神经和神经行为毒理学课件

神经和神经行为毒理学neurotoxicology&neurobehavioraltoxicology,对神经系统的简单回顾神经毒性的损伤类型及机理迟发性神经毒性神经毒性的研究方法神经行为毒理学及研究方法,神经毒理学（neurotoxicology）,研究外源化学物引起神经系统结构和功能损害作用及其损伤机制的一门学科。,第一节神经系统的解剖、生理特点与毒作用的关系,1.神经系统的细胞组成及功能：神经细胞（神经元）：具有接受刺激和迅速传导神经冲动的能力。神经胶质细胞：对神经元起支持、保护、分隔、营养等作用。,神经元和髓鞘,神经胶质细胞Astrocytes-star-shapedcellsthathelpsupportthenutritional,immunological,andstructuralrequirementsofneurons.Oligodendrocytes-cellsresponsibleformakingtheinsulationofneuronscalledmyelin,asubstancecriticaltotheeffectivetransmissionofnerveimpulses.Microglia-cellsthatareactivatedbyinjury,infection,ordegenerationtoproduceinflammation,removedeadtissue,andhelpfightinfections.,2.突触结构示意图：,3.神经元的物质运输：,（1）神经系统的功能最复杂、反应最迅速和其它器官联系最广泛。神经系统多个器官系统,4.与毒理学有关的神经系统的解剖、生理学特点：,（2）中枢神经系统具有较高的新陈代谢率：人脑占体重：2.5左右脑的血供：15耗氧量：20每100mg脑组织每分钟需供血量50ml，耗氧3.5ml，消耗葡萄糖5.5mg，以维持能量代谢的需要。,缺血、缺氧、低血糖,毒物,损害,（3）神经系统的神经递质系统可以成为神经性毒物的靶点：递质前体、合成酶、储存囊泡、摄取及释放、受体、灭活以及降解等,（4）神经系统有其自身的结构特点（保护机制）：（a）有坚固的颅骨以及坚韧的脑脊膜脑脊膜：硬膜、蛛网膜和软膜组成（b）血-脑和血-神经屏障血脑屏障（blood-brainbarrier,BBB）由脑毛细血管内皮细胞通过紧密连接封闭形成的，内皮外有基膜、周细胞及星形胶质细胞突起的脚板围绕而形成。血脑屏障有许多不同类型的转运器，可以识别、转运特定的分子。,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，并与神经内膜相互交织。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。,死亡：不能再生，受损部位由胶质细胞增生来填充。,神经元,（5）神经细胞再生能力差：,存活：轴突损伤（可再生，但是缓慢）,第二节外源化学物对神经系统的毒作用,一、神经毒物,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,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,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。,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。,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。,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。,农药类,有机磷类、拟除虫菊酯、有机氯（开蓬、DDT）。,药物及天然毒素,鸦片、可卡因、巴比妥、地西泮、阿霉素、长春新碱、链霉素、奎宁。蛇毒、蝎毒、蓖麻子蛋白。,二、外源化学物对神经系统毒作用的表现,神经系统损伤分为：器质性损害、功能性紊乱和行为改变。,中枢神经系统病变的临床常见类型,1.中毒性神经官能症：以脑功能失调和精神障碍为主的疾病；临床表现为不同程度的神经兴奋和神经抑制的症状（可逆的）。神经衰弱综合征:以疲劳为主,表现头痛、头晕、无力、肌肉关节酸痛、失眠、记忆力减退等。（慢性中毒的早期症状和轻度中毒的表现）易兴奋症自主神经功能紊乱,毒物引起的中枢神经系统器质性病变。脑病理变化可有弥漫性充血、水肿、点状出血、神经细胞变性、坏死、神经纤维脱髓鞘。病变由大脑皮质向下扩展。大脑皮质如有广泛损害可出现脑萎缩。（1）急性中毒性脑病：（四乙铅、有机汞、有机锡、溴甲烷、二氧化碳、亚硝酸盐、一氧化碳、氰化物、二硝基苯酚）早期症状：头痛、头晕、乏力、恶心、呕吐、嗜睡等；也有以精神症状为主，如出现癔病样表现；急性中毒性脑病可恢复正常或恢复不全。,2.中毒性脑病：,（2）慢性中毒性脑病：神经毒物慢性重度暴露引起的震颤麻痹综合症（锰、二硫化碳等）中毒性精神分裂症（四乙铅、二硫化碳、汽油等）中毒性痴呆（铅、汞、铊、锰等）,1956年，水俣湾附近发现了一种奇怪的病（51人）。这种病症最初出现在猫身上（1950年），被称为“猫舞蹈症”。病猫步态不稳，抽搐、麻痹，甚至跳海死去，被称为“自杀猫”。随后不久（1953年），此地也发现了患这种病症的人。患者由于脑中枢神经和末梢神经被侵害，轻者口齿不清、步履蹒跚、面部痴呆、手足麻痹、感觉障碍、视觉丧失、震颤、手足变形，重者神经失常，或酣睡，或兴奋，身体弯弓高叫，直至死亡。当时这种病由于病因不明而被叫“怪病”。这个镇有4万居民，几年中先后有1万人不同程度的患有此种病状。此后也确认了先天性水俣病。,经数年调查研究，由日本熊本国立大学医学院研究报告证实，这是由于居民长期食用了八代海水俣湾中含有甲基汞的海产品所致。,为什么甲基汞会致毒呢？,因为甲基汞具有脂溶性、原形蓄积和高神经毒3项特性。首先甲基汞进入胃与胃酸作用，产生氯化甲基汞，经肠道几乎全部吸收进入血液（无机汞只有5%被吸收）；然后在红细胞内与血红蛋白中的巯基结合，随血液输送到各器官。氯化甲基汞进入脑细胞，还能透过胎盘，进入胎儿脑中。脑细胞富含类脂质，而脂溶性的甲基汞对类脂质具有很高的亲和力。所以很容易蓄积在脑细胞内。甲基汞分子结构CH3HgCl中的C-Hg键结合得很牢固，不易断开，在细胞中呈原形蓄积，以整个分子损害脑细胞，这种损害的表现具有进行性和不可恢复性。因此，水俣病是环境污染中有毒微量元素造成的最严重的公害病之一。,毒物损伤单一的周围神经而导致单神经炎，如铅桡神经麻痹；三氯乙烯三叉神经麻痹。多神经炎可在急性中毒的早期出现，如铊、CO中毒；而砷、有机磷农药中毒多在发病后2-3周才出现，称为迟发性神经炎。,3.中毒性神经炎：有毒化学物损害周围神经导致的病变，表现为单神经炎或多神经炎。,迟发性神经毒性（delayedtoxicity）:,在中毒症状发生后814天，再出现的较持久的神经中毒症状，主要表现为迟缓性麻痹或轻瘫，而后出现脊髓损伤体征，如共济失调或强直。多见于有机磷农药中毒。,(1).有机磷杀虫药中毒概况：,有机磷农药中毒占急诊中毒的49.1%，居各种中毒之首在中毒死亡者中因服有机磷农药中毒致死者占83.6%国外经验表明,推广急性有机磷农药中毒标准化及规范化治疗是降低死亡率的重要措施,(2).有机磷杀虫药理化性质,有机磷杀虫药呈油状或结晶状，淡黄至棕色，稍有挥发性有蒜味难溶于水，不易溶于多种有机溶剂在碱性条件下易分解失效较易通过皮肤和黏膜、呼吸道及消化道吸收有机磷的化学结构式,(3).常见的有机磷杀虫剂,剧毒类（LD5010mg/kg）中度毒类（LD50在1001000mg/kg）,高毒类（LD50在10100mg/kg）低毒类（LD50在10005000mg/kg）,甲拌磷（3911）,内吸磷（1059）,对硫磷（1605）,毒鼠磷,(4).病因,使用性中毒,生活性中毒,生产性中毒,(5).毒物的吸收和代谢,迅速分布全身各脏器以肝浓度最高其次为肾、肺、脾肌肉和脑最少,主要在肝内代谢进行生物转化,主要经胃肠道、呼吸道、皮肤和黏膜吸收,氧化后毒性反而增强,吸收后612小时血中浓度达高峰,通过肾由尿排泄,48小时后完全排出体外,有机磷农药和胆碱酯酶结合示意图,(6).中毒机制,体内胆碱酯酶的分布和作用,胆碱酯酶（体内）真性假性乙酰胆碱脂酶丁酰胆碱脂酶存在于中枢神经系统灰质存在于中枢神经白质红细胞血清、肝、交感神经节肠黏膜下层、运动终板腺体中水解乙酰胆碱作用最强水解丁酰胆碱（难水解乙酰胆碱）,中毒机制,(7).临床表现,急性胆碱能危象：毒蕈碱样症状（muscarinicsymptoms)烟碱样症状(nicotinicsymptoms)中枢神经系统症状中间型综合征（intermediatesyndrome)迟发性神经病(delayedpolyneuropathy),毒蕈碱样症状,副交感神经末梢兴奋：平滑肌痉挛和外分泌腺分泌增强临床表现：多汗、流涎、口吐白沫、恶心、呕吐、腹痛、腹泻、大小便失禁、流泪、流涕、视物模糊、瞳孔缩小、心率减慢、咳嗽、气急、呼吸道分泌物增多、支气管痉挛、两肺干性罗音、严重者发生肺水肿或呼吸衰竭死亡,烟碱样症状,乙酰胆碱在横纹肌神经肌肉接头处过度蓄积和刺激横纹肌纤维束颤动（面、眼睑、舌、四肢）全身肌肉强直性痉挛全身性紧束和压迫感肌力减退瘫痪呼吸肌麻痹呼吸衰竭乙酰胆碱刺激交感节后纤维释放儿茶酚胺血管收缩，心率增快、血压升高、心律失常,中枢神经系统症状,受乙酰胆碱刺激后出现头昏、头痛、疲乏、共济失调、烦燥不安、谵妄、抽搐和昏迷等,中间型综合征,与胆碱酯酶受到长期抑制，影响神经-肌肉接头处突触后功能有关常发生在急性中毒症状恢复后1-4天表现为颈屈肌、脑神经支配肌、肢体近侧肌和呼吸肌瘫痪通常4-18天缓解，严重者发生呼衰死亡,迟发性多发性神经病,多在急性中毒症状消失后2-3周发生出现感觉、运动型多发性神经病变表现主要累及肢体末端,下肢瘫痪、四肢肌肉萎缩,第三节、神经毒性作用机制,1.神经元损伤2.轴病3.微管相关的神经毒作用周围神经病4.髓鞘病5.神经传递与神经毒性,1.神经元损伤（neuronopathy）：,2.轴索病（axonopathy）：,己二醇二甲基己二醇亚胺二丙腈吡啶硫铜,轴索损害有关的化学物：丙稀酰胺、二硫化碳、秋水仙素、金、有机磷、己烷、紫杉醇、长春新碱等等,微管相关的神经毒作用周围神经病（peripheralneuropathy）：,微管蛋白,微管,秋水仙素,紫杉醇,3.髓鞘病（myelinopathies）：,髓鞘损害有关的化学物：溴化乙啶，EB,4.神经传递相关的神经毒性（transmissiontoxicity）,常见神经毒性相关化学物：苯丙胺、阿托品、可卡因、烟碱等等,最强的脊椎动物神经递质释放激动剂之一的黑寡妇毒素(latrotoxin)可引起囊泡内的神经递质暴发性非特异释放，随之破坏神经末梢。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。肉碱毒素阻断神经肌肉接头处的神经递质乙酰胆碱的释放，引起迟缓性瘫痪。破伤风毒素阻断脊髓抑制性神经元产生的氨基酸类神经递质释放，导致肌肉强直，进一步发展为致死性僵硬和痉挛性抽搐。一些动物毒素如金环蛇毒素作用于突触前，通过特异的减少递质的释放以阻断神经肌肉传递从而致使从而致使运动终板对神经刺激不起反应。,第四节、神经系统和行为毒理学研究方法与评价,1.人体的研究：临床观察或者检查（神经学检查、电生理检查、生化检查）2.动物研究：（1）功能试验组合（functionalobservationalFOB，USEPA1994）：自主体征、感觉、运动、生命体征（2）神经学检查（3）形态学检查：病理（4）电生理（5）生化检查：相应的酶、靶蛋白3.神经元细胞的体外培养,一、神经毒理学研究方法,1.功能试验组合（FOB）,2.神经学检查,脑神经运动功能检查反射性检查步态异常检查（通常提示神经毒性作用部位）,3.形态学检查,神经元胞体神经元核周体轴突的近端或远端髓鞘星型胶质细胞内皮细胞肉眼和光学显微镜观察基本病变在解剖学水平确定毒性作用的精确部位同时采用细胞学、神经组织化学和电镜超微结构水平的检查有助于神经病变的诊断及作用机理的了解。,4.电生理检查,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。神经毒性作用可表现为：异常的插入性活动；静息肌肉的自发性电活动；随意性肌肉收缩期间，运动单位出现干扰图形。用电生理学检查药物所致的病理生理变化，持别是对了解药物对神经系统的起始作用有一定意义。,5.生化检查,糖代谢过程中涉及的酶系统蛋白质合成亚细胞结构髓鞘成分神经系统特殊位点的神经递质水平通过使用促效剂和拮抗剂，观察神经递质受体的结合情况。,6.神经细胞培养,培养一天的新生大鼠海马神经元,培养7天的大鼠海马神经元,培养7天的大鼠大脑皮质神经元细胞,培养9天的大鼠海马神经元,7.迟发性神经病,动物：母鸡每剂量组动物数量三个不同剂量的试验组阳性对照