毒理学

毒理学

第一章绪论

●毒理学(Toxicology)：研究外源化学物对生物体损害作用及其机制的科学

●外源化学物(xenobiotics)：是在人类生活的环境中存在、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”

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

现代毒理学(Modern toxicology)：是以毒物为工具，在实验医学和治疗学的基础上，发展为研究化学、物理和生物因素对机体的损害作用、生物学机制、危险度评价和危险度管理的科学

毒理学研究方法整体动物试验(in vivo) 体外试验（in vitro) 人体观察（Human Toxicology) 流行病学研究(Epidemiological Study)

●毒理学主要三大研究领域描述毒理学（Descriptive toxicology）直接研究的是毒性

鉴定（毒性实验），以期为安全性评价和危险度管理提供信息；还可为化学物的毒作用机制研究提供重要线索

机制毒理学（Mechanistic toxicology）研究化学物质对生物机体产生毒性作用的细胞、生化和分子机制。

管理毒理学（Regulatory toxicology）根据描述和机制毒理学的研究资料进行科学决策，协助政府部门制定相关法规条例和管理措施并付诸实施，以确保化学物、药品和食品等进入市场足够安全，达到保护人民群众身心健康的目的

●毒理学方法的替代与更新（3R原则）

第一个“R”是替代试验（Replacement），即利用简单的生物系统如培养的细菌，哺乳动物和人的组织、细胞以及特殊的动物器官或非生物构建体系等方法取代动物试验

第二个“R”是减少动物的使用数量(Reduction)，在保证实验质量的前提下，选择合适动物和方法，改进实验设计，减少动物用量

第三个“R”是精化和改良技术(Refinement) 《取代replacement》，尽量减轻实验过程对动物造成不必要的痛苦和伤害

第四个“R”责任(Responsibility)，主要是增强人们的伦理观念，不仅对动物负责，更要对人类负责，保证各类产品进入市场后，在正常和可预见的使用条件下对消费者无伤害

第二章毒理学基本概念(Basic Toxicology Terminology)

●毒物（toxicant / poison）是指在一定条件下，以较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时的或永久性的病理改变，甚至危及生命的化学物质

●毒性（toxicity）：是指化学物引起有害作用的固有的能力。毒性是物质一种内在的，不变的性质，取决于物质的化学结构。

毒效应：化学物对机体健康引起的有害作用称为毒效应。即毒作用

中毒(poisoning)：是指生物体受到毒物作用而引起功能性或器质性改变后出现的疾病状态●毒效应谱(spectrum of toxic effect)：是指机体接触外源化学物后，由于化学物的性质和剂量不同，可引起机体多种变化

●选择性毒性(selective toxicity)：是指在接触条件完全相同的情况下，化学物对某种生命物质的毒性较大，而对另一种生命物质的毒性较小或只对机体内某一组织器官发挥毒性，而对其他组织器官不具有毒作用的现象

靶器官（target organ）外源化学物可以直接发挥毒作用的器官

生物学标志（biomarker）:又称生物学标记或生物学标志物，是针对通过生物学屏障并进人组织或体液的化学物及其代谢产物，以及它们引起的生物学效应而采用的检测指标通常把生物学标志分为暴露标志、效应标志和易感性标志

接触剂量（exposure dose）：又称外剂量，是指外源化学物与机体（如人、指示生物、生态系统）的接触剂量，此可以是单次接触或某浓度一定时间的接触

●剂量-反应关系（dose-response relationship)是毒理学的重要概念，即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。绝对致死量或浓度（absolute lethal dose, LD100或LC100）：指化学物质引起受试实验对象全部死亡所需要的最低剂量或浓度

最大耐受剂量或浓度（maximal tolerance dose, MTD，LD0或MTC，LC0）：指化学物质不引起受试对象出现死亡的最高剂量或浓度

最小致死剂量或浓度（minimal lethal dose MLD，LD01或MLC，LC01）：指化学物质引起受试实验对象中的个别成员出现死亡的剂量或浓度

●半数致死剂量/浓度（median lethal dose, LD50/LC50）：指化学物质引起一半受试对象出现死亡所需要的剂量或浓度

LD50是评价化学物质急性毒性大小最重要的参数。也是对不同化学物质进行急性毒性分级的基础标准。化学物质的急性毒性越大，其LD50的数值越小。

阈剂量（threshold dose）：指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所需要的最低剂量，又称为最小有作用剂量（minimal effect level, MEL）

观察到损害作用的最低剂量（lowest observed adverse effect level, LOAEL）能检出外源化学物毒性效应的最低剂量

未观察到损害作用的剂量（no-observed adverse effect level, NOAEL）简称无作用剂量，是用最敏感的方法未能检出外源化学物毒性效应的最大剂量

阈值(threshold):是指”刚开始”发生有害效应的浓度

n 安全系数（safety factor）：是根据所得的有害作用阈剂量或最大无有作用剂量提出安全限值时，为解决由动物实验资料外推至人的不确定因素及人群毒性资料本身所包含的不确定因素而设置的转换系数

安全限值=最大无有害作用剂量／安全系数

第三章外源化学物在体内的生物转运与转化（Biotransportation and Biotransformation of Xenobiotics）

机体对于外源化学物的处置包括(又称ADME过程)吸收(Absorption)

分布(Distribution)

代谢(Metabolism)

排泄(Excretion)

生物转运--吸收、分布与排泄生物转化—代谢变化

生物转运（biotransportation）:是指外源化学物穿越生物膜的过程，其本身的结构和性质不改变。从接触部位吸收，转运进入血液、再转运至组织与脏器、最终转运到排泄器官离开机体过程

●生物转化（biotransformation）：是指外源化学物的代谢变化过程，即外源化学物在代谢器官由一系列酶介入，发生化学结构的改变的过程

吸收（absorption）：是指外源化学物经过各种途径透过机体的生物膜进入血液的过程

肝脏的首过作用（first pass effect）：经胃肠道吸收的外源化学物通过门静脉系统首先达到肝脏，进行生物转化后，再进入体循环。

分布（distribution）:是指外源化学物通过吸收进入血液或其它体液后，随血液或淋巴液流

动分散到全身各组织细胞的过程

●贮存库（storage depot ）：是指进入血液的化学毒物在某些器官组织蓄积而浓度较高,

如果化学毒物对这些器官组织未显示明显的毒作用，称为贮存库

体内的主要储存库:(1)血浆蛋白储存库；(2)肝、肾贮存库；(3)脂肪组织贮存库及(4)骨骼组织贮存库

排泄（excretion):是外源化学物及其代谢产物向机体外转运的过程

●生物半减期(biological half time): 简写为t1/2，是指外源化学物减少一半的时间即浓度或数量减少一半的时间

●生物转化(biotransformation):生物转化又称代谢转化，是指外源化学物在体内经历酶促反应或非酶促反应而形成代谢产物的过程。

●意义：生物转化的结果是改变了毒物的化学结构和理化性质，从而影响了它们所致毒效应的强度和性质，以及在体内的分布过程和排泄速度。因此，生物转化是机体对外源化学物进行处置的重要环节, 也是机体维持稳态的主要机制。

生物转化反应分为两种类型

第一阶段：亦称I相反应，包括氧化、还原和水解等反应。

I相反应涉及暴露或引入一个功能基团

第二阶段：亦称II相反应，结合反应。

大多数II相反应可导致外源化学物的水溶性显著增加，且加速排泄

第四章毒性机制Mechanisms of Toxicity

●终毒物(ultimate toxicant)：是指直接与内源靶分子反应或引起机体生物学微环境的改变，导致机体结构和功能紊乱并表现出毒性的物质

●终毒物的来源

原外源化合物(强酸碱、重金属离子、HCN、CO)

外源化合物的代谢物(亲电物和亲核物)

活性氧或活性氮(自由基）

内源化合物(氧化还原反应物)

●增毒（toxication）或代谢活化（metabolic activation)：外源化学物经生物转化使其毒性增强，甚至产生致畸、致癌效应的过程

增毒过程主要是使外源化学物转变为即终毒物为

亲电物（electrophiles)是一类缺少电子而使整个分子部分或全部带正电的物质

自由基（free radicals)是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子

亲核物（nucleophiles)是毒物活化作用较少见的一种机制

氧化还原性反应物（redox-active reductants）

●终毒物与靶分子的反应类型（types of reactions)：非共价结合（nonconvalent binding)共价结合（convalent binding)去氢反应（hydrogen abstraction）电子转移(electron transfer)酶促反应(enzymatic reaction)

●毒物对靶分子的影响（损伤机制）（effects of toxicants on target molecules)：1靶分子功能失调2靶分子结构的破坏3新抗原形成4 化学物引起的生物学微环境改变与毒性●损伤修复机制（一）分子修复蛋白质修复脂质修复DNA修复（二）细胞修复：

周围神经细胞修复策略（三）组织修复凋亡：受损细胞的主动清除增生：组织的再生

第五章毒性作用的影响因素(Factors Influencing Toxicity)

影响毒作用的主要四类因素1化学物因素2机体因素3外源化学物与机体所处的环境

因素4化学物的联合作用

化学物因素：化学结构、理化性质，不纯物和化学物的稳定性

机体因素：物种、个体间遗传学差异，基因多态性，人类基因组计划，个体因素对毒性易感性的影响

环境因素：温度、气湿、气压

联合作用及类型：相加作用、独立作用，协同作用、加强作用、拮抗作用

●联合作用（combined effect)：是指同时或先后接触两种或两种以上的外源化学物对机

体产生的毒作用

●相加作用（additive effect)：是指各种化学物在化学结构上如为同系物，或其毒作用的

靶器官相同，则其对机体产生的总效应等于各个化学物单独效应的总和

●独立作用（independent effect)：是指两种或两种以上的化学物作用于机体，由于其各

自作用的受体、部位、靶细胞或靶器官等不同，所引发的生物效应也不相互干扰，从而其交互作用表现为化学物的各自的毒性效应

●协同作用（synergistic effect)：是指化学物对机体所产生的总毒性效应大于各个化学物

单独对机体的毒性效应总和，即毒性增强

●加强作用（potentiation effect)：一种化学物对某器官或系统并无毒性，但与另一种化

学物同时或先后暴露时使其毒性增强

●拮抗作用（antagonistic effect)：是指化学物对机体所产生的总毒性效应小（低）于各

个化学物单独对机体的毒性效应总和

第六章化学毒物的一般毒性作用（common toxicity of chemical poison)

●一半毒性作用也称基础毒性是全身各系统对外源化学物的毒作用反应，与特殊毒性致畸，致突变，致癌相对而言

根据接触毒物的时间长短，一般毒性作用分为：

急性毒性

重复剂量毒性

亚慢性毒性

慢性毒性

根据毒物接触时间长短所进行的观察和评价毒效应的试验分为：

急性毒性试验

重复剂量毒性试验

亚慢性毒性试验

慢性毒性试验

●急性毒性：是指机体(人或实验动物)一次或24小时内多次接触外源化学物后在短期内所产生的毒性效应

●急性毒性试验的目的

1.测试和求出受试化学物的致死剂量(通常以LD50为主要参数)，并对该外源化学物进行急性毒性分级

2.通过观察动物中毒作用表现、毒作用强度和死亡情况，初步评价毒物对机体的毒效应特征、靶器官、剂量－反应关系和对人体产生损害的危险性

3.为后续的重复剂量、亚慢性及慢性毒性试验研究以及其他毒理试验提供接触剂量和观察指标选择的依据

4.为毒作用机理研究提供线索，了解中毒效应的特征（包括症状的，生理的，生化与组织病理损伤）

5.研究化学物急性中毒诊断、预防和急救治疗措施

●蓄积作用（accumulation)：外源化学物连续地、反复地进入机体，而且吸收速度或总量超过代谢转化与排出的速度或总量时，化学物就有可能在机体内逐渐增加并贮留的现象。慢性毒性：是指实验动物或人长期（甚至终生）反复接触外源化学物所产生的毒性效应

●短期重复剂量毒性试验、亚慢性毒性和慢性毒性作用的目的

1. 观察长期接触受试物的毒性效应谱，毒作用特点和靶器官。了解其毒性机制。

2. 研究重复接触受试物的剂量- 反应（效应）关系，确定其观察到有害作用的最低剂量（LOAEL）和未观察到有害作用的剂量（NOAEL），为制定人类接触的安全限量参考数值

3. 观察长期接触受试物毒性作用的可逆性。

4. 确定不同动物对受试物的毒效应的差异，为将研究结果外推到人提供依据

染毒方法 1.经口(胃肠道)染毒(灌胃，喂食，胶囊） 2.经呼吸道接触 3.经皮肤染毒 4.经注射染毒

第七章外源性化学物致突变作用（Mutagenesis of Xenobiotics )

突变（mutation)：是指遗传结构本身的变化及其引起的变异，即生物体的遗传物质发生了突然的、根本的、遗传的变化，因为这种变化起源于基因和染色体，因此，是可遗传的变异

可分为：自发突变(spontaneous mutation):是由于普遍存在的未知因素作用下，在自然条件下发生的突变

诱发突变(induced mutation)：是指人为地造成突变

遗传毒理学(genetic toxicology)：研究化学性和放射性物质的致突变作用以及人类接触致突变物可能引起的健康效应的科学

致突变作用（mutagenesis)：是指外来因素特别是化学因子引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，而且此种改变可随同细胞分裂过程而传递

致突变物(mutagen)：凡能引起生物体遗传物质发生改变的化学物质或任何环境因子，又称诱变剂

遗传毒物（genotoxic agent)：由于致突变物能损伤遗传物质，因此致突变物又称为遗传毒物化学毒物致突变的类型基因突变

染色体结构改变

染色体数目改变

基因突变（genetic mutation)：是指基因中DNA序列的改变（point mutation)

可分为碱基置换和移码突变两种类型

●碱基置换（base subsititution)碱基置换是某一碱基配对性能改变或脱落而引起的突变转换(transition)：即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化

颠换(transversion):即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化

后果

同义突变(synonymous mutation)：指没有改变基因产物氨基酸序列的改变

错义突变(missense mutation)：指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变

无义突变(nonsense mutation)：指某个碱基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，导致多肽链在成熟之前终止合成的改变

移码突变（frameshift mutation)指发生一对或几对不等于3的倍数的碱基减少或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译为不正常的氨基酸

结果

是从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的氨基酸序列完全改变

使读码框架改变其中某一点形成无义密码，于是产生一个无功能的肽链片段

移码较易成为致死性突变

染色体结构异常（畸变）（structural chromosome aberration)：是指染色体断裂及由断裂引起各种重排，从而出现染色体结构异常

染色体畸变又可分为

染色体畸变（chromosome-type aberrations)：指染色体中两条染色单体同一位点受损后所产生的结构异常

染色单体畸变（chromatid-type aberrations)：指畸变涉及复制染色体中两条染色单体中的一条

染色体型畸形的类型裂隙和断裂：无着丝粒断片和缺失（deletion) 环状染色体倒位(inversion) 插入和重复易位(translocation)

化学毒物致突变作用的机制及后果

一、引起突变的DNA变化（一）碱基损伤1.碱基错配 2.平面大分子嵌入DNA链 3.碱基类似物取代 4.碱基的化学结构的改变或破坏

（二）DNA链受损 1.二聚体的形成2.DNA加合物形成3 DNA-DNA交联 4.DNA-蛋白质交联

二、引起突变的细胞分裂过程改变

AP位点（apurinic or apyrimidinic site)：是指丢失碱基的DNA留下了一个无嘌呤或无嘧啶的位点

DNA损伤的修复1.光复活（photoreactivation) 2.“适应性”反应 3.切除修复 4.DNA双链断裂修复 5.呼救性修复（SOS修复）

切除修复分为：

碱基切除修复（BER)：

核苷酸切除修复（NER)：总基因组修复（GGR)；转录偶联修复（TCR)

错配修复（mismatch repair，MMR)：识别并切除错配的碱基对

DNA损伤修复的一般特点

1.DNA损伤不仅可因外源性因素所致，也可因内源性因素所致

2.不同类型DNA损伤通过不同的DNA修复途径修复

3.不同类型DNA损伤修复速度是不同的

4.DNA损伤修复机制有些是基本的，有些是可诱导的

5.DNA损伤修复功能存在物种和个体差异

常用的致突变试验

1.鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验（Ames试验）

2.微核试验（micronucleus test，MNT)

3.单细胞凝胶电泳（single cell gel electrophoresis，SCGE)

4、染色体畸变分析chromosome aberration assay

5、姐妹染色单体交换Sister-chromatid exchange, SCE

6、果蝇伴性隐性致死试验Sex-linked recessive lethal test, SLRL

7、显性致死试验Dominant lethal test

8、荧光原位杂交技术Fluorescence in situ hybridization, FISH

第八章外源化学物致癌作用（Carcinogenesis of Xenobiotics )

●化学致癌物（chemical carcinogen)：指凡能引起动物和人类肿瘤、增加其发病率或死亡率的化学物

●化学致癌作用（chemical carcinogenesis)：指化学致癌物在体内引起肿瘤的过程

癌基因（oncogene)：指一类在自然或实验条件下具有诱发恶性转化的潜在基因

原癌基因（proto-oncogene)：指机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息，即癌基因的原型

抑癌基因（anti-oncogene)：又称为肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene)指对细胞生长、增殖和分化起负性调节基因

化学致癌过程引发阶段（initiation)促长阶段(promotion)进展阶段(progression)

根据致癌物在体内发挥作用的方式分类

直接致癌物（direct carcinogen)指本身直接具有致癌作用，在体内不需要经过代谢活化即可致癌的物质

间接致癌物（indirect carcinogen)指本身并不致癌，必须在体内经代谢转化，其所形成的代谢产物才具有致癌作用的物质

前致癌物（precarcinogens):

近致癌物(proximate csrcinogens)

终致癌物(ultimate carcinogens)

●国际癌症研究中心（IARC International Agency for Research on Cancer）根据对人类研究资料、动物资料和遗传毒理学资料，将致癌因素分为

对人类是致癌物（I类）

对人类很可能是致癌物（IIA类）

对人类可能是致癌物（IIB类）

现有证据不能对人类致癌性进行分类（III类）对人类可能是非致癌物（IV类）

第九章发育毒性与致畸作用（Developmental Toxicity and Teratogenesis）

发育毒理学（developmental toxicology）研究发育生物体在受精卵、妊娠期、出生后、直至性成熟的发育过程中，由于出生前接触导致异常发育的理化因素或环境条件后的发病机制和结果

畸形(malformation) ：指出生前因素引起发育生物体的严重的解剖学上形态结构的缺陷(异常)

致畸性（teratogenicity）和致畸作用(teratogenic effect)：均指在妊娠期（出生前）接触外源性理化因素引起后代结构畸形的特性或作用

致畸物(teratogen)：凡在一定剂量下，能通过母体对胚胎或胎儿正常发育过程造成干扰，使子代出生后具有畸形的化学物称为致畸物或致畸原

畸胎：具有畸形的胚胎或胎仔

变异(variation)：指同一种属的子代与亲代之间或者子代的个体之间，有时出现不完全相同的现象，是小的或次要的结构改变

胚胎毒性(embryotoxicity)：通常是指外源性理化因素造成的孕体着床前后直到器官形成期结束的所有的毒性

●发育毒性(developmental toxicity) ：指出生前经父体和/或母体接触外源性理化因素引起的在子代到达成体之前内出现的有害作用。

母体毒性(maternal toxicity)是指外源化学物在一定剂量下，对受孕母体产生的损害作用

●致畸（发育毒性）作用机制

1.干扰基因表达

2.基因突变与染色体畸变

3.细胞损伤和细胞死亡

4.干扰细胞-细胞交互作用

5.通过胎盘毒性引起发育毒性

6.干扰母体稳态

7.内分泌干扰作用

第十一章管理毒理学（Regulatory Toxicology）

●管理毒理学（regulatory toxicology）是将毒理学的原理、技术和研究结果应用于化学物质管理，以期达到保障人类健康和保护生态环境免遭破坏的目的

●危险度评定程序，四个步骤：

危害识别（Hazard Identification）

危害表征：剂量-反应关系评定(Dose-Response Assessment)

暴露评定（Exposure Assessment）

危险度表征（Risk Characterization）

危险度(risk)：是指在具体的暴露条件下，某一种因素对机体、系统或（亚）人群产生有害作用的概率。

安全性(safety):即规定条件下化合物暴露对人体和人群不引起健康有害作用的实际确定性。可接受危险度(acceptable risk):是指公众和社会在精神、心理等各方面均能承受的危险度（化学物终生暴露所致的危险度在百万分之一或以下）

实际安全剂量(virtual safe dose, VSD):是指与可接受危险度相对应的化学毒物的接触剂量危险度估计值

R = (EED/RfD) 10-6

R----发生某种健康危害的终生危险度

10-6 ----与RfD相对应的可接受危险度水平

安全性毒理学评价程序包括四个阶段

急性毒性试验

蓄积性毒性、致突变试验

亚慢性毒性、生殖与发育毒性、代谢试验

慢性毒性试验和致癌试验