毒理学基础生物转运转化

1 外源化学物在体内的生物转运与生物转化 2 生物转运和生物转化的四个基本过程 吸收 absorption 分布 distribution 代谢 metabolism 排泄 excretion 生物转化 Biotransformation 生物转运 Biotransportation 消除elimination 3 阐明其单独作用或联合作用所致毒效应的机制以及物种差异存在的原因 预测人类暴露化学物后的处置及毒性作用 可通过改变外源化学物ADME过程 以预防和治疗外源化学物中毒 研究ADME过程的重要意义 4 第一节外源化学物在体内的生物转运 一 生物膜 biomembrane 与生物转运 一 生物膜的结构特点磷脂双分子层 决定了脂溶性物质的易透过性 镶嵌蛋白 可作为载体 受体 酶等 或构成特殊通道以帮助水溶性物质透过细胞膜 膜孔 一般为0 3 0 6nm大小 但在肾小球毛细血管中膜孔可达70nm大 有利原尿滤过和物质交换 5 6 隔离功能 包绕和分隔内环境 重要生化反应和生命现象的场所 内外环境物质交换的屏障 生物膜的主要功能 生物膜也是一些外源化学物毒作用的靶 7 被动转运 passivetransport 1 简单扩散 simplediffusion 2 滤过 filtration 特殊转运1 主动转运 activetransport 2 易化扩散 facilitateddiffusion 3 膜动转运1 吞噬作用 phagocytosis 和胞饮作用 pinocytosis 2 胞吐作用 exocytosis 二 外源化学物通过生物膜的方式 8 1 简单扩散 simplediffusion 不消耗能量 不需载体 不受饱和限速与竞争性抑制的影响 对象 脂溶性的非极性分子 CO2和O2等 又称为脂溶扩散 是大多数外源化学物通过生物膜的方式 9 膜两侧存在浓度梯度 外源化学物有脂溶性 外源化学物是非解离状态 简单扩散方式的条件 10 2 滤过 filtration 外源性化学物通过生物膜上亲水性孔道的过程 顺浓度差肾小球和毛细血管的膜孔可以允许分子量 60 000 清蛋白分子量 的物质通过 其他细胞膜上的膜孔只允许分子量100 200以下的物质通过 11 1 主动转运外源化学物在载体的参与下 逆浓度梯度通过生物膜的转运过程 需有载体参加 外源化学物可逆浓度梯度转运 消耗能量 代谢抑制剂可阻止转运过程 载体对转运的外源化学物有特异选择性 转运量有一定极限 载体可达饱和状态 两种外源化学物间可出现竞争性抑制 12 2 易化扩散 facilitateddiffusion 概念 在载体蛋白的帮助下 水溶性的小分子物质顺浓度梯度的扩散 对象 水溶性的小分子如葡萄糖 氨基酸 核苷酸等 13 经载体易化扩散的溶质浓度与溶质跨膜扩散速率的关系曲线 特点 顺浓度梯度移动 饱和现象 结构特异性 竞争性抑制 1 吞噬作用 phagocytosis 和胞饮作用 pinocytosis 吞噬作用 固体颗粒物质例如 烟 灰尘等与细胞膜接触后 细胞膜张力改变 外包或内陷 将异物包裹进入细胞 成为吞噬作用 胞饮作用 液态微滴或大分子经此方式进入细胞 成为胞饮作用 2 胞吐作用 exocytosis 指某些颗粒物或者大分子物质通过上述方式从细胞内转运到细胞外 14 3 膜动转运 15 胞吞 endocytosis 16 二 吸收 absorption 是外源化学物通过生物膜屏障进入血液的过程 经胃肠道吸收 经呼吸道吸收 经皮肤吸收 经其他途径吸收 17 一 经胃肠道吸收吸收方式 多经简单扩散吸收 部分经主动转运 少数通过滤过 吞噬作用和胞饮作用 吸收部位 小肠 其次胃 影响因素 消化道内容物的数量和性质 胃肠蠕动 排空速度 此外 肠道菌丛也对外源化合物的吸收有影响 首过消除 firstpasselimination 经胃肠道吸收的外源化学物通过门静脉系统首先到达肝脏 进行生物转化后 再进入体循环 18 二 经呼吸道吸收 外源性化学物经肺吸收速度很快 仅次于静脉注射 气体和蒸气的吸收主要取决于脂溶性和浓度 方式 简单扩散 血 气分配系数 mg L mg L 肺通气量和经肺血流量气溶胶 雾经肺的吸收与气体和蒸气相似烟和粉尘的颗粒直径大小与其到达呼吸道的部位有密切关系 19 直径 5微米 沉积于鼻咽部直径在2 5微米 沉降于气管 支气管区域被咳出或吞咽进胃肠道直径在1微米以下 可达肺泡并被吸收入血 20 三 经皮肤吸收 分为穿透阶段和吸收阶段穿透 被动扩散透过角质层的过程 吸收 在表皮深层和真皮层经由静脉或淋巴管吸收 脂溶性较好的物质易吸收而高脂溶性或高水溶性物质经皮吸收困难 四 经其他途径吸收 21 三 分布 distribution 分布指外源性化学物吸收后 随血液或淋巴液分散至全身的过程 分布与再分布 redistribution 在毒物吸收的数分钟之内 血液灌注最高的器官 如心 肝 肾 肾上腺 甲状腺 肺 小肠等毒物的分布量最多 血液灌注量低的脏器的分布量较少 如皮肤 结缔组织 脂肪等 随着时间的推移 分布受到外源化学物经膜扩散速率及其与组织器官亲和力的影响 发生再分布 22 一 外源化学物在组织器官中的贮存蓄积 accumulation 以较高浓度富集于某些组织器官 凡是毒物蓄积的部位均可认为是贮存库 贮存库中蓄积的毒物常常是慢性毒性作用的物质基础 血浆蛋白 肝 肾 脂肪组织和骨骼都可作为贮存库 例如 CO与Hb结合 DDT在脂肪组织中含量最高 而DDT的毒作用靶不在脂肪而在神经系统等组织 二 特殊屏障血 脑屏障 母体甲基汞和铅可从未发育好的胎儿血脑屏障通过而影响脑部 胎盘屏障 目前发现屏障作用较弱 基本上相当于普通毛细血管 发现OH PCBs比其原型 PCBs 易于透过该屏障 因其一定的水溶性对跨胎盘屏障的简单扩散有利 23 24 四 排泄 excretion 一 经肾脏排泄肾小球被动过滤肾小管排泄 二 经粪便排泄经口摄入的毒物 随胆汁排出的毒物 由肠道排泄的毒物 被动或主动从血液分泌至肠腔 及肠道菌群的作用 随尿液排出 经肾小管重吸收 25 肝细胞表达的外源性化学物转运体可将一些外源性化学物转运入胆道系统 然后从肠道排出 目前发现的有关转运体 有机阴离子转运体 organicaniontransporter OATP 有机阳离子转运体 organiccationtransporter OCT 多药耐受蛋白 multidrugresistance mdr 多药耐受相关蛋白 multidrugresistance associateprotein mrp 肝特异转运体 肝细胞膜上特异的介导胆汁转运的膜转运蛋白 其损伤与孕妇肝内胆汁郁积症的发生有关 26 此外 决定经肝细胞处理的外源性化学物由胆汁或尿液排出的因素尚不清 这里有物种差异及毒物种类的作用 分子量较大的物质 325 常常是葡萄糖醛酸或谷胱甘肽结合物 可从胆汁中排出 27 三 经肺排泄主要针对于体温下气态存在的物质以及挥发性液体 经简单扩散的方式从肺排出 排除速度与吸收速度成反比 如乙烯的血 气分布系数很低 排出很快 而氟烷却排泄很缓慢 四 经其他途径排泄脑脊液乳汁简单扩散方式脂溶性强的DDT PCBs等铅也可与钙形成螯合物而从乳汁中排出汗液和唾液毛发和指甲 砷 汞 铅 锰 生物监测指标 28 29 毒物动力学 用数学模型和速率论的理论来解释外源化学物数量在生物转运和转化过程中的动态变化规律 时 量关系为核心 求出动力学参数及与效应的关系 30 一 经典毒物动力学的基本概念毒物在体内的量一般以血浆浓度来代表 1 速率类型一级速率过程 Firstorderrateprocess 毒物的生物半减期恒定 单位时间内毒物消除量与体存量成正比 恒比消除 特点 消除量与体内毒物量成正比 半对数时 量曲线为一直线 T1 2恒定 与染毒剂量无关 多数毒物在体内的过程 31 经典毒物动力学 基本概念 速率类型 32 零级速率过程 Zeroorderrateprocess 化学毒物的数量超过机体的转运和转化能力时发生的过程 单位时间内消除毒物的量恒定 与体存量无关 恒量消除 其算术时 量关系为一直线 而对数时 量关系为一曲线 部分需要载体转运或限速酶代谢的毒物的体内过程符合零级速率 2 房室模型 一房室模型 One compartmentmodel 毒物入血后能迅速而均匀地分布于全身并呈现一致的消除过程 凡是转运和转化速率相似的组织 器官和体液 均可视为同一房室 这样可将整个机体视为一个彼此相连的房室系统 房室模型分为两种 一房室模型与多房室模型 34 多房室模型 Multi compartmentmodel 毒物入血后在体内不同部位的转运和转化速率不同 在达到平衡前需要有一个分布的过程 一个中央室 多个周边室 35 房室模型 开放式 大多数化学物符合的模型 封闭式 毒物仅在各个房室间转运 不从机体排泄或者代谢转化 36 二 房室模型和时 量曲线1 一房室模型的时 量曲线 37 2 二房室模型及时 量曲线 二房室模型的半对数时 量曲线为二项指数衰减曲线 前段曲线下降迅速 反映化学物从中央室向周边室的分布过程 成为分布相或者快相 速率常数为 alpha 后段曲线下降较缓 反映化学物的消除过程 称为消除相或慢相 速率常数为beta 中央室 C1 Ae t Be t周边室 C2 e t e t B 消除相曲线外推至纵轴的截距 得到消除项理论曲线 A 分布相曲线的实测值 消除相理论曲线上对应时间点上的计算值 得到的差值 连接起来 得到消除项理论曲线 与纵轴的交叉点为A 39 三 基本参数1 表观分布容积 Apparentvolumeofdistribution Vd 是指外源化学物在体内的分布容积的重要参数 只有在化学毒物均匀分布于全身组织时才与其真正占有的生理容积相等 因此称为 表观 经静脉染毒 一室模型的Vd X0 C0 单位 L kg Vd越大 表示毒物在体内分布的范围越广 Vd过大时 提示毒物在体内的大量蓄积 40 消除速率常数 eliminationrateconstant 单位时间内外源性化学物从体内消除的量占体存量的比例 例如 某毒物的Ke值为0 1 h 表示该毒物每小时约有体存总量的10 被消除 41 曲线下面积 areaundercurve 化学毒物从血浆中开始出现到完全消失这段时间内 时 量曲线下所覆盖的总面积 表示以某一途径染毒后在一定时间内吸收入血的毒物相对量 越大 外源性化学物从机体消除越慢 一房室模型 AUC C0 Ke 二房室模型 AUC A alpha B beta 单位 mg L h 42 半减期 t1 2 指外源性化学物血浆浓度下降一半所需时间 一房室模型半减期 0 693 Ke二房室模型分布相半减期 0 693 alpha消除性半减期 0 693 beta5 清除率 clearance Cl 指单位时间内机体所有途径能够消除的外源化学物占有的血浆容积值 6 生物利用度 bioavailability F 指毒物吸收率F AUC 非静脉注射 AUC 静脉注射 43 二 生理毒物动力学模型 优点 多种器官和组织的独特时间 分布过程 包括生理参数改变时毒物的分布过程 比较不同物种的体内动力学过程 使用于复杂的染毒