第二章-毒理学基本概念VIP

王取南,第二章毒理学基本概念BasicConceptsofToxicology,目的要求,掌握毒理学重要概念、剂量反应关系掌握常用毒性指标及意义熟悉毒理学研究方法熟悉安全限值指标及意义了解剂量反应曲线的转换,内容,第一节毒性和毒效应第二节外源化学物作用于人体的毒效应谱第三节剂量和剂量-反应关系第四节毒理学的研究方法第五节毒性参数和安全限值,第一节毒性和毒效应,一、外源化学物和毒性二、损害作用与非损害作用,一、外源化学物和毒性,外源化学物（xenobiotics）是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”。(Gr.Xenosmeaning“strange”)*内源化学物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。如含氧自由基、含氮自由基、同型半胱氨酸等。,Xenobioticsmaybenaturallyoccurringchemicalsproducedbyplants,microorganisms,oranimals(includinghumans).毒素（toxin）Xenobioticsmayalsobesyntheticchemicalsproducedbyhumans.毒物（toxicant）,Xenobiotics,Poisonsarexenobiotics,butnotallxenobioticsarepoisonous.,毒性（toxicity）是指化学物引起有害作用的固有能力。毒效应（toxiceffect）化学物对机体产生的有害作用。毒效应是化学物毒性在某些条件下引起机体有害的生物学改变。中毒（poisoning）是生物体受到毒物作用而引起的功能性或器质性改变后出现的疾病状态。毒物（poison）是指在较低的剂量下可导致机体损伤的物质，是法规管理的名词。,毒性,某些化学物的半数致死剂量(LD50),RelationshipbetweenAnimalLD50ValuesandtheQuantityofChemicalforHumanLethality,1U.S.tablespoon=14.8mL=3teaspoons,毒物分类,工业毒物：如生产原料、辅料、中间体等；环境污染物：如废水、废气、废渣中的各种学物质；食品中有毒成分：如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等；农用化学物：如农药、化肥、生长激素等；生物性毒素(Toxin)：如动物毒素、植物毒素等；嗜好品(如卷烟)、化妆品、其他日用品中的有害成分；医用药物：如药物、消杀剂等；军事毒物：如芥子气等战争毒素；放射性核素：如放射性核素、天然放射性元素等。,按用途和分布范围分为：,分类方法：依研究重点和需求分类，如按靶器官、用途、来源、效应进行分类,二、损害作用与非损害作用,损害作用（adverseeffect）指影响机体行为的生物化学改变、功能紊乱或病理损害,或者降低对外加环境应激的反应能力。在试验中观察到的效应，是否是有害效应，依赖于该效应的性质,需要专家的判断。例如，有机磷酸酯农药引起的血浆胆碱酯酶抑制不应认为是毒性效应，虽然可作为暴露标志物。肝重量的可逆性增加可能是适应性反应，而不是毒效应，但需要进行辅助的研究。有害作用也有称为健康效应（healtheffect）。,非损害作用（non-adverseeffect）机体发生的生物学变化应在机体适应代偿能力范围之内，机体对其它外界不利因素影响的易感性也不应增高。健康VS疾病状态非损害作用VS损害作用。,第二节外源化学物作用于人体的毒效应谱,一、毒效应谱二、毒作用分类三、选择性毒性、靶器官和高危险人群四、生物学标志,一、毒效应谱spectrumoftoxiceffects,机体对外源化学物的负荷增加意义不明的生理和生化改变亚临床改变临床中毒死亡毒效应谱还包括致癌、致突变和致畸胎作用。,人群对环境有害因素的反应的金字塔形分布,适应（adaptation）：机体对一种通常能引起有害作用的化学物显示不易感性或易感性降低。抗性（resistance）：用于一个群体对于应激原化学物反应的遗传机构改变，以至与未暴露的群体相比有更多的个体对该化学物不易感。抗性产生必需有化学物的暴露及随后的繁殖遗传。耐受（tolerance）：指个体获得对某种化学物毒作用的抗性，通常是早先暴露的结果，导致对该化学物毒作用反应性降低的状态。主要机制：（1）到达毒作用靶部位的毒物量减少（处置性耐受）如CCl4和镉。（2）某组织对该化学物的反应性降低。耐受也可用于在暴露前即有高频率的抗性基因的群体。,二、毒作用分类,速发与迟发性毒作用ImmediateversusDelayedToxicity局部与全身毒作用LocalversusSystemicToxicity可逆与不可逆作用ReversibleversusIrreversibleToxicEffects超敏反应hypersensitivity，AllergicReactions特异体质反应IdiosyncraticReactions,三、选择性毒性、靶器官和高危险人群,选择性毒性(selectivetoxicity)一般指物种之间的毒性差异。现认为是毒作用的普遍特点，可发生在物种之间、个体内器官或系统之间(易感器官为靶器官)和群体内个体之间(易感人群为高危险人群)。,Selectivetoxicitymeansthatachemicalproducesinjurytoonekindoflivingmatterwithoutharminganotherformoflifeeventhoughthetwomayexistinintimatecontact.,靶器官TargetOrgan,外源化学物可以直接发挥毒作用的器官。毒效应的强弱，主要取决于毒物在靶器官中的浓度。成为靶器官的原因：器官在体内的解剖位置和功能,毒物吸收和排泄器官；该器官的血液供应；具有特殊的摄入系统；代谢毒物的能力和活化/解毒系统平衡；存在特殊的酶或生化途径；毒物与特殊的生物大分子结合；对损伤的修复能力；对特异性损伤的易感性。,TargetOrgans:MechanismsofAction,Adverseeffectscanoccuratthelevelofthe:MoleculeCellOrganOrganismToxicantcaninteractwith:ProteinsLipidsDNA,高危险人群highriskgroup,易受环境因素损害的那部分易感人群个体对潜在的环境健康危害的“危险性谱”由3个因素构成：暴露于环境有害因子；发生暴露特定的时间；个体对该环境有害因子的易感性。,高危险人群和一般人群对环境有害因素的剂量-反应关系,个人易感性的生物学基础年龄性别遗传因素：遗传多态性营养及膳食情况疾病状况其它：有些因素使人体暴露污染物的机会增多。适应和耐受对个体易感性也有重要的作用。,四、生物学标志,生物学标志(biomarker)是指外源化学物通过生物学屏障并进入组织或体液后，对该外源化学物或其生物学后果的测定指标，可分为暴露生物学标志（biomarkerofexposure）效应生物学标志（biomarkerofeffect）易感生物学标志（biomarkerofsusceptibility）,从暴露到健康效应的模式图和与生物学标志的关系,Whybiomarkersareimportant,Providequantitativeinformationaboutexposure,earlybiologiceffectandindividualsusceptibilityFillinimportantgapsintheexposure-to-diseasecontinuumIncreaseourunderstandingofchemicaltransportandtransformationinthebodyHighlightinteractionsatthecellularandmolecularlevelsthatleadtotoxicendpoints,第三节剂量和剂量-反应关系,一、剂量和暴露特征二、剂量-反应关系和量反应、质反应三、量反应和剂量-效应曲线四、质反应和剂量-反应曲线五、毒物兴奋效应六、时间因素,Paracelsus,Swiss/German/AustrianphysicianParacelsus(1493-1541)creditedwithbeing“thefatherofmoderntoxicology.”,“Whatistherethatisnotpoison?Allthingsarepoisonandnothingiswithoutpoison.Solelythedosedeterminesthatathingisnotapoison.”,EffectsofAmountonDose,Increasingtheamountofchemicalforthesamesizeoforganism,Doseincreases,EffectsofSizeonDose,Asmallersizeoforganismwiththesameamountofchemical,Doseincreases,一、剂量和暴露特征,给予剂量(administereddose)：又称潜在剂量(potentialdose)是指机体实际摄入、吸入或应用于皮肤的外源化学物的量。应用剂量(applieddose)：是指直接与机体的吸收屏障接触可供吸收的量。内剂量(internaldose)：又称吸收剂量(absorbeddose)是指已被吸收进入体内的量。送达剂量(delivereddose)：是指内剂量中可到达所关注的器官组织的部分。生物有效剂量(biologicallyeffectivedose)，又称靶剂量(targetdose)是指送达剂量中到达毒作用部位的部分。,Whatfactorsdeterminethedoseofatoxicantthatcausesharm?,TheconcentrationofthetoxicantThechemicalpropertiesofthetoxicantThenumberoftimesofexposure(frequency)Thelengthoftimeofexposure(duration)Howitgetsintothebody(exposurepathway),RoutesofExposure,Skin(dermal),Lung(inhalation),Oral(gut),Injection,DurationofExposure:Howlongtheexposurelasted,接触期限急性毒性试验24小时内一次或多次染毒亚急性毒性试验在1个月或短于1个月的重复染毒亚慢性毒性试验在1个月至3个月的重复染毒慢性毒性试验在3个月以上的重复染毒,Acute,Subacute,Subchronic,Chronic,FrequencyofExposure,接触频率,在不同的染毒频率和消除率的条件下，剂量和靶器官内浓度的关系,重复染毒引起毒作用的关键因素是暴露频率，而不是暴露期限,LineA.Achemicalwithveryslowelimination(e.g.,half-lifeof1year).LineB.Achemicalwitharateofeliminationequaltofrequencyofdosing(e.g.,1day).LineC.Rateofeliminationfasterthanthedosingfrequency(e.g.,5h).Theblue-shadedareaisrepresentativeoftheconcentrationofchemicalatthetargetsitenecessarytoelicitatoxicresponse.,二、剂量-反应关系和量反应、质反应,剂量-效应关系(dose-effectrelationship)或剂量-反应关系(dose-responserelationship)随着外源化学物的剂量增加，对机体的毒效应的程度增加，或出现某种效应的个体在群体中所占比例增加。以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率或比值为纵坐标，以剂量为横坐标，绘制散点图，可得出剂量-效应曲线和剂量-反应曲线。合理应用剂量-反应关系概念的前提：所研究的反应是由化学物接触引起的；反应的强度与剂量有关；要有定量测定毒性的方法和准确表示毒性大小的手段。,研究剂量-反应关系的意义,助于发现化学物的毒效应性质；得到的有关参数可用于比较不同化学物的毒性；有助于确定机体易感性分布；是判断某种化学物与机体出现的某种损害作用存在因果关系的重要依据；是安全性评价和危险性评价的重要内容。,效应和反应,效应(effect)是量反应（gradualresponse），表示暴露一定剂量外源化学物后所引起的一个生物个体、器官或组织的生物学改变。此种变化的程度用计量单位来表示。反应(response)是质反应(quantalresponse)，指暴露某一化学物的群体中出现某种效应的个体在群体中所占比率，一般以百分率或比值表示，如死亡率、肿瘤发生率等。其观察结果只能以“有”或“无”、“异常”或“正常”等计数资料来表示。,剂量-效应关系和剂量-反应关系的比较,量反应的量-效曲线提示了毒物的最大效能；质反应的量-效曲线提示群体对毒物反应的差异,doseresponserelationship,三、量反应和剂量-效应曲线,受体毒理学receptortoxicology,在游离器官/组织的量反应,receptortoxicology,二噁英多环芳烃,氨基连三唑己烯雌酚(DES)视黄酸TCDD,氯贝特邻苯二甲酸酯苯氧基除草剂,量反应和剂量-效应曲线,在整体动物的量反应很多的类型效应能被表示成量反应，例如在生长速率(体重)，器官重量改变，血压和葡萄糖水平上升或下降。量反应能在单个个体被测量。剂量-效应关系包括不同的剂量组效应的均值和标准差。从剂量-效应关系确定受试物的LOAEL和NOAEL。,在整体动物的量反应,Doseresponserelationshipbetweendifferentdosesoftheorganophosphateinsecticidechlorpyrifosandesteraseenzymeinhibitioninthebrain.,OpencirclesandbluelinesrepresentacetylcholinesteraseactivityandclosedcirclesrepresentcarboxylesteraseactivityinthebrainsofpregnantfemaleLong-Evansratsgiven5dailydosesofchlorpyrifos.,Individualdoseresponserelationshipforanessentialsubstancesuchasavitaminortraceelement.,四、质反应和剂量-反应曲线,许多毒理学研究主要不是关心量反应，而是在特定的剂量时某种毒效应是否发生，例如死亡或诱发肿瘤。半数有效剂量（Effectivedose）ED50半数中毒剂量（Toxicdose）TD50半数致死量（Lethaldose）LD50,实验动物个体对外源化学物的易感性分布和剂量-反应关系的模式图,个体易感性,完全相同,成正态分布,成偏态分布,S形剂量-反应曲线向直线的转换,五、毒物兴奋效应hormesis,Hormeticeffectsofasubstancearehypothesizedtooccurwhenrelativelylowdosesresultinthestimulationofabeneficialorprotectiveresponse(B),suchastheinductionofenzymaticpathwaysthatprotectagainstoxidativestress.,Hormesis,aU-shapeddoseresponsecurve,resultswithsomexenobioticsthatimpartbeneficialorstimulatoryeffectsatlowdosesbutadverseeffectsathigherdoses.,Doseresponserelationdepictingthequantitativefeaturesofhormesis.,E.J.Calabreseetal./ToxicologyandAppliedPharmacology222(2007)122128,Thecellularandmolecularinformationflowthatmediateshormesisinorganismsandcells.,M.P.Mattson/AgeingResearchReviews7(2008)17,hormesis,Modelfortheinvolvementofhormesisinthebeneficialeffectsoflifestyle,dietanddrugsonhealth.,六、时间因素,发生效应前的时间：在单次给予剂量后，经分布在靶器官达到有效浓度产生毒效应的时间；在长期暴露期间，经蓄积在靶器官达到有效浓度或导致最终病理损害的效应蓄积产生毒效应的时间。效应持续的时间。,动物试验,体内试验invivotest,体外试验invitrotest,一般毒性试验,特殊毒性试验,微生物试验,哺乳动物试验,急性毒性亚急性毒性亚慢性毒性慢性毒性,致突变致癌致畸,致突变,器官水平组织水平细胞水平亚细胞水平分子水平,第四节毒理学的研究方法,毒理学研究方法的优缺点,第五节毒性参数和安全限值,一、毒性参数和安全限值二、剂量-反应关系比较,一、毒性参数和安全限值,毒性的描述方法,比较相同剂量外源化学物引起的毒作用强度,比较引起相同的毒作用的外源化学物剂量,毒性参数,毒性上限参数（在急性毒性试验中以死亡为终点的各项毒性参数）,毒性下限参数（观察到有害作用最低水平及最大无有害作用剂量）,毒性参数和安全限值,绝对致死剂量/浓度absolutelethaldoseorconcentration,LD100/LC100半数致死剂量/浓度medianlethaldoseorconcentration,LD50/LC50指引起一组受试实验动物半数死亡的剂量或浓度。半数致死浓度LC50，即能使一组实验动物在经呼吸道暴露外源化学物一定时间(一般固定为2或4小时)后，死亡50%所需的浓度(mg/m3)。半数耐受限量mediantolerancelimit,TLm表示一种外源化学物对某种水生生物的急性毒性，即一群水生生物(如鱼类)中50%个体在一定时间(48h)内可以耐受(不死亡)的某种外源化学物在水中的浓度(mg/L)，一般用TLm48表示。最小致死剂量/浓度minimallethaldoseorconcentration,MLD，LD01/MLC，LC01最大非致死剂量/浓度maximumnon-lethaldoseorconcentrationLD0或LC0,1.致死剂量或浓度：指在急性毒性试验中外源化学物引起受试实验动物死亡的剂量或浓度，通常按照引起动物不同死亡率所需的剂量来表示。,2.观察到有害作用的最低水平lowestobservedadverseeffectlevel,LOAEL在规定的暴露条件下，通过实验和观察，一种物质引起机体（人或实验动物）某种有害作用的最低剂量或浓度，此种有害改变与同一物种、品系的正常（对照）机体是可以区别的。3.未观察到有害作用水平noobservedadverseeffectlevel，NOAEL在规定的暴露条件下，通过实验和观察，一种外源化学物不引起机体（人或实验动物）可检测到的有害作用的最高剂量或浓度。机体（人或实验动物）在形态、功能、生长、发育或寿命改变可能检测到，但被判断为非损害作用。在讨论LOAEL或NOAEL时应说明具体条件，并注意该LOAEL有害作用的严重程度。LOAEL或NOAEL是评价外源化学物毒作用与制订安全限值的重要依据。,4.观察到作用的最低水平lowestobservedeffectlevel,LOEL在规定的暴露条件下，通过实验和观察，与适当的对照机体比较，一种物质引起机体某种作用（非有害作用，如治疗作用）的最低剂量或浓度。5.未观察到作用水平noobservedeffectlevel，NOEL在规定的暴露条件下，通过实验和观察，与适当的对照机体比较，一种物质不引起机体任何作用（有害作用或非有害作用）的最高剂量或浓度。,6.阈值（Threshold）：为一种物质使机体（人或实验动物）开始发生效应的剂量或浓度，即低于阈值时效应不发生，而达到阈值时效应将发生。一种化学物对每种效应(有害作用和非有害作用)都可分别有一个阈值。对某种效应，对易感性不同的个体可有不同的阈值。同一个体对某种效应的阈值也可随时间而改变。有害效应阈值应在NOAEL和LOAEL之间，非有害效应阈值应在NOEL和LOEL之间。目前，一般认为，外源化学物的一般毒性(器官毒性)和致畸作用的剂量-反应关系是有阈值的(非零阈值)，而遗传毒性致癌物和性细胞致突变物的剂量-反应关系是否存在阈值尚没有定论，通常认为是无阈值(零阈值)。,致癌试验的表观剂量-反应曲线,2AAF“百万小鼠（megamouse）”试验结果,24192只小鼠试验的计划18m生产小鼠和分组9m实验和分析用了4y共花费约700万美元,利用动物致癌试验，精确研究低水平肿瘤发生率的剂量-反应关系是不可能的。此后，一般都认为遗传毒性致癌物是没有可检测的阈值，没有必要进行更大规模的致癌试验。,安全限值safetylimit,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Uncertainfactors,UF,safetyfactor,SF利用药动学外推利用数学模型,100倍不确定系数/安全系数的构成（Renwick,1993）,对毒效应有阈值的化学物,制定安全限值的前提是必须从动物实验或人群调查得到LOAEL或NOAEL,为保护人群健康，对生活和生产环境和各种介质(空气、水、食物、土壤等)中与人群身体健康有关的各种因素(物理、化学和生物)所规定的浓度和暴露时间的限制性量值，在低于此种浓度和暴露时间内，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。也就是说，在低于此种浓度和暴露时间内，对个体或群体健康的危险是可忽略的。,每日容许摄人量(acceptabledailyintake，ADI)可耐受摄入量(tolerableintake，TI)参考剂量/浓度(referencedose，RfD/RfC)最高容许浓度(maximalallowableconcentration，MAC),实际安全剂量(virtualsafetydose,VSD)化学致癌物的VSD，是指低于此剂量能以99%可信限的水平使超额癌症发生率低于10-6，即100万人中癌症超额发生低于1人。,对毒效应无可确定阈值的化学物,遗传毒性致癌物和致突变物,各种毒性参数和安全限值的剂量轴,二、剂量-反应关系比较,1比较剂量-反应关系,有效剂量（ED）、中毒剂量（TD）和致死剂量（LD）的比较,急性毒作用带（acutetoxiceffectzone,Zac）为半数致死剂量与急性阈剂量的比