毒理学基础绪论

毒理学基础绪论FoundationsofToxicology,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（主要是化学物质）对生物机体的损害作用及其机制的科学。,毒理学,“Thedosemakesthepoison.”,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,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(toxicity)指某种化学物对机体产生有害作用的能力。危害性(hazard)定性表示外源化学物对机体产生有害作用的可能性。安全性(safety)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。安全性是一个相对的概念。危险性(risk)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(safetyfactor),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（acceptabledailyintake，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（tolerableintake，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（referencedose，RD）参考浓度（referenceconcentration，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（maximalallowableconcentration，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（TheTherapeuticIndex，TI）,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(absolutelethaldose，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(minimumlethaldose，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(maximaltolerancedose，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(medianlethaldose，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(lowestobservedadverseeffectlevel，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（noobservedadverseeffectlevel,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(thresholddose)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(exposuredose)指外源化学物与机体的接触量。吸收剂量(absorbeddose)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(targetdose)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(spectrumoftoxiceffects)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（targetorgan）。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(biomarkerofexposure)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(biomarkerofeffect)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(biomarkerofsusceptibility)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,三毒理学发展趋势,毒理学研究规范化和标准化组学技术的应用和系统毒理学的发展毒性测试策略的转变3Rs在毒理学研究中的应用转化毒理学,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(GoodLaboratoryPractice)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(StandardOperationProcedure）保证-QAU（QualityAssuranceUnit）,毒理学发展趋势,组学技术的应用和系统毒理学的发展,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199819981999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/MSNMR/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/SPCOMET,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定蛋白质群体的改变。核心技术：二维凝胶电泳蛋白质分离识别技术质谱分析鉴定技术,代谢组学,代谢组: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。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。主要研究手段：核磁共振(NMR)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。,系统毒理学,通过生物信息学和计算毒理学技术整合机体暴露后在不同剂量、不同时点的基因表达谱、蛋白质表达谱和毒物代谢谱的改变等分子、细胞、组织等不同研究层次的高通量信息，结合传统毒理学的研究资料，系统研究外源性化学物和环境应激等与机体的交互互作用，从损伤发生主要环节的整体出发，定量描述生物功能、表型和行为，阐明毒性通路和毒作用机制，揭示联合（复合）暴露效应，发现新的生物标志，深入进行安全性评价和危险度评定，实现毒物毒性的快速筛选、预测和分类。,毒理学发展趋势,毒性测试策略的转变,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)使用实验动物毒理学替代法（ToxicologyAlternatives)包括用组织学、胚胎学、细胞学或计算机等方法取代整体动物实验,以低等动物取代高等级动物等,3Rs及替代方法在毒理学研究中的应用,替代法的基本方法,体外技术及人类模型的使用培养的细胞、组织、器官低等物种的利用如植物、细菌、真菌、昆虫、软体动物、早期发育阶段脊椎动物物理化学方法与计算机的使用定量结构-活性关系(QSAR)毒性预测评价,ECVAM验证并被OECD列入化学物测试指南的方法急性毒性替代方法固定剂量法(flxeddose