神经与行为毒理学新ppt课件

神经与行为毒理学 cly卫生毒理学 1 神经毒理学 neurotoxicology 是研究外源化学物对神经系统结构和功能产生损害作用的一门学科行为毒理学 behavioraltoxicology 是从毒理学角度出发 研究集体接触外源化学物后 出现的内源性刺激或损伤致机体各系统 特别是神经系统综合反应的改变 2 人类的中枢神经系统对外界危害因素极为敏感 当受到侵袭时 常首先受累 外源化学物对机体产生的刺激首先是功能性改变 此时各器官系统尚未出现病理性的损伤 仅出现神经功能 行为和心里的变化有些危害因素虽然并非原发性地作用于中枢神经系统 但通过对其它系统的影响 也可继发地引起中枢神经系统损害 因此 在外界危害因素作用下 中枢神经系统或多或少地均受到一定的影响 3 目前 随着工艺技术的进步和劳动条件的改善 严重污染所致明显的中枢神经系统疾病已极少发生 现场所见大部为低强度 长期接触所引起的亚临床改变 常表现为轻度功能性变化按现有的科学水平 神经行为方法是检测中枢神经系统亚临床改变的一个较为合适的指标 由于此类指标灵敏 操作简便 对受试者无创伤性损害 且可反复多次测定 故在预防医学领域中应用甚为广泛 对制定 修改卫生标准及危险度评定作用日趋重要 4 神经行为毒理学的发展 化学物质行为毒性研究问题的提出 第二次世界大战之前 评价一种化学物质是否具有毒性是以半数致死量 LD50 为指标 这是人类对化学物质安全性毒理学评价的最初阶段自第二次世界大战到本世纪六十年代末期 人们开始将亚急性和慢性毒理学试验用于评价化学物质的毒性上世纪五十年代末期 震惊世界的反应停事件 对毒理学发展起到一个巨大的推动作用 使人们认识到对化学物质安全性评价仅用急性 亚急性 慢性毒理学试验是不够全面的 还需要做相应的致畸试验 5 国内较为系统研究和应用神经行为方法始于80年代初 1986年引入世界卫生组织神经行为核心测试组合 NCTB 使之中文化 制成中文版本同时对影响测试结果的主要混杂因素 如受试者年龄 性别 文化水平进行了深入研究 并建立了按年龄 性别 文化水平分组的554名无环境有害因素接触史健康者NCTB的参比值 此外 还发展出用因子分析和聚类分析法来研究NCTB 在此期间 于1988年国内首次研制出中文化神经行为评价系统 NES C1 用于检测工人神经行为功能在此基础上 于1992年和1998年分别发展出性能更为良好的第二代 NES C2 和第三代 NES C3 中文化神经行为测试评价系统在现场调查中 用NCTB和NES对受检者测试结果表明 两者的效度 信度及灵敏度俱佳 是检测环境有害因素对中枢神经系统早期不良影响的一个极为有用的工具 6 一 神经系统生理结构简介 中枢神经系统与外周神经系统神经的基本结构神经递质的种类血 脑和血 神经屏障 7 神经系统的构成 中枢神经系统 脑分为端脑 间脑 小脑和脑干四部分 大脑还分为脊左右两个半球 分别管理人体不同的部位 髓主要是传导通路 能把外界的刺激及时传送到脑 然后再把脑发出的命令及时传送到周围器官 起到了上通下达的桥梁作用 周围神经系统包括脑神经 脊神经和植物神经 脑神经 12对 主要支配头面部器官的感觉和运动 脊神经 31对 主要支配身体和四肢的感觉 运动和反射 植物神经也称为内脏神经 主要分布于内脏 心血管和腺体 心跳 呼吸和消化活动都受它的调节 8 神经系统的基本结构 神经系统是由神经细胞 神经元 和神经胶质所组成 神经元是一种高度特化的细胞 为神经系统的基本结构和功能单位 它具有感受刺激和传导兴奋的功能 神经元由胞体和突起两部分构成 神经胶质数目是神经元10 50倍 突起无树突 轴突之分 胞体较小 胞浆中无神经原纤维和尼氏体 不具有传导冲动的功能 其对神经元起着支持 绝缘 营养和保护等作用 并参与构成血脑屏障 9 神经递质的种类 乙酰胆碱去甲肾上腺素 氨基丁酸 GABA 氨基乙酸谷氨酸天冬氨酸NO 10 血 脑和血 神经屏障 保护神经系统免受某些神经毒物的毒性作用血 脑屏障 blood brainbarrier BBB 血 神经屏障 blood nervebarrier BNB 外周神经被两层结缔组织鞘膜 即神经束膜和神经外膜所覆盖 并于神经内膜相互交织 BNB由神经内膜中的血管与神经外鞘的扁平细胞提供支持 它的作用不如BBB 因而背根神经节一般较CNS中的神经细胞对神经毒物更为敏感 11 二 神经毒物 神经毒物 可泛指引起机体神经系统功能或结构损伤的外源性的物理 化学或生物因素 外源性的化学物引起的神经毒性是损伤机体神经系统的主要因素 污染环境后会持续存在于我们的生产和生活环境中 12 现有神经毒物分类 按理化性质 用途金属类溶剂类气体类农药类药物天然毒素 按毒作用靶器官神经细胞毒物神经髓鞘毒物神经轴索毒物神经递质毒物 13 金属类 重金属及其化合物 铅 汞 砷 镉 非必需金属及其化合物 铝 锑 锡 铊 镍 锂 钡 铍 铋 金 必需金属及其化合物 铬 铜 铁 镁 锰 钴 钾 硒 锌 14 溶剂类 脂肪族烃类 烷烃 烯烃 炔烃 汽油 脂肪族环烃类 松节油 环丙烷 环丁烷 正己烷 卤化物 四氯化碳 氯仿 氯丁二烯 三氯苯 氯乙烯 三氯乙烯 四氯乙烯 二氯二氟甲烷 三氯氟甲烷 氯丹 氯苯 对 二氯苯 氯甲烷 1 2 二氯乙烷 多氯联苯 三碘甲烷 15 溶剂类 醇类 乙醇 甲醇 1 丙醇 异丙醇 乙二醇 丙二醇 二乙二醇 丁醇 环己醇 二丙酮乙醇 2 5 己烷二醇 酚类 甲酚 六氯酚 其他 石油蒸馏物 甲醛 丙酮 甲基丁酮 丙烯酰胺 环氧化合物 烷基苯乙烯聚合物 乙酯 醋酸丁酯 醋酸戊酯 甲基乙酯 苯胺 松油脂 三甲酚磷酸酯 1 甲基 4苯基 1 2 3 6四氢吡啶 兴奋性氨基酸 磷酸三邻甲苯酯 16 气体类 一氧化碳 氢化氰 硫化氢 二硫化碳 燃烧产物 汽车尾气 氨 氮氧化物 17 农药类 有机磷类 拟除虫菊酯 有机氯 开蓬 DDT 18 药物及天然毒素 鸦片 可卡因 巴比妥 地西洋 阿霉素 长春新碱 链霉素 奎宁 蛇毒 蝎毒 蓖麻子蛋白 19 按毒作用靶器官分类 神经细胞毒物 汞和汞化合物 锰 铝 谷氨酸 氰化物 铅 1 甲基 4 苯基 1 2 3 6 四氢吡啶 MPTP 神经髓鞘毒物 六氯酚 三甲基锡 铅 锑 神经轴索毒物 正己烷 二硫化碳 taxol 长春新碱 丙烯酰胺 氯丙烯 除虫菊酯 神经递质毒物 尼古丁 有机磷化合物 氨基甲酸酯类杀虫剂 可卡因 兴奋性氨基酸 苯丙胺 20 三 神经毒作用 神经毒性 neurotoxicity 是指外源性的物理 化学或生物因素引起的生物体神经系统功能或结构损害的能力 神经系统损伤类型 器质性损害功能性损害行为性损害 21 一 器质性损害 主要为结构改变 即神经毒物作用后神经组织的细胞 轴索 髓鞘及细胞内超微结构发生的病理改变缺氧性损害 中枢神经系统对缺氧最为敏感 很多毒物可通过引起大脑缺氧而导致大脑器质性损伤毒物特异性损害 中枢神经系统特异性损害 周围神经系统特异性损害 中枢周围混合型损伤 22 1 缺氧性损害 eg 吸入高浓度二氧化碳 氮气 甲烷等 单纯性大脑缺氧 一氧化碳 亚硝酸盐 苯的氨基和硝基化合物等亲血红蛋白毒物 血红蛋白携氧能力损失 氰化物 叠氮化物 二硝基苯酚 丙二腈 细胞毒性缺氧 即供氧 供血充足但细胞能量代谢过程被阻断 影响心脏骤停的毒物或急性中毒合并心力衰竭 供血不足引起缺血性缺氧 23 2 毒物特异性损害 eg 铅中毒 智力低下 铅中毒性脑病汞及其有机化合物 情绪不稳 易激动 思维混乱 震颤 弱视 听力丧失 共济失调 瘫痪锰 类似帕金森病和运动障碍孕妇使用可卡因 婴儿神经系统对外界刺激的反应和认知能力均有下降孕妇大量饮酒 其子代产生颅面畸形和智力低下 周围神经系统特异性损伤毒物有机磷 铅 等 不同程度的感觉和运动功能障碍 24 二 功能性损害 是在神经毒物引起神经细胞的结构和生化改变的基础上而引起感觉 运动功能紊乱eg 儿童铅中毒 失明 耳聋一氧化碳中毒 小脑浦肯野细胞受损 步态不稳 25 三 行为性损害 是中枢神经系统的综合功能改变 神经毒物可引起脑的各种精神活动能力改变 如抽象思维 记忆与学习 注意力等的改变 由于这些精神活动能力改变 从而出现各种精神障碍或行为缺陷这些改变涉及大脑网状结构 基底核 边缘系统和大脑皮层等结构 由于这些结构受累 导致意识丧失 学习记忆下降 兴奋或抑制 情绪性格等改变 26 三 神经毒性作用特点 选择性 神经毒性表现可随年龄的增长有所不同 神经系统损伤常持续存在 神经元受损后不能再生 耐受性 有些神经细胞最初是过量存在的 因此对损伤具有一定的缓冲作用 神经毒性反应呈渐进性发展 轻微的功能损伤也可能变得异常严重 某些物质特别是各种药物在不同剂量下 神经系统可产生不同的反应 化学物质的联合接触会产生相互作用 27 四 神经毒性作用机制 神经递质与神经毒性通道与神经毒性受体信号转导与神经毒性神经胶质细胞与神经毒性细胞骨架与神经毒性 28 1 神经递质与神经毒性 神经递质释放依赖于许多生物化学和电化学活动的协调作用 不仅与突触前神经元的动作电位有关 还包括钙动员和突触前神经末梢递质储存囊泡与质膜的融合 融合后囊泡中的神经递质被释放到突触间隙 与突触后膜上高度特异性受体结合将化学信息再转换成电信号或调控其他神经化学活动等一系列活动 毒物可通过干扰递质合成酶活性或递质前体物质的利用影响神经递质合成 可通过影响囊泡中神经递质的储存或释放 影响神经递质灭活或清除 重摄取或递质分解酶 干扰神经递质与受体作用或毒物本身直接与受体结合等作用影响神经系统正常功能 29 神经递质与神经毒性 例 有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂 选择性抑制乙酰胆碱酯酶活性 从而抑制乙酰胆碱递质的灭活 造成突触间隙大量乙酰胆碱递质堆积 过度刺激突触后膜上的相应受体 使突触后神经元正常活动受到影响 产生一系列中毒症状 可卡因和它的同类物 通过抑制多巴胺和其他单胺的突触重吸收提高突触间隙多巴胺递质浓度 乙醇 影响儿茶酚胺类递质释放 吸收和代谢 并刺激GABA受体活性 30 2 通道与神经毒性 Na 通道河豚毒素 tetrodotoxin TTX 能阻断Na 通道电导的升高 破坏动作电位的生成 拟除虫菊酯类杀虫剂和DDT 引起神经元电压门控Na 通道关闭延迟 神经元反复持续去极化造成神经系统过度兴奋 表现为运动失调 惊厥抽搐 振颤 易激惹和手舞足蹈综合症等 局部麻醉药普鲁卡因和可卡因 对Na 通道和K 通道均有阻断作用 31 通道与神经毒性 Ca2 通道在神经和肌肉活动中 包括神经递质和激素释放 动作电位的生成和兴奋性收缩偶联等 发挥着重要作用 因此是许多治疗药物 神经毒素和神经毒物的潜在作用靶部位 传统上将电压依赖性Ca2 通道分为四型 即T 型 L 型 N 型和P 型杀虫剂胺菊酯 阻断成神经细胞瘤细胞和窦房结细胞的T 型Ca2 通道 铅 是一种较强的N 型Ca2 通道非选择性阻断物 32 3 受体信号转导与神经毒性 受体可被看作是能与毒物发生高亲和性反应并产生特殊效应的大分子毒物分子可模拟内源性配基 引起激动剂样作用 毒物分子可能结合于受体 但并不引起激活效应 而是阻断内源性配基的作用 即拮抗作用 毒物可能对受体产生变构效应 如有些毒物不是结合于内源性配基的同一位点 而是结合于生物大分子的相邻部位 这种作用可引起构象变化而影响受体与神经递质的结合 33 3 受体信号转导与神经毒性 受体可被看作是能与毒物发生高亲和性反应并产生特殊效应的大分子毒物分子可模拟内源性配基 引起激动剂样作用 毒物分子可能结合于受体 但并不引起激活效应 而是阻断内源性配基的作用 即拮抗作用 毒物可能对受体产生变构效应 如有些毒物不是结合于内源性配基的同一位点 而是结合于生物大分子的相邻部位 这种作用可引起构象变化而影响受体与神经递质的结合 34 4 神经胶质细胞与神经毒性 星型胶质细胞在许多神经毒性损伤中既有防御作用又有促进作用如 在中枢神经系统谷氨酸稳态研究中 星型胶质细胞在兴奋性神经递质谷氨酸代谢中具有重要作用 星型胶质细胞具有高亲和性谷氨酸递质摄取系统 它们可通过谷氨酸重摄取或经谷氨酰胺合成酶催化作用将谷氨酸代谢为谷氨酰胺 调节控制细胞外谷氨酸水平 星型胶质细胞还可直接引起中枢神经系统损伤 星型胶质细胞中的谷氨酸 谷氨酰胺通路是脑组织中谷氨酸递质的微型储备库 35 5 细胞骨架与神经毒性 细胞骨架是轴浆运输本身所固有的结构成分 也是一个易感位点秋水仙素可阻止微管形成e g与中性粒细胞微管蛋白的亚单位结合而改变细胞膜功能 包括抑制中性粒细胞的趋化 粘附和吞噬作用 36 文献报道铅可影响脑组织脂质过氧化 进而引起单胺类递质水平改变而导致机体神经行为功能损害锰致神经行为毒性的机制可能是先影响单胺类递质及乙酰胆碱合成的代谢酶类 引起神经递质及代谢物含量变化 随着锰的浓度增高 其氧化作用难于被细胞保护机制所抗衡 从而使单胺类递质自氧化 并产生细胞毒性而导致脑组织更广泛的损害 37 铝的神经行为效应可能与氨基丁酸及兴奋性氨基酸代谢改变有关 可引起大鼠脑组织神经胶质酸性蛋白 GFAP 和 淀粉样前体蛋白 APP 表达增加 脂褐素沉着及细胞凋亡增多等 认为 铝可能通过影响神经细胞能量供应的跨膜离子转运 干扰细胞活动 继而影响神经递质的合成与再摄取 进而诱发以神经退行性变化为特征的病理学和行为功能改变神经行为毒性的生物学基础研究为神经行为学方法的进一步发展和神经毒性评价系统的建立提供了有力的科学依据 38 五 神经毒性研究方法 神经行为学方法神经电生理学方法神经化学方法神经病理学方法神经影像学方法体外神经毒理学方法 在筛选神经毒物以及职业人群的早期监护中广泛应用单一测试方法和组合成套实验 从神经生理 神经化学角度而言 行为是这些功能的综合性反映和体现 行为异常提示可能有神经毒性 外周神经 运动神经传导速度的测定 感觉神经传导速度和动作电位测定 慢纤维传导速度的测定等肌电图 将电极探针插入肌肉 在静息和肌肉收缩时 记录和检查肌肉的电活动 因不同脑区其解剖生理和功能不一 很少有理想的生化方法能全面检测所有的功能区 根据此特点 为准确反映神经系统功能 必须采用特殊方法作体内研究 如进行微透析 核磁共振并采用示踪剂评价能量利用 合成 状况分析等 首先 肉眼观察 辅以脑重量测定 其次 在光学显微镜下确定病变脑区可进一步电镜检查 磁共振成像氢质子磁共振波普 最常见就是从动物体分离出神经细胞 在尽量模拟体内环境的体外条件下 使神经细胞保持存活 增值 发育和分化功能 39 六 行为毒性研究方法 神经行为毒理学研究方法由于其敏感 可定量及可测定外来化合物导致的亚临床表现 已成为评价化学物质安全性的重要方法 但由于神经系统结构的复杂性及中枢神经系统有较强的代偿能力 所以不能用单一的行为试验来揭示某种因素对机体整个行为的影响 而必须采用成组的行为试验国际上常用的成组试验包括感觉 运动 认知 行为等不同测试方法的合理组合 40 行为毒理学的评价原则 主要是对那些在环境中存在的可能具有神经毒性 或者可疑具有神经毒性的化学物质以及可能具有潜在神经毒性的物质 可通过各种途径与人类可能接触或进入人体的 原则上都应该进行行为毒性的评价 41 一 建立动物模型 对行为毒性实验来说 化学物质的吸收 代谢和排泄等方面与特定动物神经系统易感性的选择应予足够的重视和充分的考虑原则上是选择生理学和动物学上的分类与人类更接近的 同时也要既容易获得 又经济的动物 目前国际上最通用的动物是大鼠和小鼠 但针对动物对化学物质敏感性问题 则不同 如杀虫剂用啮齿类动物不能检测出其毒性 但给小鸡投予后 经过一段时间 可以发现其神经毒性 42 二 行为毒理学研究方法 功能性观察组合 活动度 惊愕反应 步态和姿势特征 操作性测试试验 神经反射 神经肌肉功能测试 感觉反应 学习和记忆功能测试 小鼠Y形迷宫实验 反射臂迷宫实验 水迷宫实验 T形迷宫实验 小鼠跳台实验 小鼠避暗实验 感觉运动功能测试 转棒实验 游泳实验 足展开实验 倒挂网格实验 痛觉测定 43 七 人类行为功能实验 1 运动功能试验 手提转速实验 简单反应时间实验 目标瞄准追击实验 2 识别功能试验 数字广度实验 学习实验 视觉保留实验 数字译码实验 3 神经行为功能试验组合 目前采用最多且别公认的是神经行为核心测试组合 NCTB 和成人环境神经行为测试组合 AENTB 前者应用更广泛 44 NCTB 即神经行为功能核心测试 Neurokehavioralcoretestbattery 1983年由WHO拟定出 1986年完稿这套方法用五大洲不同民族 语言 经济状态 文化的9个国家进行测试其中包括7个分测验 每1测验测试1个方面的行为功能共同构成了测验整个神经系统的功能 45 NCTB 1 1情绪状态测验 ProfileofMoodStatesTest 1 1 1功能测定受试者近1周来的心境和情绪1 1 2方法受试者恰如其分地在反映目前心境状况的形容词上划一圈 见表11 1 3评判标准将受试者划圈数字相加再加上常数4即为情绪得分1 1 4评价在评价职业接触危害因素所致精神改变极为有效 46 NCTB 1 2简单放映时测试 SimpleReactionTimeTest 1 2 1功能测试视觉感知到手部运动反应的时间1 2 2方法当反应测定仪信号红灯亮时 受试者以尽快速度按相应开关将灯熄灭 不定时反复测试6min1 2 3评判标准记录器上可得出下列参数 正确反应次数 错误或漏失反应次数 平均反应时间 反应时间标准差 最快反应速度及最慢反应速度1 2 4评价对神经毒性检测是一敏感指标 47 NCTB 1 3数字广度测试 DigitSpanTest 1 3 1功能测试即时听觉记忆及注意力集中程度1 3 2方法分顺序和倒序两次测试 主试者用1s1个字的速度依次读出2 9位数字 要求受试者按顺序或倒序立即复述 见表21 3 3评判标准按正确复述的序列 每1序列得1分 计总分 1 3 4评价测试Hg Pb CS2暴露者获恒定的阳性结果 48 NCTB 1 4手敏捷度测试 SantaandManualDexterityTest 1 4 1功能测试手部操作的敏捷度及眼 手快速的协调能力 1 4 2方法用一木板 横12排孔 竖4排孔共48孔 每孔嵌一表面圆底座方形的柱子 柱子呈半黑半白色 受试者分别以利手和非利手在各自的30s内以尽快的速度将柱子从孔中取出 在水平位置上提转180度并将柱子放回原孔内 每手测试2次1 4 3评判标准每正确提转1个柱子得1分 最终分别求两手2次测试得分之和 1 4 4评价有机溶剂 CS2职业暴露者 手敏捷度测试得分明显降低 49 NCTB 1 5数字译码试验 DigitSymbolTest 1 5 1功能测试视觉感知 记忆 模拟及手部反应的能力1 5 2方法先向受试者展示1 9数字及其译码20s 见表3 然后在例表中填写20S 接着让受试者在表的空格内尽快地依次逐一填写相应的译码 整个测试时间90s1 5 3评判标准每填对1格得1分1 5 4评价是测试脑功能障碍的敏感指标之一 50 NCTB 1 6视觉保留记忆测试 BentonVisualRetentionTest 1 6 1功能测试几何图形组织及即时视觉记忆能力1 6 2方法先向受试者展示图1 10s 然后展示图2 要求受试者在10s内认出与图1相同的1个图形 4次 每次换1图 1 6 3评判标准按正确识别的图形打分 每识出1图得1分1 6 4评价测试有机溶剂 Hg暴露者显示为敏感 51 NCTB 1 7目标描准追击试验 ParsuitAimingTest 1 7 1功能测试手部运动速度的准确性1 7 2方法受试者用铅笔尽快在图3圈内打点 点要清晰可见 但不要触边 每次60s 测2次1 7 3评判标准计算2次测试正确打点之和非正确打点之和 圈外 触边 及2次测试打点数之总和1 7 4评价测试毒物对神经系统毒作用敏感 52 视频显示终端 VisualDisplayTerminal VDT 从事比较复杂的脑力工作和各种网络环境下的操作性工作 当需要成功完成任务时 工作负荷经常超过人们认知的负荷能力 所产生的疲劳累积不仅会导致工作绩效的下降 影响人体正常的生理和心理活动 如果不及时采取积极有效的措施防范 让其疲劳累积到一定的程度 则会造成对人的身心健康损害 53 如表5对低浓度CO Pb Hg Mn CS2 苯暴露者行为功能的调查研究发现 暴露组比对照组行为功能受到不同程度和类别的损害 对VDT操作人员及织布 验布女工行为功能的调查也得出类似