对毒理学量效关系模型的思考

对毒理学量效关系模型的思考

事实上，包括所有应用剂量-反应关系的生物学科，在确定低剂量范围内的剂量-反应关系的性质方面经历了历史的变化。近5~10年毒理学界对毒物兴奋-抑制量效关系模型(Hormesis或hormeticdose-responsemodel)的认可和接受,使统治毒理学长达近一个世纪之久的阈值量效模型受到了巨大挑战。2002年,Calabrese和Baldwin将毒物兴奋-抑制效应(hormesis)定义为:hormesis是一种适应性反应,其特征是双向剂量效应,刺激反应可直接诱导,也可能是稳态遭到破坏后代偿的生物学过程。反应的幅度及范围一般具有相似的定量特征。hormetic效应是机体重建和维持稳态时,在一定的范围内调整资源分配常用的进化策略。Hormesis的特征是低剂量兴奋、高剂量抑制,量效曲线呈倒置的U型或J型。Hormesis广泛、频繁出现于各类生物模型、研究终点和受试化学物质、物理因素,hormesis量效关系对非致癌物和致癌物的高度一致性使毒理学家看到了统一非致癌物和致癌物危险评价程序的曙光,而接受Hormesis假说将会对毒理学家带来什么样的挑战,对危险评价程序、毒理试验的研究设计带来什么样的影响,是值得关注的问题。本文就毒理学中量效关系的历史变革、默认量效关系模型选择的标准、接受Hormesis所引发的问题及目前对Hormesis提出的异议作一介绍。1低剂量测量的危险阈值:来自试验的一个物过去一个世纪,毒理学家、药理学家及其他科学家普遍认为量效关系的基本特征是阈值,暴露量超过阈值即引起效应,低于阈值则不出现作用。阈值量效关系模型源于许多生物学现象,量效曲线呈S型,在极端处不对称地接近0或100%。1933年Gadum创造了概率量效关系模型,对S型量效关系进行改进,使之适于实际应用。后来Bliss又进行了改良,使之在生物亚学科中得以广泛应用,成为20世纪毒理学及其相关学科量效关系框架演变的最重要的基础。量效关系的核心——阈值,影响着毒理学研究的目的、毒理实验的设计、生物模型、终点观察指标及样本量的选择,以及如何将高剂量数据外推到低剂量和临床试验的性质。但在评估低剂量致癌物暴露的危险阈值时,量效关系模型遇到了挑战。此时,国际顾问委员会和美国管理机构(如EPA、FDA)普遍不再采用阈值模型而倾向于采用低剂量线性模型(linearnothreshold,LNT)。LNT模型以保护主义者的公共卫生伦理学(LNT模型完全从保护人类健康出发,认为致癌物的暴露剂量越低越好,而不考虑达到这些暴露剂量的经济成本)为基础,但实际上无论是用啮齿类动物的实验室研究还是流行病学研究,都无法证实LNT模型的预测性。过去几年中,越来越多的生物医学毒理学文献报道了毒物兴奋-抑制量效关系模型。该模型的特征是低剂量产生兴奋效应(刺激反应),而高剂量时产生抑制效应,根据测定终点的不同,曲线呈倒置的U形或J形。其实,早在1887年,Schulz就发现了双向量效关系,1943年,Southan等才创造了hormesis这个名词来定义这一现象,但直到现在,hormesis才受到广泛关注。Hormesis长期被忽视的原因有:hormesis与顺势疗法密切相关,毒理学者及管理部门长期关注毒物高剂量下的作用,试图在传统的危害评价程序中确定未观察到有害作用的剂量(NOAEL)和观察到有害作用的最低剂量(LOAEL)。这种高剂量的毒理学观念也渗透到实验程序中,使研究者只需采用几个剂量(多数研究只设对照组、2个或3个剂量组)。由于剂量数有限,重点又在于得出NOAEL和LOAEL,因此绝大多数量效关系由于研究设计不周而无法体现hormetic效应。此外,NOAEL及低于NOAEL的邻近剂量常出现低水平的毒性作用,但这些反应较弱,与对照比较无显著的统计学差异。这些因素共同促使在过去一个世纪里,毒理学家错误地认为最基本的量效关系模型是阈值模型而非hormetic模型。2缺陷量效关系模型的选择2.1计算量效关系模型缺省(默认)量效关系模型一般是各管理机构在推算毒性物质(非致癌物或致癌物)的可允许暴露量时,在无确凿证据证明相反的情况下,通常采用的量效关系模型。在美国,EPA采用阈值量效关系模型估计非致癌物的暴露量,采用低剂量多阶段线性模型估计致癌物的暴露危险。由于受社会价值因素的影响,在决策制定的过程中,倾向于采用估计低剂量下的高危险的默认模型,由此导致产生相对于其它模型来说更为保守的暴露标准。2.2horetic量效关系模型的普遍应用缺省(默认)模型应该既具有全面的理论基础,又具有实验室或经验数据的支持。具体应该考虑以下8个方面:(1)该模型在生物模型、观察终点、各种化学物质和物理因素等方面的涵盖性涵盖性是选择默认模型时考虑的最重要的因素,因为只有这样的模型才能为预测提供最广泛、最可信的框架。而Hormesis就是根据满足评价标准的成千上万个量效关系提出来的。(2)毒理学文献中各种模型出现的频率一般毒理学实验所设剂量组很少,不可能区分是阈值模型还是线性模型,尤其在致癌实验中,低剂量外推模型占主导地位。同一实验的数据常常既符合线性模型又符合阈值模型。因此难以回答各模型在毒理学文献中出现的频率。Calabrese和Baldwin创建的HoremesisDatabase和HormesisFrequencyDatabase数据库对hormetic量效关系在毒理学文献中出现的频率作了估计。数据库对BulletinofEnvironmentalContaminationandToxicology、EnvironmentalPollution、LifeSciences3种期刊上的文献作了评估,这3种期刊上发表的许多文章与生态毒理学和人类相关毒理学有关。分析发现hormetic效应在经过专家评审的文献中常见,与所发表的期刊、研究时间、生物模型、观察终点、受试化学物质的种类无关。说明hormetic量效关系模型在毒理学文献中是一种普遍现象。但由于研究设计不周密(如剂量组数不够、剂量间距不适、缺乏时间因素)、所选择的观察终点背景发生率、统计学效力等多种可能的因素,人们并未经常发现hormetic量效关系的存在。Calabrese和Baldwin就毒理学文献中hormetic量效关系出现频率的检索结果向阈值模型和线性模型提出了巨大挑战。检索数据表明,低于NOAEL的剂量引发的效应并非像阈值模型预测的那样随机分布在对照值以上和以下,而是以与hormetic模型高度一致的方式非随机分布。提示hormetic模型确实较常见的阈值模型出现得更为频繁。这一结果对EPA等管理机构选择默认量效关系模型有较大影响,因为数据库所用数据直接来源于3种毒理学杂志,研究的物质是大家普遍认为的环境污染物,其中许多是EPA管理的污染物。(3)量效模型在危险度评价相关终点中的应用危险度评价所用的观察终点常与器官特异毒性、肿瘤形成、行为改变、呼吸道刺激、呼吸功能下降等有关。如果对照组疾病发生率低,则不可能发现hormetic效应,此时阈值模型可能占主导地位。如果因为上述原因不能在疾病发生率背景值很低的生物模型中证明Hormesis,而在疾病发生率背景值较高的生物模型中采用同样的观察终点令人信服地证明了Hormesis的存在,则仍可接受hormetic模型是可行的量效模型。(4)量效模型评估假阳性、假阴性的能力Calabrese和Baldwin就hormesis量效频率假阳性、假阴性的绝对值和相对值作了估计。发现假阳性、假阴性的绝对值均很低,假阴性率(9.7%)约为假阳性率(3.5%)的3倍。鉴于假阳性、假阴性的绝对值均较低,那么对hormetic频率的估计似乎应该是稳定的。(5)量效模型对危害评价研究要求的影响传统的危害评价方法(如动物模型,研究设计因素包括样本量、剂量组数、剂量间隔、观察时间和测定终点等)的设计常采用有限的几个剂量值来估计LOAELs、NOAELs,以获得非致癌物的参考剂量(RfDs)或模拟低剂量下的致癌效应。hormetic模型可像其他竞争模型一样利用这些危险评价信息提供危险评估。因此,无需改变现有的危害评价方法以适应默认的hormetic量效模型。如果研究者想在低于NOAEL的剂量下证实hormetic模型的存在,则有必要修改。hormetic量效关系模型是基于大量确定hormetic刺激反应定量特征的数据提出来的。这些数据为在hormetic水平作出毒理学预测提供了基础。大多数政府强制实施的危害评价研究设计因剂量组数不够、普遍缺乏时间因素而不足以评价hormesis。但要求现行的危害评价方案作出大的改动以发现是否在每个试验都存在hormesis,也是耗财、耗时的。依据有关hormetic量效关系的大量的、高质量的数据,可以预测低于NOAEL时的生物学效应,必要时,可用其它方法进行验证。根据现有的数据,通过hormetic模型的预测应该较其他模型(线性模型、阈值模型)为优。(6)用推荐的量效模型进行危险评估的可靠性用hormetic量效模型估计非致癌物和致癌物的可能危险及可接受的暴露水平,不存在大的技术挑战。已有几篇文章报道了联邦机构如EPA如何将hormesis概念用于传统的不确定系数(UF)的计算方法以推导非致癌物的RfD值的过程。Calabrese和Baldwin也剖析了hormesis概念会对NOAEL推导(尤其是在基准剂量推导)产生多大的影响。(7)证实危险评估的能力hormetic量效模型提供的在可见范围内的数据无需外推,这是hormetic量效模型的重要特征。因为hormetic曲线已经为常规的实验研究所证实。(8)危险评价评估在公共卫生中的应用据Calabrese估计,hormetic效应较阈值效应更为常见,其发生率为阈值效应的2.5倍。评价非致癌物的危险性时,使用hormetic量效模型、而不采用阈值模型对危险评估产生的影响取决于低于NOAEL时的效应(即hormetic刺激)是有益的、中性的还是有害的。如果是潜在有害的,则有必要在毒物兴奋效应带(hormeticzone)的起始点推导一个新的NOAEL。很多情况下低于NOAEL的hormetic效应被认为是有害的,包括组织增生如前列腺增大导致尿流速度减慢、免疫改变如自身抗体合成、内分泌改变,肿瘤细胞或炎性因子增生等。这种情况下,对于公共卫生来说,hormetic量效模型较低估危险的阈值模型有明显的优越性。如果hormetic刺激反应是中性反应,则hormetic效应的重要意义与观察终点的性质、变化幅度有关。此时,传统的NOAEL可以继续保留。如果低于NOAEL时的效应可能有益,危险管理者将面临多种更复杂的选择,这时就需考虑对不同的人群亚群的有益作用和危险作用之间的平衡。无论这3种假设情况最终如何处理,hormetic量效模型都较传统的阈值模型提供更多的见解和选择。2.3horetic量效关系在过去10年中,日本学者在利用雄性F344大鼠(美国NationalToxicologyProgram在慢性试验中所用的标准啮齿类动物)评价化学物诱导的肝癌的慢性试验中专门引入了hormesis概念。他们对许多肿瘤启动子如苯巴比妥、完全致癌物如DDT的致癌性作了评价,并在动物模型中证实了hormesis现象。此外,日本学者还进行了大量的机制研究,以解释其研究中发现的U型量效曲线或hormetic效应。他们的研究证明,hormetic现象可以重复,可以从机制上得到解释,可以预测性地用于其他受试物和其他同样被证明为癌症发生过程的部分终点(包括病灶和肿瘤形成)的hormetic量效关系研究。设计良好的慢性试验也证实了多种组织(肺、乳腺、卵巢、骨骼、胰腺、甲状腺、膀胱、睾丸和血液系统等)的癌症发生存在hormetic效应。肺部肿瘤中,已证实一些众所周知的致癌物(包括一些PAHs、辐射)具有hormetic量效关系。其中对辐射的研究尤为突出。大量致突变物的研究也表明存在hormetic效应。此类致突变物多种多样,包括环境污染物,可能还有治疗药物。许多以在致癌过程中起重要作用的免疫指标作观察终点的研究中,hormetic作用也非常常见。研究表明,将正常情况下侵袭性非常高的肿瘤细胞注入实验动物体内,使用极低剂量的辐射暴露进行预防和治疗,可以减少肿瘤细胞的转移。不同生物模型、观察终点、化学物理因素的量效关系的特征高度一致地强烈支持hormesis概念的广泛存在。与非致癌性观察终点相似,构成致癌过程一部分的观察终点的量效关系的定量特征(hormetic效应的幅度和宽度及其与NOAEL的关系)与hormesis假说一致。非致癌物和致癌物呈现hormesis量效关系的高度一致性提示机体对所暴露的化学物和物理因素有潜在的、相似的生物学策略,采用hormetic模型阐述低剂量带的量效关系可统一非致癌物和致癌物的危险评价程序。基于以上分析,Calabrese提出,hormetic模型应成为危险度评价中缺省(默认)的量效关系模型,统一非致癌物和致癌物的危险评价程序。3中毒激励-抑制量效关系模型对中毒药理学家的影响3.1不同低剂量结构危险的量效关系模型首先,毒理学界由政府设定全国和国际性的毒理学议程,该议程中,研究设计和结果阐释均与现行的危险评价框架相适应。政府的控制作用决定了毒理学研究的方向和科研资金的流向。第二,管理机构担心接受hormesis量效关系模型,就意味着承认一些(更可能是许多)毒物可能在低剂量产生有益作用,如延长寿命、降低疾病发生率等。这种担心导致强烈的情感倾向,进而防碍毒理学数据的客观评价。此外,会给社会大众带来观念上的混乱。第三,20世纪早期至中期,阈值模型根深蒂固,为科学界和政府公共卫生管理机构广为接受,阈值概念贯穿美国FDA、EPA和其他国家相应机构的危险评价管理程序,19世纪70年代阈值概念得以扩充,以适应致癌物的低剂量线性模型。这种法典化的政府危险评价程序遇到挑战时不易改变,即使有大量数据证明了修改的必要性。第四,虽然hormesis具有广泛的可归纳性,且真实存在,但在现实中,如果毒理学家认为毒物兴奋-抑制量效关系假说合理、应该成为危险度评价中缺省的量效关系模型,则这一模型将对现有研究、研究假说、实验设计、动物模型和观察终点的选择产生明显影响。更确切地说,毒理学者将接受评估整个量效关系谱(包括NOAEL下可能存在的量效关系)的挑战。研究设计可能变得使统计学上更不均衡——与高剂量时的样本量比,低剂量带的样本量更大,这将提高低于NOAEL的剂量所引发的效应的统计效率;Hormesis假说也使得有必要将剂量-时间(设置多个时间点观察)纳入实验中,因为毒物兴奋-抑制效应反映了对机体稳态破坏的一种适度补偿;研究者应选择相应疾病有适当背景发生率的动物模型,并对背景值中不确定因素进行定量评估,以便更好地估计可能出现的系统误差,并对实验的重复性有更高要求。因此,为了研究可能存在的毒物兴奋-抑制效应,研究者需要:根据观察终点背景值选择生物(如动物)模型,评估NOAELsLOAELs,经常开展采用适宜数量的、低于NOAEL剂量组的跟踪实验,并充分考虑这些剂量的间距、统计效力和时间分析。由此造成的人力、物力、精力方面的额外要求,对研究者开展实验确实是不利因素。Sielken和Stevenson就接受Hormesis概念对低剂量致癌危险的生物统计模型产生的影响提出了以下见解,认为Hormesis会对定量危险度评估产生以下影响:量效关系模型需要有更大柔韧性以适应所观察到的量效关系曲线的形状;这些模型的建立不应该要求低剂量时的效应总是呈线性降低;危险评估应增加发现量效关系曲线中hormetic部分的机会;应该采用新剂量制,剂量应随年龄或时间而改变,而不是一生都采用相同的平均日剂量,或较短的时间内给予相当于一生暴露的量;低剂量危险识别应考虑并包括如下可能:有益作用,一个剂量水平下没有可测得的有害健康效应;暴露评估应充分确定实际暴露剂量的分布,而不是只考虑暴露上限;不确定度确定时应包括上限和下限;危险度确定应根据剂量对健康的净作用而不是单一剂量对单一疾病终点的作用(如总的死亡率而不是特定的致死性疾病)。第五,低剂量刺激反应相当微弱,如果研究者本身反对hormesis、否认其存在、拒绝应用,则多数研究甚至不能评价hormesis的事实强化了研究者的反对倾向。第六,hormesis的潜在机制尚不清楚。第七,hormesis量效模型适用于突变和致癌作用研究的证据不足。而且对致癌物的评价和管理方法作出修改,不是一个简单的数据推倒的过程,更多的是受到与社会风俗、信仰等有关的客观性较小的标准的影响。3.2中毒领域对有毒药物浓度-反应关系模型的风险评价中存在争议近两年来,关于Hormesis在公共卫生评价中的作用出现了不同的声音。3.2.1hormesis,指标学和量效关系和危险评价的主Thayer等评价了采用Hormesis作为默认模型评估人类健康危险的方法及制定相关政策的优、缺点。他们认为,hormesis缺乏机制基础,hormetic数据的阐释存在问题,hormesis倡导者低估了人群对外来物暴露反应的复杂性和多样性。Thayer等认为,采用非单向量效关系(nonmonotonicdoseresponse,NMDR)描述双向量效关系,较定义为“低剂量刺激和高剂量抑制”的hormesis而言,更为恰当。Hormesis倡导者用“Hormesis”这个名词,将人们的注意力从生物系统NMDR的发生频率、含义这些更广泛、更重要的问题转移开来。在将NMDR曲线用于评估人类健康危险之前,必须保证对其发生的生物学基础及其产生的后果有足够的了解。hormesis的概念大部分是基于经验观察,没有充分地考虑其发生机制。Horrmesis一般是适应性反应的假说,过分简化了复杂的生物学过程。Calabrese和Baldwin分析Hormesis时纳入量效关系的标准存在一些不当之处,某些情况下,动物研究中报道的hormetic反应很大程度上是不当评价方法造成的人为假象。关于Hormesis在危险评价中的应用,Calabrese和Baldwin认为:如果低剂量刺激反应被认为是有益的,决策者可以认为hormesis对社会有益,因此可以估计一个最佳的人群暴露标准。Thayer等认为,暴露人群存在易感性(遗传、健康状况)、暴露状况(暴露时所处的生命阶段、暴露水平)多样性的个体差异,社会大众一般暴露于混合物,其中的毒性物质可以相互作用、影响多阶段疾病发生过程的不同阶段。其它的化学物甚至可能通过相似或不同的机制作用于相同的靶器官而影响具有hormesis效应的物质在低剂量下的效应,即使是同一种物质,也可能在低剂量下出现一种有益作用的同时,在同一剂量下,在不同的组织或不同的物种诱发有害的作用。不同个体、生命的不同阶段对同一种毒物的易感性不同,因此很难在人群中确定有益的hormetic暴露水平。许多内源性和外源性的因素影响个体对毒物的易感性,对一个亚群(如健康青年男性)有益的剂量可能危害另一个亚群(如儿童、老人、免疫力低下人群)的健康。这种情况下,基于hormetic量效曲线制定的卫生政策可能导致人群中的敏感亚群出现更多的健康危害。此外,将有益的hormetic效应纳入危险评价的倡导者未能意识到由于环境、职业暴露的原因,人类每天暴露于很多种化合物。这些化合物可能产生交叉毒性作用。基于以上分析,Thayer认为,即使某些低剂量反应有时被认为是有益的,也不应该影响管理部门的决策而提高毒物和致癌物的暴露标准。3.2.2hormesis的标准无独有偶,Mushak也对Hormesis的定义、特征、普遍性、机制、验证产生了质疑,进而对Hormesis在目前毒物危险评价和管理政策制定中的作用持怀疑态度。针对2002年Calabrese和Baldwin对hormesis的定义,Mushak认为,hormesis缺乏稳定的定义。定义的形成有特定的过程,随着时间的推移需要不断地反馈和补充,hormesis概念的形成不应靠假说验证,而应通过不懈地寻找和分析现有的数据。该定义主要由推测形成,目前很难在实践中验证。其形成未经专家委员会通过客观、安全的方法,按照标准程序在相关学科取得多数人的一致意见。hormesis的普遍性也受到质疑。Mushak认为,Calabrese和Baldwin提出的hormesis长期被忽视的原因是无稽之谈。定义一种现象必须制定识别、确定、归纳这一现象的标准,尤其需要确定该现象具有的生物学和毒理学意义。Calabrese和Baldwin判定已发表的研究论文中是否存在hormesis效应所采用的标准缺乏科学界的共识。在建立Hormesis频率数据库时,已发表的文献是否涵盖了含有hormesis效应的所有文献,数据库纳入的文献是否涵盖了所发表的文献,也就是说Hormesis频率计算的分母和分子是否确切,也是重要问题。关于“普遍性(generalizable)”的最小频率也缺乏定义。Calabrese和Baldwin采用模糊的词语“广泛独立可见(widelyandindependentlyobserved)、经常遇到(frequentlyencountered)、遍在的(ubiquitous)”来描述,这与字典中普遍性(generalizable)的解释不一致。Divis和Svendsgaard1994年对一个预选的数据库进行分析,发现可以清楚地显示U形或倒置U形曲线的hormesis效应发生的频率约为12%~24%。Calabrese的评价方法显示37%的研究符合评价标准,低于NOAEL的1089个剂量中,19.5%符合统计标准。可见,由于为特定目标而确定的筛选标准具有主观性,导致出现不同频率,由于方法缺乏标准化,很难从数字上反映判定Hormesis的普遍性。Hormesis的另外一个重要问题是它在人群中的存在及特征。Hormesis为科学和卫生决策提供理论基础之前,有必要建立一个流行病学数据库对Hormesis进行评估。人类Hormesis研究的主要问题在于:人类暴露于很多化学污染物,其中很多污染物在高剂量下有毒性;人群本身存在遗传和生理的多样性,Hormesis研究困难,尤其是对毒物高度敏感的人群。目前存在的大量的有关放射致癌和化学物毒性的人群流行病学资料仍然支持传统的LNT或阈值量效关系。最近有关hormesis的文章大都没能证实hormesis可以减轻环境毒物对人类胚胎和或胎儿的影响,减轻出生前暴露对出生后发育的影响。关于hormetic现象的潜在机制:很少有试验专门设计研究hormesis的生物动力学本质。现有的关于hormesis机制的阐述通常是推测、描述性的,不是源于实验数据,大多是从外来化学物的生物转化、被认为有潜在保护性的物质间的相互作用、必需营养素的作用借鉴过来的。此外,单一观察终点的hormesis不能包含多个毒性终点、靶器官及毒性机制。目前的hormesis文献绝大部分是基于多个剂量的独立、单一观察终点的研究。然而,毒物经常通过多个观察终点、多种机制产生多部位毒性,需要研究确定毒性最敏感的观察终点,而后以此为观察终点,确定量效关系及hormetic现象。在整体动物,低剂量下多种效应、多种机制重叠发生,可能导致产生hormesis存在的错误结论。基于以上分析,Mushak提出:目前人们对Hormesis在人类发生的时间、机制、遗传、危险易感性等方面所知甚少,在通过新的、特异的设计方案对Hormesis进行严格的研究之前,hormesis的特征仍然是推测性的。现有证据不支持将Hormesis作为默认模型,用于低剂量人类健康危险评价和卫生政策制定,尤其对于潜在有害的外来化合物。3.2.3危险评价中的作用机理: