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1 环境毒理学 2 第一章绪论 3 概述 环境毒理学属于环境科学的范畴 也是生命科学和毒理学的分支学科 环境毒理学 EnvironmentalToxicology 是利用毒理学方法研究环境 特别是空气 水和土壤中已存或即将进入的化学污染物及其转化产物对生物有机体 尤其是对人体健康的损害作用及其机理的一门科学 4 由于环境污染物对人类之外的其他生物种类 包括动物 植物和微生物等 的损害日趋严重 地球上每天有100 300个物种遭灭绝 近50000km2森林被破坏 环境毒理学研究已扩展到环境污染物对各种生物机体及其种群的损害作用规律及防治措施的范围 概述 5 环境污染物的种类繁多 主要包括三个方面的污染物 物理性污染生物性污染化学性污染 概述 6 物理性污染 指放射性物质的辐射 电离辐射 电磁辐射 振动 废热及噪声污染等 概述 7 生物性污染 主要指各种病菌 致病霉菌 病毒 寄生虫卵及生物毒素污染等 概述 8 化学性污染 是当前危害最为严重的环境污染物 如工业化学品 农用化学品 日用化学品及染料等 例如 汞 镉 砷 氰化物 酚 多氯联苯 化学农药等 概述 9 第二章环境化学物的生物转运与生物转化 10 概述 化学物的吸收 分布和排泄具有类似的机理 均是反复通过生物膜的过程 统称为生物转运 biotransport 11 环境化学物在体内经过一系列生物化学变化并形成其衍生物的过程称为生物转化或代谢转化 所形成的衍生物又称代谢物 第三节生物转化 12 专题污染物在环境中的迁移和转化 13 DDT经食物链逐渐放大 14 不同的概念 生物浓缩指生物机体内某种物质的浓度和环境中的浓度相比生物积累是同一生物个体在不同代谢活跃阶段机体内的浓度相比生物放大是同一食物链上不同营养级的生物体内某种物质的浓度相比 15 第三章环境化学物的毒性作用及其影响因素 16 1 致死剂量 Lethaldose LD 致死剂量指以机体死亡为观察指标而确定的外源化学物剂量 按照可引起机体死亡率不同而有以下几种致死剂量 1 绝对致死量 LD100 指能引起所观察个体全部死亡的最低剂量 或在实验中可引起实验动物全部死亡的最低剂量 17 1 致死剂量 Lethaldose LD 2 半数致死量 LD50 又称致死中量 指引起一群个体50 死亡所需剂量 半数致死浓度 LC50 即能引起一群个体50 死亡所需的浓度 一般以mg m3空气和mg L水来表示 用LC50表示外源化学物经呼吸道与机体接触后产生的毒性作用时 是指使一群动物接触化学物一定时间 2 4小时 后 在一定观察期限内 一般为14天 死亡50 所需浓度 18 半数耐受限量 mediantolerancelimit TLm 也称半数存活浓度 是指在一定时间内一群水生生物中50 个体能够耐受的某种环境污染物在水中的浓度 单位为mg L 一般用TLm48表示在一定浓度 mg L 经48小时50 的鱼可以耐受 即有50 的鱼死亡 如经96小时 即为TLm96 1 致死剂量 Lethaldose LD 19 3 最小致死量 MLD或LDmin或LD01 指在一群个体中仅引起个别死亡的最低剂量 低于此剂量即不能使机体出现死亡 4 最大耐受量 MTD或LD0 指在一群个体中不引起死亡的最高剂量 1 致死剂量 Lethaldose LD 20 2 半数效应剂量 medianeffectivedose ED50 半数效应剂量指外源化学物引起机体某项生物效应发生50 改变所需的剂量 例如以某种酶的活性作为效应指标 整体实验可测得抑制酶活性50 时的剂量 ED50 离体实验可测得抑制该酶活性50 时的化学物浓度 称为半数抑制浓度 medianinhibitionconcentration IC50 21 3 最小有作用剂量 minimaleffectlevel MEL 最小有作用剂量也称中毒阈剂量或中毒阈值 指外源化学物按一定方式或途径与机体接触时 在一定时间内 使某项灵敏的观察指标开始出现异常变化或机体开始出现损害作用所需的最低剂量 最小有作用浓度则指环境中某种化学物能引起机体开始出现某种损害作用所需的最低浓度 22 4 最大无作用剂量 maximalno effectlevel MNEL 最大无作用剂量又称未观察到作用剂量 NOEL 或称未观察到有害作用的剂量 NOAEL 指外源化学物在一定时间内按一定方式或途径与机体接触后 采用目前最为灵敏的方法和观察指标 未能观察到任何对机体损害作用的最高剂量 对于环境中的外源化学物则称为最大无作用浓度 23 4 最大无作用剂量 maximalno effectlevel MNEL 最大无作用剂量或浓度是根据慢性或亚慢性毒性试验的结果确定的 是评定外源化学物对机体损害的主要依据 也是制定每日容许摄入量 acceptabledailyintake ADI 和最高容许浓度 maximalallowableconcentration MAC 的主要依据 24 4 最大无作用剂量 maximalno effectlevel MNEL ADI是指人类终生每日随同食物 饮水和空气摄入的某一外源化学物不引起任何损害作用的剂量 MAC是指环境中某种外源化学物对人体不造成任何损害作用的浓度 由于人类生活与生产活动的情况不同 同一外源化学物在生活环境和生产环境中的MAC也不相同 25 三 环境化学物的联合毒性作用 凡两种或两种以上的化学物同时或短期内先后作用于机体所产生的综合毒性作用 称为化学物的联合毒性作用 jointtoxiceffect或combinedtoxiceffect 多种化学物同时作用于人体时 往往呈现十分复杂的交互作用 影响彼此的吸收 分布 代谢转化与毒性效应 26 三 环境化学物的联合毒性作用 一 联合作用的类型根据多种化学物同时作用于机体时所产生的毒性效应 可将化学物的联合作用分为以下几类 27 1 相加作用 多种环境化学物同时作用于机体所产生的生物学作用的强度是各自单独作用的总和 此种作用称为相加作用 化学结构相似的化学物或同系物 毒作用靶器官 靶分子相同的化学物以及作用机理类似的化学物同时存在时 往往发生相加作用 如大部分刺激性气体的刺激作用可相加 具有麻醉作用的化合物对机体的作用一般也呈相加作用 两种有机磷农药对胆碱酯酶的抑制作用也常为相加作用 28 2 协同作用 两种或两种以上环境化学物同时作用于机体 所产生生物学作用的强度远远超过各化学物单独作用强度的总和 此种作用称为协同作用 这可能与化合物之间促进吸收 延缓排出 干扰体内代谢过程等作用有关 如马拉硫磷与苯硫磷的协同作用 是由于苯硫磷对促进肝脏降解马拉硫磷的酯酶有抑制作用之故 29 3 增强作用 一种环境化学物本身对机体并无毒性 但能使与其同时进入机体的另一种环境化学物的毒性增强 此种作用称为增强作用或增效作用 例如 异丙醇对肝脏无毒 但与四氯化碳同时进入机体时 可使四氯化碳的毒性大于其单独作用时的毒性 有人将增强作用归于协同作用 30 4 拮抗作用 两种环境化学物同时作用于机体时 其中一种化学物可干扰另一种化学物的生物学作用 或两种化学物相互干扰 使混合物的毒作用强度低于各自单独作用的强度之和 此种作用称为拮抗作用 31 4 拮抗作用 凡能使另一种化学物的生物学作用减弱的化学物称为拮抗物或拮抗剂 毒理学和药理学中所指的解毒剂即属此类 拮抗作用可以有不同的形式 如巴比妥可引起血压下降 如果同时静脉注射血管增压剂正肾上腺素 则产生功能拮抗 使血压下降减小 又如硫代硫酸钠与氰化物混合发生化学反应 生成毒性较小的硫氰酸盐 这是一种化学拮抗 两种化学物同时竞争同一受体 被称为受体拮抗 如氧气对CO中毒的拮抗作用 32 5 独立作用 两种或两种以上的环境化合物作用于机体 各自的作用方式 途径 受体和部位不同 彼此互无影响 仅表现为各自的毒作用 对此称为独立作用 独立作用与相加作用的区别往往很难发现 例如乙醇与氯乙烯的联合作用使肝匀浆脂质过氧化作用增加 呈明确的相加作用 但亚细胞水平的研究发现 乙醇引起线粒体脂质过氧化 而氯乙烯引起微粒体脂质过氧化 彼此无明显影响 应为独立作用 33 四 毒性作用的机理 外源化学物对组织细胞毒性作用的机理非常复杂 了解化学物的毒性作用机理 无论是对其毒性的全面评价 还是对其毒性作用的有效防治 都是十分重要的 34 四 毒性作用的机理 一 干扰正常受体 配体的相互作用受体 receptor 是许多组织细胞的生物大分子 与化学物即配体 ligand 相结合后形成配体 受体复合物 能产生一定的生物学效应 许多环境化学物尤其是某些神经毒物的毒性作用与其干扰正常受体 配体相互作用的能力有关 35 一 干扰正常受体 配体的相互作用 例如 有机磷农药中毒是由于有机磷抑制胆碱酯酶的活性 使其失去分解乙酰胆碱的能力 导致乙酰胆碱积聚 后者与毒蕈碱型胆碱能受体 M型受体 和烟碱型胆碱能受体 N型受体 结合 引发毒蕈碱样和烟碱样神经症状 阿托品的解毒作用就在于其能与乙酰胆碱竞争M 受体 阻断乙酯胆碱对M 受体的刺激作用 从而消除毒蕈碱样症状 而阿托品对N 受体无影响 故对烟碱样症状无作用 36 二 细胞膜损伤 维持细胞膜的稳定性对机体内的生物转运 信息传递及内环境稳定是非常重要的 某些环境化学物可引起膜成分的改变 如四氯化碳可引起大鼠肝细胞膜磷脂和胆固醇含量下降 有些环境化学物可改变膜脂流动性 如DDT 对硫磷可引起红细胞膜脂流动性降低 37 二 细胞膜损伤 有的可影响膜上某些酶的活力 如有机磷化合物可与突触小体膜及红细胞膜上的乙酰胆碱酯酶共价结合 膜通透性的改变 主要也是膜蛋白的改变 如Pb Hg Cd等重金属可与膜蛋白的巯基 羰基 磷酸基 咪唑和氨基等作用 改变其结构和稳定性 从而改变膜的通透性 38 三 干扰细胞内钙稳态 正常情况下细胞内的钙浓度较低 10 7 10 8mol L 细胞外浓度较高 10 3mol L 内外浓度相差103 104倍 钙作为细胞的第二信使 在调节细胞内功能方面起着关键性作用 环境化学物可以通过干扰细胞内钙稳态引起细胞损伤和死亡 39 三 干扰细胞内钙稳态 各种细胞毒物如硝基酚 醌 过氧化物 醛类 二噁英类 卤化链烷 链烯和Cd3 Pb2 Hg2 等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态 例如 非生理性地增加细胞内钙浓度可激活磷脂酶而促进膜磷脂分解 引起细胞损伤和死亡 增加细胞内的Ca2 还可激活非溶酶体蛋白酶而作用于细胞骨架蛋白 引起细胞损伤 使用Ca2 激活蛋白酶的抑制剂可延缓或消除细胞毒作用 Ca2 也能激活某些可引起DNA链断裂和染色质浓缩的核酸内切酶 某些环境化学物可能通过这一途径引起细胞损伤甚至死亡 40 四 干扰细胞能量的产生 机体内的能量来源于糖类和脂肪类的生物氧化 所产生的能量以形成三磷酸腺苷 ATP 的形式贮存起来 为各种生命活动提供能量 这种氧化磷酸化过程又称细胞呼吸链 有些环境化学物可干扰糖类氧化 使细胞不能产生ATP 41 四 干扰细胞能量的产生 例如 氰化物 硫化氢和氮叠化钠能与细胞色素氧化酶的Fe3 结合 使其不能还原成Fe2 从而阻碍电子传递 导致呼吸链打断 氧不能被利用 引起细胞内窒息 有的环境化学物如硝基酚类 五氯酚钠 氯化联苯和钒类化学物等可使氧化磷酸化解偶联 导致糖类氧化所产生的能量不能以ATP的形式储存起来 ATP缺乏不仅可使细胞生命活动得不到充足的能量供给 而且还可干扰膜的完整性 离子泵转运和蛋白质的合成 严重的ATP缺乏可导致细胞功能丧失甚至死亡 42 五 自由基与脂质过氧化 自由基 freeradical 是指具有奇数电子的分子 或者化合物的共价键发生均裂而产生具有奇数电子的产物 有些环境化学物本身具有自由基性质如NO2 有的环境化学物化学性质活泼 与多不饱和脂肪酸作用后可形成自由基 如O3 单线态氧 O2 有的化合物可经代谢形成自由基 自由基可引起脂质过氧化作用 还可攻击核酸 43 六 与生物大分子结合 环境化学物与生物大分子结合可分非共价结合和共价结合 共价结合可改变核酸 蛋白质和酶及脂质等生物大分子结构与功能 引起一系列生物学变化 44 六 与生物大分子结合 1 核酸直接与DNA结合的烷化剂很少 大多是以其活性代谢物与DNA结合 烷化剂是带有烷化功能基团的化合物 常见的烷化剂可分为4类 烷基硫酸酯类 如甲基磺酸甲酯 N 亚硝基化合物 如二甲基亚硝胺 环状烷化剂 如氮芥与硫芥 及卤代亚硝基脲类 如1 3 双 2 氯乙基 1 亚硝基脲 核酸的碱基 核糖或脱氧核糖和磷酸均可能受到这类化合物及其代谢产物的攻击 其中对碱基的攻击最具毒理学意义 45 2 蛋白质和酶许多环境化学物可与酶或蛋白质的活性部位结合而显示毒性作用 例如 溴苯的代谢产物溴苯环氧化物可与肝细胞蛋白质共价结合而引起肝细胞坏死 一氧化碳与血红蛋白中的Fe2 和细胞色素a3中的Fe3 紧密结合 使组织缺氧 许多有毒金属如铅 汞 镉 砷等可与酶或蛋白质的巯基结合 使之失去活力而产生毒性 许多重要的细胞酶分子中的还原型巯基 一SH 往往是其活性中心 外源化学物的亲电子代谢产物不仅可引起脂质过氧化 还可与细胞内其他亲核部分如谷胱甘肽 GSH 蛋白质和酶的巯基结合 当GSH耗竭时 可导致蛋白质巯基氧化形成二硫化物键 使酶活性丧失 六 与生物大分子结合 46 3 脂质脂质过氧化是导致细胞损伤和死亡的关键步骤 外源化学物可通过生物转化形成有活性的亲电子中间产物 通常为自由基 核酸 蛋白质和脂质均是自由基攻击的主要目标 自由基还可导致膜多不饱和脂肪酸过氧化 使膜的完整性丧失甚至膜破裂 产生一系列病理反应 甚至组织坏死 六 与生物大分子结合 47 七 选择性细胞致死 有些外源化学物对某种组织器官的细胞有选择性致死毒性 例如 高剂量锰能引起大脑基底神经节多巴胺细胞的选择性损伤和致死作用 丙硫脲嘧啶可选择性地积聚在甲状腺 并破坏甲状腺细胞 止吐药反应停可引起胚胎早期肢芽细胞死亡 使出生的婴儿缺失腿和臂 48 八 非致死性遗传改变 某些环境化学物可干扰DNA复制和修复 引起DNA损伤和染色体异常 这些毒性作用虽然不一定引起细胞死亡 但对体细胞可诱发细胞突变和癌变 对生殖细胞可遗传于下代 有的还可产生遗传性疾病 甚至畸胎 49 第二节影响毒性作用的因素 环境化学物对机体毒性作用的性质和强度受到很多因素的影响 主要包括环境化学物的结构与性质 机体状况 染毒条件和环境因素等 50 第二节影响毒性作用的因素 一 环境化学物的结构与性质 一 结构与毒性研究外源化学物的结构与毒性之间的关系 有助于通过比较来预测新化合物的生物活性 作用机理和安全限量范围 51 第二节影响毒性作用的因素 然而 对化学物构效关系的研究尚处在发展阶段 目前仅找到一些有限的规律 举例如下 例如 同系物的碳原子数 烃基 分子饱和度 卤素取代 羟基 酸基和酯基 胺基 构型及有机磷化合物结构与毒性 52 一 结构与毒性 1 同系物的碳原子数在烷烃中 甲烷和乙烷是惰性气体 从丙烷至庚烷 随碳原子数增加 其麻醉作用增强 庚烷以后的烷烃由于水溶性过小 麻醉作用反而减小 丁醇 戊醇的毒性较乙醇 丙醇大 甲醇在体内可转化成甲醛和甲酸 故其毒性反而比乙醇大 53 一 结构与毒性 2 烃基在非烃类化合物分子中引入烃基可使化合物脂溶性增高 易于透过生物膜 从而毒性增强 但是 烃基结构也可增加毒物分子的空间位阻 从而使毒性增加或减小 54 3 分子饱和度分子中不饱和键增多可使化学物活性增大 毒性增强 如丙烯醛对眼结膜的刺激作用大于丙醛 丁烯醛大于丁醛 一 结构与毒性 55 4 卤素取代卤旋元素有强烈的吸电子效应 在化学物分子结构中增加卤素 可使分子极性增加 更易与酶系统结合 从而毒性增强 例如 氯化甲烷对肝脏的毒性依次为CCl4 CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl CH4 其麻醉作用依次为CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl CH4 一 结构与毒性 56 5 羟基芳香族化合物中引入羟基 分子极性增强 毒性增加 如苯中引入羟基成为苯酚 后者具弱酸性 易与蛋白质中的碱性基团结合 与酶蛋白有较强的亲和力 毒性增大 多羟基的芳香族化合物毒性更高 脂肪烃引入羟基 成为醇类 后 麻醉作用增强 并可损伤肝脏 一 结构与毒性 57 6 酸基和酯基酸基一般指羧基 COOH 和磺酸基 SO3H 引入分子中时 水溶性和电离度增高 脂溶性降低 难以吸收和转运 毒性降低 如苯甲酸的毒性较苯低 人工合成染料中引入磺酸基也可降低其毒性 酸基经酯化后 电离度降低 脂溶性增高 使吸收率增加 毒性增大 一 结构与毒性 58 7 胺基胺具碱性 易与核酸 蛋白质的酸性基团起反应 易与酶发生作用 胺类化合物的毒性大小顺序为 伯胺 RNH2 仲胺 RNHR 叔胺 RNR R 一 结构与毒性 59 8 构型机体内的酶对化学物质的构型有高度特异性 当环境化学物为不对称分子时 酶只能作用于一种构型 1 同分异构体 化学物的同分异构体的毒性不同 一般对位 邻位 间位 如二甲苯 硝基酚 氯酚等 2 旋光异构体 由于受体或酶一般只能与一种旋光异构体结合而产生生物效应 故同一化学物的不同旋光异构体的毒性不同 一般L 异构体易与酶 受体结合 具生物活性 D 异构体则反之 例如L 吗啡对机体有作用 而D 吗啡对机体无作用 一 结构与毒性 60 二 物理性质与毒性 环境化学物的物理性质 如分子量 熔点 折射率等 对其毒性均有影响 其中主要有以下几点 61 二 物理性质与毒性 1 脂 水分配系数即化合物在脂 油 相和水相的溶解达到平衡时的平衡常数 称为脂 油 水分配系数 它直接影响化合物的吸收 分布 转运 代谢和排泄 与其毒性密切相关 一般脂溶性高的毒物易于被吸收且不易被排泄 在体内停留时间长 毒性较大 如机体对氯化高汞的吸收率为2 醋酸汞50 苯基汞50 80 甲基汞90 以上 后者脂溶性高 易进入神经系统 因而毒性较大 62 二 物理性质与毒性 1 脂 水分配系数化合物的毒性还与其在水溶液中的绝对溶解度有关 一般有毒化学物在水中 特别是在体液中的溶解度愈大 毒性愈强 63 2 电离度即化合物的pKa 对于弱酸或弱碱性有机化合物 在体内内环境pH条件下 其电离度愈低 非离子型比率越高 越易被吸收而发挥毒效应 反之 离子型的比率越高 化合物虽易溶于水 但较难被吸收而易随尿排出 因此毒性的发挥受到影响 二 物理性质与毒性 64 3 挥发度和蒸气压有些液态毒物在常温下容易挥发形成蒸气 易通过呼吸道和皮肤进入机体 如汽油 四氯化碳 二硫化碳等 有些液态毒物的LD50相近 即绝对毒性相当 但由于各自的挥发度不同 所以实际毒性 即相对毒性 可相差很大 二 物理性质与毒性 65 3 挥发度和蒸气压如苯与苯乙烯的LC50均为45mg L 绝对毒性相同 但是 苯乙烯的挥发度仅为苯的1 11 所以苯乙烯在空气中不易挥发形成高浓度气体 比苯的实际危害小 将物质的挥发度估计在内的毒性称为相对毒性 相对毒性指数更能反映液态毒物经呼吸道吸收的危害程度 二 物理性质与毒性 66 4 分散度粉尘 烟 雾等固体物质的毒性与分散度有关 颗粒愈小 分散度愈大 生物活性愈强 愈易进入呼吸道深部 由口摄入的固态化学物质的分散度也影响其被消化道的吸收率 从而影响其毒性 二 物理性质与毒性 67 5 纯度工业化学品中往往混有溶剂 剩余的原料 原料中的杂质 合成的副产品等 商品中往往还含有赋形剂和添加剂等 这些杂质有可能影响 增强 甚至改变原化合物的毒性作用 有的杂质毒性比原化合物的毒性还要大 例如 除草剂2 4 5 T的致畸性主要是由于其所含的杂质四氯二苯二恶英 TCDD 所致 二 物理性质与毒性 68 二 机体 宿主 状况 机体对环境化学物的感受性和耐受性 与其种属 年龄 性别 营养和健康状况等有关 69 一 种属和个体差异 不同种属的动物和同种动物中的不同个体之间对同一毒物的感受性有差异 其原因主要是由于毒物在体内的代谢差异 如代谢酶 所致 如食草动物因为长期接触氰化物而产生了适应酶 使其对氰化物的解毒能力较人 狗等杂食动物强 70 一 种属和个体差异 化学物致畸作用的种属差异可能与胎盘屏障的转运情况不同有关 又如反应停剂量高达4000mg kg时 对大 小鼠几乎无致畸作用 对兔 猴 狒狒也只有某个品系才能引起畸胎 而0 5 1 0mg kg的剂量即对人有致畸作用 71 一 种属和个体差异 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 且其中一种应为非啮齿类动物 同一种群的不同个体对毒物的反应也有差异 在动物试验时应尽可能选择条件一致的动物 以减少个体差异的影响 72 二 性别与激素 性别对化学物毒性的影响主要见于成年动物 一般来说雌 雄两性动物对毒物的感受性相似 但是动物对一些类型的化合物则出现性别差异 特别是大鼠 如雌性大鼠对有机磷化合物 如甲基谷硫磷和对硫磷 有机氯化合物 如艾氏剂和七氯 及巴比妥酸盐类一般较雄性敏感 但氯仿对小鼠的毒性却是雄性比雌性敏感 当雄性小鼠去势处理后就失去了性别敏感差别 若再给予去势雄性小鼠雄性激素 则性别敏感又将显现 铅和乙醇对雄性大鼠的毒性也较对雌性大鼠的毒性大 73 性别差异主要与性激素有关 雄性激素能促进细胞色素P 450的活力 故外源化学物在雄性体内易于代谢和降解 雄性大鼠将DDT转化为DDE的能力较雌性强 雄性大鼠的葡萄糖醛酸结合反应能力也较雌性为高 孕激素能抑制肝微粒体酶的氧化作用和葡萄糖醛酸的结合作用 故怀孕可增加小鼠对某些毒物 如农药和一些金属 的敏感性 综上所述 在实际生活和工作中 应特别注意老年 儿童 妇女以及病人等易感人群对有毒化学物的防护 二 性别与激素 74 三 年龄 新生和幼年动物通常对毒物较成年动物敏感 对多数毒物 估计要敏感1 5 10倍 动物发育的不同阶段 某些组织器官和酶系等的发育并不相同 新生动物中枢神经系统 CNS 发育还不完全 故对CNS的兴奋剂敏感性较差 而对抑制剂则较敏感 如CNS兴奋剂有机氯杀虫剂DDT和狄氏剂对新生大鼠的LD50值分别为成年大鼠的20倍和2 10倍 新生动物的膜通透性 包括血脑屏障 较强 因此对甲基汞等脂溶性神经毒物的毒性反应较大 75 三 年龄 新生动物体内某些毒物代谢酶缺乏 如大鼠出生后30天其葡萄糖醛酸基转移酶才能达到成年水平 人出生后8周龄肝微粒体混合功能氧化酶才能达到成人水平 因此 凡经代谢转化后毒性增加的化学物 对新生和幼年动物的毒性较对成年动物低 如八甲磷需在体内羟化后才具有毒性 以35mg kg的剂量给初生大鼠灌胃不会引起死亡 但以相同剂量给成年大鼠灌胃则导致100 死亡 反之 凡在体内可迅速代谢失活的化合物 对新生和幼年动物的毒性就可能较大 如对硫磷在体内可迅速代谢失活 因此其对幼年大鼠的毒性较成年大鼠为强 76 四 营养与健康 营养不足或失调将影响化学物的毒性作用 蛋白质缺乏将引起酶蛋白合成减少及酶活性降低 使毒物代谢减慢 机体对多数毒物的解毒能力降低 毒物毒性增加 如喂以低蛋白饲料的大鼠对各种农药的敏感性提高了2 26倍 如六六六 对硫磷的毒性增强 膳食中蛋白质不足可使细胞色素P 450与NADPH 细胞色素P 450还原酶活性下降 导致苯并 芘 苯胺在体内的氧化反应减弱 对于少数生物转化后毒性增大的化学物 如四氯化碳 二甲基亚硝胺等 采用低蛋白饲料可降低其对肝脏的毒性和致死作用 77 四 营养与健康 缺乏维生素A C或E使微粒体混合功能氧化酶活性下降 但维生素B1缺乏则相反 维生素A缺乏还可提高呼吸道对致癌物的敏感性 健康状况也可影响化学物的毒性作用 如患肝病使机体解毒能力下降而化学物毒性增加 慢性支气管炎和肺气肿患者易发生刺激性气体中毒 且后果较严重 如1952年的伦敦烟雾事件中80 的死亡者患有心 肺病 78 五 生物节律 生物节律即生物钟 是长期生命进化过程中形成的生物的基本特征 故化学物的毒性与其进入机体发挥作用的时间有关 例如 给小鼠腹腔注射相同剂量的乙醇 发现下午16 00和20 00死亡率最高 给大鼠相同剂量的苯丙胺 清晨3 00死亡率为78 而上午8 00仅为7 不仅在一日内的不同时间化学物的毒性不同 而且季节变化也会影响化学物的毒性 79 三 接触条件 一 接触途径 二 溶剂 三 毒物浓度与容积 四 交叉接触 80 一 接触途径 接触化学物的途径不同 则化学物吸收 分布和首先到达的组织器官不同 对其代谢转化 毒性反应的性质和程度也有影响 各种接触途径中以静脉注射吸收最快 其它途径的吸收速度一般依次为 呼吸道 腹腔注射 肌肉注射 经口 经皮 吸入接触与静脉注射的吸收速率相近 如农药久效磷小鼠腹腔注射与经口吸收毒性基本一致 其LD50分别为5 37mg kg和5 46mg kg 81 二 溶剂 染毒时往往要将毒物用溶剂溶解或稀释 有时还要用助溶剂 有的溶剂和助溶剂可改变化合物的理化性质和生物活性 因此 选用的溶剂和助溶剂应是无毒的 与受试毒物无反应 且制成的溶液应稳定 常用的溶剂有水 蒸馏水 生理盐水 植物油 玉米油 葵花子油 橄榄油 二甲基亚砜等 常用的助溶剂有吐温 80 Tween 80 这是一种非离子型表面活性剂 具有亲水性基团和亲脂性基团 可使水溶性化合物溶于油中 使脂溶性化合物溶于水中 但吐温 80对某些化合物的吸收有影响 且有一定毒性 82 二 溶剂 溶剂选择不当 可加速或减缓毒物的吸收 排泄而影响其毒性 例如 DDT的油溶液对大鼠的LD50为150mg kg 而DDT水溶液的LD50则为500mg kg 这是因为油能促进DDT的吸收所致 但用油量过大会导致腹泻而影响吸收 83 三 毒物浓度与容积 一般在同等剂量情况下 浓溶液较稀溶液毒性强 如氰化钾和氰化钠 以1 25 水溶液对20只小鼠灌胃分别引起9只与2只死亡 而5 水溶液 虽剂量如前 但在20只小鼠中分别死亡19只与13只 染毒容积对毒性也有影响 在动物实验中 一次灌胃容积一般为体重的1 2 不应超过3 静脉注射的容积对鼠类不能超过0 5mL 较大动物不能超过2mL 84 四 交叉接触 毒物经呼吸道接触时 应保护皮肤 防止气态毒物经皮肤吸收 对易挥发化合物经皮涂布接触时 应将涂布处密封起来 以防其蒸气经呼吸道吸收或动物舔食涂布部位 引起经消化道吸收 85 四 环境因素 许多环境因素可影响环境化学物的毒性作用 如气温 气压 昼夜或季节节律及其它物理因素 如噪声 化学因素 联合作用 等 这里仅简单介绍气象因素 86 四 环境因素 1 气温气温升高可使机体毛细血管扩张 血液循环加快 呼吸加速 经皮和经呼吸道吸收的环境化学物吸收速度加快 高温多汗时氯化钠随汗液排出增多 胃液分泌减少 胃酸减少 从而影响胃肠吸收 此外 排汗增多则尿量减少 使经肾随尿排出的毒物在体内滞留时间延长 毒作用增强 有人比较了不同温度下58种化学物对大鼠的LD50 结果发现 有55种在36 的高温环境中毒性最大 26 时毒性最小 87 2 气湿高气湿 尤其伴随高气温时 能使环境化学物经皮吸收的速度加快 气湿增大 汗液蒸发困难 皮肤表面的水合作用加强 水溶性强的环境化学物可溶于皮肤表面的水膜而被吸收 同时也延长了化学物与皮肤的接触时间 使吸收量增加 此外 在高湿环境下 某些化学物如HCl HF H2S的刺激作用增大 某些毒物还可改变形态 如SO2 可转化为SO3和H2SO4 使毒性增大 四 环境因素 88 3 气压气压可引起某些化学物毒性作用的变化 如在高原低气压下士的宁的毒性降低 而氨基丙苯毒性增强 四 环境因素 89 4 太阳光某些环境化学物 如大气中的氮氧化物和醛类 在强烈的日光的照射下 可转化为毒性更强的光化学烟雾等 四 环境因素 90 第四章环境化学物的一般毒性及其评价 91 概述 一般毒性是与特殊毒性相对而言的 主要包括急性毒性 亚慢性毒性和慢性毒性 蓄积毒性及局部毒性等 特殊毒性则主要指致癌作用 致突变作用 生殖和发育毒性等 92 概述 一般毒性研究是认识化学品毒性的基础 是化学品安全性评价和危险性评价的重要组成部分 93 本章目录 第一节化学物毒性评价的实验基础第二节急性毒性及其评价方法第三节亚慢性 慢性毒性及其评价方法第四节皮肤局部毒作用及其评价方法 94 第一节 化学物毒性评价的实验基础 95 第一节化学物毒性评价的实验基础 毒理学研究的主要手段是动物实验 即借助于动物模型模拟人体接触环境化学品的各种条件 观察实验动物的毒性反应 再外推到人 96 第一节化学物毒性评价的实验基础 毒理学实验分为体内试验 invivotest 和体外试验 invitrotest 可采用整体动物 动物器官 组织及细胞等进行 97 第一节化学物毒性评价的实验基础 一般毒性试验多为以实验动物为模型的体内试验 本节主要介绍毒理学研究中实验动物的选择和常用的染毒方法 98 一 实验动物的选择 实验动物 laboratoryanimal 是指经人工培育 对其携带微生物实行控制 遗传背景明确 来源清楚 可用于科学研究的动物 在毒理学研究中 选择合适的实验动物对于获得准确 可靠的研究结果具有重要的意义 99 一 物种 species 选择 环境化学物的毒作用性质和受试动物毒性反应的程度因物种的不同而异 因此 需恰当地选择实验动物的物种 以正确评价化学物对人体的毒作用 100 一 物种 species 选择 实验动物物种选择的基本原则 选择对外源化学物的毒性反应及代谢特点与人类接近的物种 选择自然寿命不太长的物种 选择易于饲养和实验操作的物种 选择经济并易于获得的物种 101 一 物种 species 选择 毒理学实验常用的动物有大鼠 小鼠 豚鼠 家兔 狗等 每一种动物都有其各自的特点及优缺点 实际上很难有一种动物能完全符合以上的选择原则 需要依据研究目的及条件进行选择 102 一 物种 species 选择 皮肤局部刺激作用研究多用家兔或豚鼠致敏作用研究的首选动物为豚鼠致畸作用研究常用大鼠 小鼠和家兔致癌实验常用大鼠和小鼠迟发神经毒性试验常用母鸡等 103 一 物种 species 选择 在对化学物进行毒性评定时 常要选用两个物种的动物进行毒性试验 以评价毒性反应的物种差异 104 二 品系 strain 选择 品系指用计划交配的方法获得的起源于共同祖先的一群动物 同一品系的动物具有共同的遗传来源 相似的外貌特征 独特的生物学特性及稳定的遗传性能 105 二 品系 strain 选择 按遗传学控制 即按动物的基因纯合度 分类 实验动物可分为近交系动物 突变系动物 杂交群动物及封闭群动物 106 1 近交系动物 inbredstrainanimal 指采用连续20代以上兄妹交配或亲子交配而培育的纯品系动物 近交系动物在遗传上达到了高度一致 理论上其基因纯合度可达98 6 99 8 二 品系 strain 选择 107 1 近交系动物 inbredstrainanimal 由于个体间差异很小 所以在实验时 各组仅需少量动物 且结果易于重复和定量比较 另外 近交系动物组织相容性一致 适用于涉及组织或肿瘤移植的实验 津白 津白 615 BALB c C3H C57BL 6小鼠等均属这类动物 二 品系 strain 选择 108 2 突变系动物 mutantstrainanimal 动物在生长繁殖过程中 通过自然突变或人工定向突变的办法 使其某基因发生突变并丧失原有的正常功能 这种突变的基因可以世代相传并保持遗传基因特性的品系动物 称为突变系动物 二 品系 strain 选择 109 2 突变系动物 mutantstrainanimal 突变系动物成为许多研究领域的重要模型 如无胸腺裸鼠由于免疫系统存在缺陷而可以接受人类多种癌细胞的移植 在免疫毒理学 化学致癌作用等研究中得到应用 二 品系 strain 选择 110 3 杂交群动物 hybridanimal 指两个不同近交系之间有目的地进行交配所产生的第一代动物 亦称杂交一代动物 二 品系 strain 选择 111 3 杂交群动物 hybridanimal 杂交群动物具有两系双亲所有的遗传特性 子代个体是杂种 但杂合的程度一致 具有与纯种动物局部相同的遗传均质性 个体差异小 具备杂交优势 生命力强 无近亲衰退现象 但其只能供实验用 不能继续繁殖育种 因为在子二代时 会发生遗传性状的分离 二 品系 strain 选择 112 4 封闭群动物 closedcolonyanimal 指在5年以上不从外部引进新血缘 仅由同一品系的动物在固定场所保存繁殖的动物群 可分为起源于近交系和不起源于近交系两类 二者都不进行兄妹交配 避免亲子 表兄妹 伯侄间交配 以保持遗传差异性 二 品系 strain 选择 113 4 封闭群动物 closedcolonyanimal 封闭群动物个体间具有一定程度的遗传学差异 昆明种小鼠 NIH小鼠 LACA小鼠 Wistar大鼠 SD大鼠 青紫蓝兔 新西兰兔等均属这类动物 二 品系 strain 选择 114 不同品系的实验动物对外源化学物的毒性反应可能会有差别 所以进行毒理学研究时要选择适宜的品系 二 品系 strain 选择 115 对某种外源化学物毒理学系列研究应固定使用同一品系的动物 以求研究结果的稳定性 二 品系 strain 选择 116 三 微生物控制的选择 通常在动物体内及体表均存在着大量的微生物和寄生虫 为确保实验结果的真实性 可靠性和增加可比性 可重复性及科学性 应对实验动物携带的微生物进行控制 117 三 微生物控制的选择 根据对动物微生物控制的净化水平 我国将实验动物分为无菌动物 悉生动物 无特定病原体动物和清洁动物 118 1 无菌动物 germfreeanimal GF 指体内外均无任何微生物和寄生虫的动物 无菌动物是经人工剖腹产净化培育出来的 三 微生物控制的选择 119 2 悉生动物 gnotobioticanimal GN 又称已知菌动物 指体内带有已知微生物的动物 是经人工有计划地将已知菌投入动物体内 悉生动物比无菌动物生命力强 有些化学物质的毒性作用与肠道细菌的代谢产物有关 用含肠道菌的悉生动物进行试验比用无菌动物可得到更真实的毒性反应结果 三 微生物控制的选择 120 3 无特定病原体动物 specificpathogenfreeanimal SPF 指体内无特定的微生物和寄生虫存在的动物 实际上是无传染病的动物 允许携带非特定微生物 SPF来源于无菌动物和悉生动物 饲养于封闭的系统中 SPF动物已成为国际上进行毒理学试验的标准实验动物 三 微生物控制的选择 121 4 清洁动物 cleananimal CL 清洁动物又称最低限度疾病动物 动物体内外不携带人畜共患疾病的病原体或动物传染病病原体 与SPF动物不同的是 抗体检查常发现脑脊髓炎病毒 鼠肝炎病毒等抗体滴度 但不应有临床症状 病理改变及自然死亡 动物饲养在半屏蔽系统中 三 微生物控制的选择 122 四 个体选择 实验动物对毒物的反应不仅存在种属差异 而且还具有个体的差异 因此 在选择实验动物时 还应注意个体选择 123 1 年龄毒理学试验选用的实验动物的年龄取决于试验的类型 急性试验一般选用成年动物 亚慢性 慢性试验因试验周期长 且同时要观察动物的生长发育情况 应选用较年幼的或初断乳的动物 使试验周期能覆盖成年期 四 个体选择 124 1 年龄实验动物的年龄应由其出生日期来定 但实际工作中常以动物的体重粗略地判断动物的年龄 同一试验中 各组动物的年龄 体重 应尽可能保持一致 一般组内个体的体重差异应小于10 各组间平均体重差异不应超过5 四 个体选择 125 2 性别同一物种 同一品系但不同性别的实验动物对化学物毒性的敏感程度有时会有差别 四 个体选择 126 2 性别如试验对动物性别无特殊要求 一般应选用雌雄两种性别 如果已知不同性别的动物对受试物的敏感程度不同 应选择敏感的性别 如实验中发现毒性反应存在性别差异 则应对不同性别动物的实验结果分别统计分析 四 个体选择 127 3 生理状态动物的特殊生理状态 如妊娠 哺乳等 对实验结果影响很大 毒理学试验一般应选用未产未孕的雌性动物 除进行与生殖有关的试验时需有计划地合笼交配外 雌雄动物应分笼饲养 四 个体选择 128 4 健康状况毒理学试验应选用健康的动物 健康动物 发育正常 活动灵活 体形健壮 无外观畸形 被毛浓密而有光泽 顺贴而不蓬乱 眼睛明亮 表皮无溃疡和结痂 眼 呼吸道等孔道无分泌物 饮食和排便正常 四 个体选择 129 4 健康状况为确保实验动物的健康 一般在试验前检疫观察5 7天 对于大动物的亚慢性和慢性试验 在试验前还应采血进行血液学和血液生化学检查 剔除异常的动物 如对狗进行试验 应常规驱除肠道寄生虫 四 个体选择 130 二 常用的染毒方法 在进行毒理学动物实验时 要使动物通过一定的途径接触毒物 染毒的途径要根据试验目的并结合人体的实际接触方式 毒物的多少 理化性质以及设备条件等来决定 131 二 常用的染毒方法 环境毒理学中的一般毒性研究采用的主要染毒途径是经口 经皮肤及经呼吸道吸入 132 二 常用的染毒方法 一 经口染毒常用的经口染毒方式有灌胃 喂饲和吞咽胶囊等 133 二 常用的染毒方法 1 灌胃人工给实验动物灌入外源化学物是经常使用的经口染毒方法 将受试物配制成溶液或混悬液 以注射器经导管注入胃内 一般灌胃深度从口至剑突下 为防止胃纳充盈影响化合物的吸收及毒性 灌胃前要对实验动物禁食 134 二 常用的染毒方法 1 灌胃经口长期染毒时 一般不禁食 但应每日定时染毒 灌胃染毒将外源化学物直接灌入胃内 而不与口腔及食道接触 给予的化学物剂量准确 但该方法工作量大 并有伤及食道或误入气管的可能 135 2 吞咽胶囊将一定剂量的受试物装入胶囊中 直接送至动物咽部 迫使动物咽下 该法适用于兔 猫 狗等较大的动物 染毒剂量准确 并适用于易挥发 易水解和有异味的受试物 二 常用的染毒方法 136 3 喂饲将受试物掺入动物饲料或饮水中 让实验动物自行摄入 为避免饲料营养成分改变而影响实验动物的生长发育 饲料中掺入受试物的量不应超过5 二 常用的染毒方法 137 3 喂饲喂饲法符合人类接触受试物的实际情况 但不适用于易挥发和有特殊嗅 味的化合物 也不适用于在食物 水 中不稳定的化合物 为计算每只动物摄入化学物的量 实验动物需单笼喂饲 二 常用的染毒方法 138 二 经呼吸道染毒气态和易挥发的液态化学物以及气溶胶均可经呼吸道吸入 一般毒性研究主要采用吸入染毒的方式 即把实验动物置于含有化学物的空气环境中 使其自然吸入 吸入染毒可分为静式吸入染毒和动式吸入染毒 二 常用的染毒方法 139 1 静式吸入染毒将实验动物置于密闭的染毒柜中 加入易挥发的液态受试物或气态受试物使化合物达到一定的浓度 静式染毒过程中 染毒柜中的空气与外界隔离不交换 为使O2和CO2的分压不至变化太大而影响动物呼吸时的气体交换 一般O2不能低于19 CO2不能超过1 7 静式染毒柜的体积与放置的动物数量要适宜 一般50升的染毒柜接触2小时 可放6 10只小鼠或1只大鼠 二 常用的染毒方法 140 1 静式吸入染毒静式吸入染毒设备简单 操作方便 消耗的化学物少 但是 在染毒过程中氧分压降低 实验动物数量受限 柜内受试物浓度也逐渐下降 难以维持较恒定的化学物浓度 将实验动物整体置于染毒柜中 有经皮吸收的可能 二 常用的染毒方法 141 1 静式吸入染毒在染毒过程中 可按一定的时间间隔抽取气体进行分析测定 以获得毒物挥发 分散情况及准确的染毒浓度 但抽气量不可过大 否则会影响密闭环境中固有的化学物浓度 还将减少空气量 导致染毒柜内出现负压环境 因而 静式吸入染毒多通过计算的方法得到染毒柜内受试物的浓度 二 常用的染毒方法 142 2 动式吸入染毒采用机械通风装置 连续不断地将新鲜空气和毒气送入染毒柜 让污染空气不断排出 实验动物在氧和二氧化碳分压较为恒定 受试化学物浓度也较稳定的环境中进行染毒 由于空气是流动的 所以柜中可放置较多的动物 甚至较大的动物 如兔 也可使用 二 常用的染毒方法 143 动式染毒需要的装置较为复杂 一般由染毒柜 机械通风系统和配气系统三部分构成 消耗受试物的量也大 且容易污染环境 将实验动物整体放入染毒柜的动式染毒方法也可能有经皮肤交叉吸收的问题 采用将实验动物头部放于染毒柜内而身体置于柜外的口鼻接触动式染毒法 可防止经皮肤的交叉吸收 动式吸入染毒柜中受试物的浓度一般应定时采气进行实际监测 如果尚无灵敏 可靠方法对待测化学物进行定量分析 也可采用计算的方法得到受试物的浓度 二 常用的染毒方法 144 三 经皮肤染毒液态 气态和粉尘状外源化学物都有可能与皮肤接触 研究化合物经皮肤吸收的毒性作用及化合物对接触皮肤的局部作用 皮肤刺激和致敏 均需采取经皮肤染毒的方式 动物的被毛有碍于化学物直接与实验动物的皮肤接触 因此 在经皮肤染毒前 需要除去染毒部位的被毛 二 常用的染毒方法 145 第二节 急性毒性及其评价方法 146 第二节急性毒性及其评价方法 一 急性毒性的概念化学物对机体的毒作用与染毒持续时间密切相关 环境毒理学通常依据染毒期限的不同将一般毒性试验分为急性 亚慢性和慢性毒性试验等 急性毒性 acutetoxicity 是指机体一次接触或24小时内多次接触某一化学物所引起的毒效应 包括死亡效应 147 第二节急性毒性及其评价方法 一次 接触指瞬间给实验动物染毒 但经呼吸道与皮肤染毒时 则指在一个规定的期间内使实验动物持续接触化学物的过程 多次 的概念是指当外源化学物毒性很低时 即使一次给予实验动物可能的最大染毒容量还观察不到毒性作用 同时该剂量还未达到规定的限制剂量时 便需要在24小时内多次染毒 从而达到规定的限制剂量 急性毒性试验是毒理学研究中最基础的工作 一般是外源化学物毒性评价的起始工作 148 第二节急性毒性及其评价方法 急性毒性研究的主要目的是确定化学物的致死剂量 评价化学物对机体的急性毒性的大小 毒效应的特征和剂量 反应 效应 关系 并根据LD50进行急性毒性分级 另外 急性毒性研究可为亚慢性 慢性毒性研究及其他毒理试验染毒剂量的设计和观察指标的选择提供依据 为毒作用机制研究提供线索 149 第二节急性毒性及其评价方法 二 急性毒性评价方法 一 经典的急性致死性毒性试验经典的急性毒性试验一般是设一定数量的剂量组 组间有适当的剂量间距 通过试验得到化合物引起动物死亡的剂量 反应关系并求得LD50 150 1 实验动物选用成年健康的实验动物 最常用的是大鼠和小鼠 一般要求小动物每组10只 狗等大动物可每组6只 实验动物根据实验设计的方法随机分组 第二节急性毒性及其评价方法 151 1 实验动物一般受试动物应是雌 雄各半 若雌 雄动物对待测化学物毒性的敏感程度有明显差异 则应分别求出雌性动物与雄性动物各自的LD50 如果试验是为致畸试验做剂量准备 也可仅做雌性动物的LD50试验 第二节急性毒性及其评价方法 152 2 染毒剂量设计首先要了解受试外源化学物的结构式 分子量 纯度 杂质成分与含量 常温常压下的状态 液态 固态或气态 溶解度 挥发度 pH等理化性质 对于新的受试化学物 可以先查阅文献 找到与受试化学物的化学结构与理化性质相似的化学物毒性资料 取与本实验相同动物物种或