）毒物在水中的溶解度直接影响毒性的大小，水中溶解度越大，毒性愈大。如As2S3溶解度较As2O3小3万倍，其毒性亦小。 （2）影响毒性作用部位：如刺激性气体中在水中易溶解的氟化氢(HF)、氨等主要作用于上呼吸道，而不易溶解的二氧化氮(NO2)则可深入至肺泡，引起肺水肿。 （3）脂溶性物质，易于吸收且不易被排泄，在体内停留时间长，毒性较大。易在脂肪蓄积，易侵犯神经系统。,2.2 分散度 分散度是指物质被分散的程度。即颗粒越小分散度越大，反之，颗粒越大分散度越小。影响进入呼吸道的深度：分散度与颗粒在呼吸道的阻留有关。 （1）大于10m颗粒在上呼吸道被阻留 （2）5m以下的颗粒可到达呼吸道深部 （3）小于0.5m的颗粒易经呼吸道再排出 （4）小于0.1m的颗粒因弥散作用易沉积于肺泡壁,影响溶解度：一般来说颗粒越大，越难溶解 影响化学物活性：颗粒越小即散度越大，表面积越大，生物活性也越强，如一些 金属烟（锌烟、铜烟）因其表面活性大，可与呼吸道上皮细胞或细菌等蛋白作用，产生异性蛋白，引起发烧，而金属粉尘（锌尘和铜尘）则无此作用。,2.3 挥发性 常温下容易挥发的化学物，其易形成较大蒸气压，从而易于经呼吸道吸收。有些有机溶剂的LD50值相似，即绝对毒性相当，但由于其各自的挥发度不同，所以实际毒性相差较大。如苯与苯乙烯的LC50值均为45mg/L，即其绝对毒性相同但苯容易挥发，而苯乙烯的挥发度仅及苯的1/11，所以苯乙烯在空气中较难形成高浓度，实际上比苯的危害性则低得多。,2.4 比重 在密闭，长期空气不流通的环境，如沼气，矿井，地沟等，化学物因比重不同而分层，如下水沟H2S中毒事件。闪电性死亡，造成突然死亡。,2.5 电离度 电离度：是指化学物呈现1/2为电离型、1/2为非电离型时的pH值，即为该外源化学物的pKa值。化学物主要以简单扩散的方式跨膜转运：如pKa值不同化学物在pH不同的局部环境中电离程度不同，从而影响跨膜转运。荷电性影响空气化学物的沉降和在呼吸道的阻留率。 在体内环境下，弱酸和弱碱有机化合物电离度越低，越易吸收，毒作用越强。电离度高很难被吸收，且易随尿排出。,3 不纯物和化学物的稳定性,在毒理学实际工作中更经常的是阐明其工业品或商品的毒性，工业品往往混有溶剂，未参加反应的原 料、杂质、合成副产品等，商品中往往还含有赋形剂或添加剂。这 些杂质有可能影响、加强、甚至改变原化学物的毒性或毒性效应。,例：除草剂2,4,5-三氯苯氧乙酸(2,4,5-T)，在早期对此化合物进行研究时，由于样本中夹杂有相当量的四氯二苯-对位-二恶烷(TCDD)(30mg/Kg)，此种杂质毒性非常大，急性经口LD50(雌大鼠)仅为2,4,5-T的雌大鼠经口LD50的400万分之一。因此，即使2,4,5-T中杂质含量很低(低于0.5mg/kg)，仍影响其毒性。2,4,5-T的胚胎毒性是由于杂质所引起，而不是2,4,5-T本身所致。,4 毒物进入机体的途径,4.1 接触途径 实验动物接触外来化合物的途径不同，其首先到达的器官将有差别，中毒效应也不尽相同。在相同化合物剂量下，接触途径不同，其吸收速度、吸收率也不尽相同。一般认为，接触化合物吸收速度和毒性大小的顺序是： 静脉注射腹腔注射肌肉注射经口经皮。,4.2 溶剂 选用的溶剂和助溶剂应是无毒的，与受试物无反应、且制成的溶液稳定。常用的溶剂有水、生理盐水、植物油、二甲基亚砜。常用的助溶剂有吐温-80，可将水溶性化合物溶于油，脂溶性化合物溶于水。 例如油能促进DDT的吸收，另一方面油量过多会导致腹泻而影响吸收。,4.3 毒物浓度与容积 同等剂量条件下，一般浓度高的毒性强。如氰化钾。 动物试验中一次灌胃容积一般为体重的1-2%，不应超过2%，静脉注射在鼠类不能超过0.5mL，较大动物不超过2mL。,第二节 环境因素,整个实验过程中的环境因素都可能影响到毒性的作用，有物理因素、生物因素等。,重要,1 温度,在正常生理情况下，高气温使机体皮肤毛细血管扩张、血循环加快、呼吸加速，从而使经皮肤或经呼吸道吸收的化学物，吸收速度加快，如对硫磷经皮肤接触，吸收量随环境气温升高增加，尤其在30以上。,高温时多汗，随汗液排出氯化钠等物质增多，胃液分泌减少、胃酸降低，影响化学物经胃肠吸收，同时排汗增多，尿量减少，易于造成经肾脏随尿排出的化学物或其代谢产物在体内存留时间延长。,58种化合物在不同环境温度(8、26和36)下对于大鼠LD50的影响： 55种化合物在36高温环境下毒性最大，26环境下毒性最小； 引起代谢增高的毒物如五氯酚，2,4-二硝基酚在8毒性最低； 引起体温下降的毒物如氯丙嗪在8时毒性最高。,2 气湿,高气湿可造成冬季易散热，夏季不易散热，增加机体体温调节的负荷。 高气湿伴高温可因汗液蒸发减少，使皮肤角质层的水合作用增加，进一步增加经皮吸收的化学物的吸收速度，并因化学物易粘附于皮肤表面而延长接触时间。,3 气压,高气压与低气压环境条件不同，可以引起外源化学物的毒性改变。 例如在低气压(如高原)条件，士的宁的毒性降低，但氨基丙苯毒性增强。,4 季节或昼夜节律,一般动物（包括人）24小时内的生理状况不完全相同，存在生物节律。外源化学物的毒性可因每日给药的时间或给药的季节不同而有差异。,不同种属的昼夜、季节节律,脑白金,5 动物笼养形式,动物笼的形式（栅栏或密闭，透明或不透明），每笼的动物数，垫料，光线等都会影响。,6 毒物的联合作用,外源化学物在机体内往往呈现十分复杂的交互作用，或彼此影响代谢动力学过程，或引起毒性效应变化，最终可以影响各自的毒性或综合毒性。 联合作用：是指同时或先后接触两种或两种以上的外源化学物对机体产生的毒作用。,6.1 非交互作用 6.1.1 相加作用 是指各种化学物在化学结构上如为同系物，或其毒作用的靶器官相同，则其对机体产生的总效应等于各个化学物单独效应的总和。 如大部分刺激性气体的刺激作用一般呈相加作用。 具有麻醉作用的化合物，一般也呈相加作用。,6.1.2 独立作用 是指两种或两种以上的化学物作用于机体，由于其各自作用的受体、部位、靶细胞或靶器官等不同，所引发的生物效应也不相互干扰，从而其交互作用表现为化学物的各自的毒性效应。 当化学物的联合作用表现为独立作用时，如以LD50为观察指标，则往往不易与相加作用区别，必须深入探讨才能确定其独立作用。 酒精与氯乙烯的联合作用，当大鼠接触上述两种化学物之后的一定时间，肝匀浆脂质过氧化增加，且呈明确的相加作用。 但在亚细胞水平研究，就显现出酒精引起的是线粒体脂质过氧化，而氯乙烯引起的是微粒体脂质过氧化。,6.2 交互作用 6.2.1 协同作用 是指化学物对机体所产生的总毒性效应大于各个化学物单独对机体的毒性效应总和，即毒性增强。 多个化学物之间发生协同作用的机理复杂而多样。 可能与化学物之间影响吸收速率,促使吸收加快、排出延缓、干扰体内降解过程和在体内的代谢动力学过程的改变等有关。 如马拉硫磷与苯硫磷的联合作用为协同作用，其机理是由于苯硫磷抑制肝脏降解马拉硫磷的酯酶之故。,6.2.2 加强作用 一种化学物对某器官或系统并无毒性，但与另一种化学物同时或先后暴露时使其毒性增强。 如异丙醇本身并无肝脏毒性效应，但若同时给予四氯化碳，就会使四氯化碳的肝毒性大大增强。 6.2.3 拮抗作用 是指化学物对机体所产生的总毒性效应小（低）于各个化学物单独对机体的毒性效应总和。 化学物之间的拮抗作用，是许多解毒药物的药理基础。如治疗有机磷农药的阿托品。重金属的络合剂二巯丙醇。,第三节 机体因素,主要包括物种间遗传学差异、个体遗传学差异、机体其他因素。,1 种属和个体差异,不同物种（species)、品系(strain)的动物由于其遗传因素决定了对外源化学物代谢转化方式和转化速率存在差异。,1.1 解剖、生理的差异,不同物种、种属、品系的动物的解剖、生理、遗传学和代谢过程均有差异。例如，肝脏分叶，狗为7叶，兔5叶，大鼠6叶，小鼠4叶，且大鼠无胆囊；大鼠和小鼠全年可发情，狗只有在春秋两季两次发情；体细胞染色体的数目狗为78条，兔44条，大鼠42条，小鼠40条，人46条。各种动物的脉率随体重增加而降低。,此外，各种动物的脉率随体重的增加而降低，小鼠600次/分，大鼠352，豚鼠290，猫240，兔251，狗120，绵羊43，马38。所以化学物从血浆中清除的半衰期小鼠较人短，相同剂量的化学物对人体的作用时间比小鼠长。这可以部分解释人比小鼠对毒物更敏感。,2-乙酰氨基芴在大鼠、小鼠和狗体内可进行N羟化，并与硫酸结合形成硫酸酯而呈现强致癌作用，而在豚鼠体内则不发生N羟化，故不致癌。 反应停对大小鼠剂量高达4000mg/kg也几乎没有致畸作用，而0.5-1.0mg/kg的剂量对人有致畸作用，对猴、兔等也只有某个品系才能引起畸胎。 农药敌枯双对大小鼠有强烈致畸作用，而对人是否可致畸尚未得到证明。,因此，在进行化合物毒性研究时，应多用几种动物，一般至少用两种以上，其中一种应为非啮齿动物。,1.2 个体差异,同一物种同一品系的不同群体动物，在相同条件下，接触相同外源化学物均存在不同的剂量-反应关系，说明实验动物存在个体差异。 个体差异：是指同一种属（品系）之内， 不同个体对外源化学物的反应方面存在 的差异 高敏感性：是指对一般人不引起毒作用的剂量，对某些人却发生极为严重的毒性反应。,修复功能的个体差异：机体所有大分子在其损伤后都会出现相应的修复系统，其作用为将受损伤部位除去，再将空出部分按原样合成一个新的部分予以填补，使原有的结构和功能得以恢复。这些过程是由于不同功能的酶参与的。各种修复酶亦可能出现多态性，使修复功能出现明显个体差异。,1.3 代谢酶的多态性,占优势的代谢途径不同，可导致毒性反应的不同。如小鼠每克肝脏的细胞色素氧化酶活性为141活性单位，大鼠为84，兔为22。苯胺在猪、狗体内转化为毒性较强的邻氨基苯酚，而在兔体内则生成毒性较低的对氨基苯酚；萘胺在人体内经N羟化可诱发膀胱癌，而豚鼠肝脏内不能将其N-羟化，因而不诱发肿瘤。,代谢酶还存在质的差异。如猫，缺乏催化酚葡萄糖醛酸结合的同功酶，因而猫对苯酚的毒性反应比其他能通过葡萄糖醛酸结合解毒的动物敏感。,2 受体与毒作用的敏感性,蛋白质对于各种外源化学物包括毒物的辨认、结合有高度的特异性与敏感性，结果会影响到外源化学物的生物活性。高等生物体内还有一类重要蛋白质就是受体蛋白，它是毒作用的靶分子，不同毒物作用于不同的受体上。受体本身可产生变异，它在细