毒理学第一讲 绪论 基本原理

第一章 药物毒理学的基本原理

第一节 毒理学概述 毒理学：研究外源化学物（X enobiotics ）对生物有机体毒性作用性质和机理的一门学科。 早期毒理学：研究不同毒物的使用，着重毒物对机体的急性危害或致死作用

★ 外源化合物（X enobiotics ）：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化学物质，又称为“外源生物活性物质”。包括药物、农药、食品添加剂、化工产品及环境化学物等。 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。 毒理学：是研究毒性物质对机体的有害作用及其发生、机制、结果以及危害因素的科学。主要用于对外源性物质的安全性评价和危险性评估。 药物毒理学：是毒理学的一个相对年轻的分支，已广泛体现在新药临床前安全性评价、临床试验及临床合理用药。

● 药物毒理学（drug toxicology ）：是研究药物对生物有机体毒性作用性质和机理的一门学科。

药物是用于诊断、预防和治疗疾病的化学物质，其特殊性在与药物具有明显的两重性， 它一方面可以解除人们的病痛，造福于人类，另一方面作为一种化学异物，可能会对用 药的有机体产生一定的损害作用（Adverse effect ）。

药物毒理学工作者即研究、分析和阐述药物对机体的这种损害作用。

药物毒理学的研究目的

1、了解药物的毒性反应

确定药物毒性作用的剂量，为临床安全用药提供剂量依据，药物对机体的作用关键取决于剂量。

16世纪 瑞士 帕拉塞尔苏斯（Paracelsus ）

All substances are poisons ：there is none that is not a poison. The right dose differentiates a poison and a remedy.

在新药开发阶段有助于评价一个新药是否具有开发利用的价值，倘若一个新化合物其治疗剂量与毒性剂量十分接近，则开发成新药的价值就几乎不存在了。

在临床上有助于医生合理地使用药物，临床医生安全、合理地用药有赖于对药物毒理学知识的详尽了解，包括人所能耐受的剂量及不同剂量下产生的中毒症状，从而密切注意和及药物是一把双刃剑 治病 致病 药物毒理学 Pharmaceutical toxicology 药理学 pharmacology 安全合理用药

时发现用药过程中可能出现的毒副作用。

2、确定药物毒性作用的靶器官（Target organ）

药物可以直接发挥毒性作用的器官就称为该药的靶器官。

绝大多数药物对机体器官系统的损害都具有一定的选择性。

靶器官的确定有助于分析药物毒性作用的机制，也可指导进一步的研究工作。在同一靶器官产生相同毒效应的药物，其作用机制可能不同。

3、研究药物的毒性作用、作用性质和机制，即了解药物是否具有毒性作用，有什么样的毒性作用以及为什么会产生这些毒性作用。并对这种毒性作用从严重程度、发生频率和高发人群等方面做出定量的评价

实验动物重复给药的长期毒性试验，还可了解药物的代谢动力学特征，确定是否具有蓄积毒性作用，揭示药物在体内的处置情况。

4、了解药物的毒性作用是否可逆，即了解被药物毒性作用所损害的生理功能在停药或采取某些治疗措施后是否可以恢复正常，这也算决定一个新药命运的重要依据之一。

5、在基于对毒性作用及其机制了解的基础之上，寻找特异性解毒剂（Antidote）和其他防治毒性作用的措施，探求低毒的衍生物，为开发新药提供思路。

6、毒理学作为生命科学的一个分支学科，与其它相关学科相辅相成，解释某些生命现象，推动和促进生命科学的发展。

现代生命科学的发展，尤其是遗传学、分子生物学等领域的发展对毒理学研究的促进很大，更新了人们原有的毒理学知识，并使毒理学实验方法大为改观，例如三致试验在毒理实验中的引入；

从另一个角度看，由于毒理学研究的深入，也补充乃至更新了遗传学、分子生物学领域的知识。例如由于药物对基因的毒性作用导致出现染色体或基因构型的改变，由此带来细胞分化上的变异（致癌）或组织、胚胎发生发育的异常（致畸），对其中因果关系的研究无疑大大丰富了遗传学、分子生物学的知识。

毒理学的发展是与生命科学的发展同步的，生命科学的新理论、新技术推动了毒理学的发展，而具有各种各样的特异性毒作用的毒物也成为生命科学打开生命奥秘的工具和钥匙。

几乎没有一个学科可以同时是基础学科又有直接的应用，研究外源化合物有害作用的毒理学可能是兼有这两个方面的唯一的学科。

药物毒理学的研究内容

1、药物对靶器官毒性作用机制的研究

2、对药物进行一般毒性试验的研究：急性毒性、长期毒性、局部毒性试验

3、对药物进行特殊毒性试验的研究：生殖毒性、致突变、致癌试验等

药物毒理学研究在新药开发中的作用--药物安全性评价

药物不良反应的重大“药害”事件

药源性危害（“药害”）是指药品不良反应以及因不合理用药所致的药物毒副反应。

早在上世纪70年代，WHO就指出，全球有1/3的病人不是死于自然疾病本身，而是死于不合理用药。

药害的严重性与普遍性逐渐公开与全世界人们的面前。

历史上重大的药害事件

1、三十年代美国用乙二醇替代丙二醇作溶剂制成磺胺制剂，造成1077人中毒死亡。

2、五十年代法国的有机锡胶囊，造成207人中毒，其中102人死亡。

3、最为著名的例子当属1961年前后发现的反应停事件，导致8000余名新生儿出现海

豹肢样先天畸形，引起社会上很大的震动，这些药害事件大多是由于动物实验不充分、观察不够仔细或受当时实验条件的限制所造成的。

★毒理学安全性评价

药物安全性评价是科学性和技术性很强的一项工作，其基本内容包括急性毒性试验、长期毒性试验、致突变试验、致畸试验、致癌试验，以及皮肤、引道、直肠等局部用药的刺激性试验和过敏性试验、药物依赖性试验、制剂安全性试验等，试验项目多，涉及到毒理学的很多分支学科、相关学科以及基础学科的知识。

●第一阶段的急性毒性试验

●第二阶段的遗传毒性试验、致畸试验和30天喂养试验

●第三阶段的亚慢性毒性试验、繁殖试验和代谢试验

●第四阶段的慢性毒性试验和致癌试验

★毒理学安全性评价试验的四个阶段和内容

●第一阶段：急性毒性实验

一次性投较大剂量后观察动物的变化，观察期大约为一周，从而判定动物的致死量（LD）和半数致死量（LD50）。

如果半数致死量大于5000mg/kg，无死亡，可认为该品毒性较低，无需做致死量精确测定。

●第二阶段：遗传毒性试验、30天喂养试验、传统致畸试验

遗传毒性实验的组合应该考虑原核细胞与真核细胞、体内试验与体外试验相结合的原则，从Ames试验或V79/HGPRT基因突变试验、骨髓细胞微核试验或哺乳动物骨髓细胞染色体畸变试验、TK基因突变试验或小鼠精子畸形分析（或睾丸染色体畸变分析试验）中分别各选一项。

●第三阶段：亚慢性毒性试验

实验期在3个月左右，检验药物的毒性对机体的重要器官或生理功能的影响，包括繁殖和致畸实验。

●第四阶段：慢性毒性试验

考察少量该品长期对机体的影响，确定最大无作用量（MNL），一般以寿命较短、敏感动物的一生为一个试验阶段，如用大白鼠试验2年，小白鼠试验1.5年。

第二节毒理学简史

古代与中世纪毒理学

毒理学一词源于希腊文字“toxikon”

公元前2735年，神农编辑完成了40卷“本草”典籍

公元前2650年，黄帝撰写了《内经》

古埃及、古希腊及古罗马等有关文献中都有关于有毒植物和矿物的描述，积累了关于有毒物质及中毒的知识。

启蒙时代毒理学

16世纪瑞士医生Paracelsus(1493—1541)

意大利内科医生Ramazzini(1633－1714)

1775年英国外科医生Pott(1714-1788)

意大利内科医生Fontana(1720-1853)进一步发展了靶器官毒性概念。

西班牙医生Orfila被认为是现代毒理学的奠基人，他是系统利用实验动物的第一个科学家，并发展了在组织和体液中鉴定毒物的化学分析方法。

19世纪的Megendie、Bernard对依米丁、士的宁和箭毒、CO中毒的作用机制进行了研究。

现代毒理学

1930年实验毒理学的第一本杂志《Archives of Toxicology 》创刊，同年在美国成立了NIH 1937年引起急性肾衰竭和死亡的“磺胺事件”，促使了美国FDA 的成立

1955年，Lehman 和他的同事共同出版了《食品、药品和化妆品中化学物的安全性评价》 通过了许多新的法规，创办了许多新的杂志，成立了国际毒理学协会（1965）

药理学与毒理学

药理学主要研究药物对生物体的有益作用，从而发挥其在治疗疾病中的效能；药理学是

针对某一种功能异常的研究，如心功能、神经传递或肾重吸收异常；

毒理学则研究化学物对机体全面的有害作用，具有明显的多样性，是回答这样一个问题：

“会有什么有害作用发生?”特别是化学物的安全性毒理学评价(描述毒理学)，具有筛查的特征。

毒理学：

接触相——————————毒物动力学相——————————毒效相

剂量 靶器官 效应

药理学：

药剂相——————————药物动力学相——————————药效相

图1 毒理学和药理学的共性

第三节 毒理学的研究方法

毒理学主要是借助于动物模型模拟引起人体中毒的各种条件，观察实验动物的毒性反应，再外推到人。

体内试验

体外试验

限定人体试验和流行病学调查

起作用 部分 可吸收 部分 弥散 溶解 挥发 吸收 分布 代谢 排泄

第四节药物的毒性作用

毒物：在一定条件下，一较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时或永久的病理改变，甚至危及生命的化学物质成为毒物（poison）。

毒物及其分类

●按毒物用途和分布范围分为：

工业化学品：如生产原料、辅料、中间体等

食品添加剂：如食用色素、香精、防腐剂等

日常化学品：化妆品、洗涤用品等

农用化学品：如化肥、杀虫剂等

医用化学品：如药物、消杀剂等

环境污染物：如废水、废气、废渣中的各种物质

生物毒素：如动物毒素、植物毒素等

军事毒物：如芥子气等战争毒素

放射性物质：如放射性核素、天然放射性元素

毒素（toxin）：毒物的一种，特指由活的生物有机体产生的一类特殊毒物。

●植物毒素：由植物产生的能引起人及动物中毒的物质。

●动物毒素：由动物产生的能引起人及动物中毒的物质。

●霉菌毒素：由霉菌产生的能引起人及动物中毒的物质。

●细菌毒素：由细菌产生的能引起人及动物中毒的物质。

?毒性（toxicity）：一种化学物质能够造成机体损害的能力，称为该物质的毒性。

★影响毒性的因素

剂量：毒性反映毒物的剂量与机体反应之间的关系。因此，引起机体某种有害反应的剂量是衡量毒物毒性的指标。

毒性较高的物质，只需要相对较小的剂量或浓度即可对机体造成一定的损害；而毒性较低的物质，则需要较高的剂量或浓度才能呈现毒性作用。

剂量与作用关系示意图

接触途径：多数情况下，外源化学物需要进入血液并随血流到达作用部位才能发挥其毒性，而同一种外源化学物经由不同途径（经口、经呼吸道等）与机体接触时，其吸收系数（即入血量与接触量之比）是不同的。

经过静脉染毒时，外源化学物直接入血，吸收系数为1，即完全吸收，通常表现出的毒性也最高，静脉外途径染毒，一般吸收系数都小于1，表现出的毒性也相对较低。

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

接触速率：接触速率快者（如静脉注射）可在短时间内达到作用部位并形成高浓度，表现出较强的毒性。

接触频率：对于具体的外源化学物，接触的间隔时间如短于其生物半衰期（t1/2）时，进入机体的量大于排出量，易于累积至一个高水平而引起中毒。

★选择毒性

选择毒性（selective toxicity）：是指一种化学物质只对某种生物产生损害作用，而对其他种类生物无害；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毒作用。

★选择毒性的原因

（1）物种和细胞学的差异

如植物在许多方面不同于动物，缺少神经系统，缺少有效的循环系统和肌肉组织，但却具有光合作用和细胞壁。又如，细菌具有细胞壁而人类却没有，正是利用这种差异而研制的有选择毒性的化学药物，如青霉素和头孢菌素等，可杀灭细菌而对人体细胞相对无损害。

（2）不同生物或组织器官对外源化学物或其毒性代谢产物的蓄积能力不同

就如医学上用放射性碘治疗甲状腺机能亢进，就是利用甲状腺能选择性蓄积碘的功能。（3）不同生物或组织器官对外源化学物在体内生物转化过程的差异

小鼠体内含有一种谷胱甘肽转硫酶的同工异构酶，该酶与黄曲霉毒素B1的致癌性环氧化物具有高度亲和力，可对黄曲霉毒素进行解毒。小鼠能抵抗黄曲霉毒素B1的致肝癌作用，而大鼠对黄曲霉毒素的这种解毒作用较低，即使摄入很少量黄曲霉毒素B1也会诱发肝脏肿瘤。（4）不同生物或组织器官对外源化学物所造成损害的修复能力存在差异

如，化合物N-甲基-N-亚硝基脲对大鼠诱发的肿瘤主要在胸部，在肝脏中从未发现。这是因为肝脏能有效地将RNA和DNA分子中形成的O6-烷基-鸟嘌呤进行酶解，而胸部组织中却不存在这种酶解作用。

毒性作用的分类

（一）局部作用和全身作用

局部作用（local effect）是指药物对与机体最初接触的部位所造成的直接损害作用。

全身作用（system effect）是指经吸收、分布至机体的其他部位后才产生的损害作用。（二）可逆作用与不可逆作用

可逆作用（reversible effect）指停药后可自行消失的毒性作用。

不可逆作用（irreversible effect）指停药后仍继续存在甚至进一步发展的毒性作用，例如某些实质性损害、神经元损伤、肿瘤等。

给药剂量与给药期限也是决定药物毒性作用是否可逆的一个重要因素。一般在小剂量，短时间内应用时表现为可逆的，而大剂量，长期应用则可能转化为不可逆的毒性作用。（三）速发作用与迟发作用

速发作用（immediate effect）指在一次接触后短时间内即引起的损害作用。

迟发作用（delaved effect）指在一定的时间间隔后才发生，甚至停药后才发生。

通常人们在第一次接触致癌物可能10-20年后才表现出致癌作用，即使在啮齿类动物也需要很多个月的间隔。这提醒我们在研究药物的迟发反应时，需要进行长期试验。

（四）变态反应与特异质反应

变态反应（allergic reaction）是机体对外源性化学物产生的一种病理性免疫反应，由于既往已被该类药物致敏所致。特点：

1、过去有接触史。

2、不呈典型的“S”型剂量—反应曲线。

特异质反应（idiosvncratie reaction）指机体对药物的一种遗传性异常反应。

★损害作用与非损害所用

损害作用（Adverse effect）具有下列特点：

1、机体的正常形态、生长发育过程受到严重影响，寿命亦将缩短；

2、功能容量降低；

3、对外界某些因素不利影响的易感性增高，对应激状态的代偿能力减弱。

4、机体维持内环境稳态能力降低，而且是不可逆的。

5、从药物在机体内代谢过程和生化变化的角度来看，损害作用还应具有以下特点：

（1）随着药物与机体接触剂量的增加，机体对该物质的代谢转化速率降低或该

物质由体内消除速度变慢。

（2）机体各种物质代谢过程中具有关键意义的酶被抑制，或某些酶系统的相对

活力发生改变。

（3）由于某些酶被抑制，与其有关的天然底物在体内浓度增高，或/及在负荷试

验中对专一性底物的代谢能力降低。如胆碱酯酶

非损害作用（non-adverse effect）的特点

1、不引起机体机能形态、生长发育和寿命的改变；

2、不引起机体某种功能容量的降低；

3、不引起机体额外应激状态代偿能力的损伤。

4、非损害作用中，机体发生的一切生物学变化应在机体代偿能力范围之内，当机体停

止接触该种外来化合物后，机体维持体内稳态（homeostasis）的能力不应有所降低，机体对其它外界不利因素影响的易感性也不应增高。

名词解释

代偿能力：当体内组织或器官局部发生病变时，病变处功能降低，此时非病变处组织通过自身功能的加强来弥补病变处功能不足的能力。

内稳态：指机体保护内置环境稳定不变的一种倾向或者能力，如体温调节。

功能容量：是以解剖学、生理学、生物化学或行为学方面的各项指标来表示。

应激状态：指各种外界不利因素引起机体的所有非特异性生物学作用的综合表现。

负荷试验（Load test）（了解）：将与机体某一代谢或代谢过程有关的特定化学物，以超负荷的较大剂量给予机体，然后观察该物质在体内消除情况，以此确定机体的代谢或排泄消除能力。

损害作用与非损害作用都属于外源化学物在机体内引起的生物学作用。在生物学作用中，量的变化往往引起质的变化，所以非损害作用与损害作用具有一定的相对意义，有时难以判断。

随着生命科学的进展，将不断出现新的概念和方法，有可能过去认为是非损害作用的生物学方法，会重新判断为损害作用、因此，应充分地认识到对损害所用与非损害作用判断的相对性和发展性。

★损害性反应

A型损害性反应：一种一过性的、在常用治疗剂量下出现的药理作用的延伸。例如β-阻断剂的减慢心率作用，抗凝药物的出血倾向，苯二氮卓类抗焦虑药的嗜睡等。

B型损害性反应：完全异常的反应。例如麻醉中的恶性高热、急性紫质症以及一些免疫学反应等。

A型（累积型）与B型（异常型）损害反应的比较

A型B型

可预测性+ -

计量相关性+ -

发生率高低

死亡率低高

治疗调整剂量停药

★毒性作用的常用参数

●毒性是一个量化的概念，几乎任何物质达到一定剂量水平时都是有害的，而在极低的剂

量水平几乎又是无害的。

●在讨论药物对机体的损害作用时，量是一个很重要的概念。

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（有害作用阈剂量及最大未观察到有害作用的剂量）

★毒性上限参数

致死剂量或浓度指在急性毒性试验中药物引起受试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。

绝对致死量或浓度（LD100或LC100）

半数致死量或浓度（LD50或LC50）

最小致死剂量或浓度（MLD，LD10或MLC，LC10）

最大耐受剂量或浓度（MTD，LD0或MTC，LC0）

绝对致死量或浓度（Absolute lethal dose or concentration，ALD or ALC）：即LD100或LC100，指引起一群实验动物全部死亡的最低剂量或浓度。

由于个体差异的存在，一个群体中可能有个别个体耐受性过高或过低，而造成LD100偏离较大，所以在表示一种化合物的毒性或对不同化合物的毒性进行比较时，一般不采用

LD100。

半数致死量或浓度（Half lethal dose or concentration，HLD or HLC）：即LD50或LC50，指引起一群动物50%死亡所需的剂量或浓度。

LD50(LC50)受实验动物个体差异影响相对较小，剂量反应关系较敏感，重现性较好，因此通常以LD50(LC50)表示毒性上限。

最小致死量或浓度（Minimum lethal dose or concentration，MLD or MLC）：即LD10、LD5或LC10、LC5，指在最低剂量组的一群动物中仅引起个别动物死亡的剂量或浓度。

最大耐受量或浓度（Maximum tolerance dose or concentration，MTD or MTC）：即LD0或LC0，指在一群实验动物中虽然发生严重中毒，但全部存活无一例死亡的最大剂量或最高浓度。

★毒性下限参数

最大无作用剂量或浓度（Maximu non-effect dose or concentration）：即ED0或EC0。指药物在一定时间内，按一定方式或途径与机体接触。用目前最灵敏的检测方法或观察指标，不能观察到对机体有任何损害作用的最高剂量，亦称为“不能观察到的效应水平”

（No observed effect level，NOEL）。

中毒阈剂量或浓度（Toxic threshold dose or concentration）：指在一群实验动物中，只有少数个别动物的某项生理、生化或其它观察指标出现轻微变化的最小剂量或浓度，又称最小中毒量（Minimal toxic dose）。一般略高于最大无作用剂量或浓度。

（1）急性阈剂量或浓度（Acute threshold dose or concentration，Limac）：指一次接触某药物所得的阈剂量或浓度。

（2）慢性阈剂量或浓度（Chronic threshold dose or concentration，Limch）：指长期连续接触某药物所得的阈剂量或浓度。

★毒作用带

1. 急性毒作用带（Acute toxic effect zone，Zac）：半数致死量与急性阈剂量之比，其公式为：Zac=LD50/Limac

其比值的大小反映了急性阈剂量值距离LD50的宽窄，比值越大从急性阈剂量到引起死亡的剂量距离越宽，化合物引起死亡的危险就越小，反之亦然。

2.慢性毒作用带（Chronic toxic effect zone，Zch）：急性阈剂量与慢性阈剂量之比，其公式为： Zch=Limac/Limch

其比值越大，表明从慢性阈剂量至急性阈剂量之间的距离越宽，即引起慢性中毒或亚慢性中毒的剂量范围越宽，引起慢性中毒的机会就越多，反之亦然。

第五节非临床药物安全性研究的规范化质量管理（GLP）

非临床安全性研究（Non-clinical laboratory study）：指在实验室条件下，在药品申报审批前，为评价其安全性，用实验模型进行的各种毒性试验，如单次给药的毒性试验、反复给药的毒性试验、生殖毒性试验、致突变试验、各种刺激性试验、依赖性试验以及与认识药物毒性有关的其它试验等，但不包括临床试验。

GLP产生的背景和历史

历史上成千上万的药害事件触目惊心。

●1975年美国FDA（Food and Drug Administration）调查了申报新药的动物实验资料，发

现了重大的错误和虚假的数据。

●1975年美国制药工业协会（PMA）组织拟定了GLP Guideline，1976年向议会正式提出

了GLP立法议案，该议案于1979年6月20日正式生效。

●1984年10月，FDA在官方联邦法规集（Federal Register，F.R）上发表了GLP修改案，

听取各方意见之后，于1987年9月4日在F.R上公布了最终GLP修改版。

GLP的特点

QAU（Quality Assurance Unit，质量保证部门）：指负责保证安全性研究机构的各项研究工作符合本规定要求的机构。在GLP的组织结构中，QAU占有比较重要的位置。

它是独立于课题组之外而直接向总管理者负责的一个常设机构。QAU人员应当是熟悉业务的内行，并且要了解所检查课题的任务和计划。QAU要为每一课题指定一名检查负责人。

SOP（Standard Operating Procedures，标准操作规程）：为了得到准确的实验数据，必须要求正确而且统一的操作。因此对所有实验操作应全部用SOP加以具体规定。

SOP是研究室的技术法规，是GLP最重要的工作软件，它体现研究室日常建设的成果，也反映研究室的技术水平。

Responsibility（责任制）：GLP强调岗位工作的责任制。总管理者、质量保证部门、专题负责人和其他工作人员各司其责，责任明确。

责任制具体的体现是：事事有记录，何人何时何事都有据可查。

人员组成和职责

主要有：总管理者、专题负责人、质量保证人员、其他人员（实验操作人员、动物饲养人员等）

总管理者（Total Manager）：指对试验设施全面管理的责任者。

1.指定试验责任人；

2.指定QAU，对其报告、记录进行确认；

3.承认SOP和试验计划书；

4.对试验情况进行全面的确认，包括职员、资金、设施、仪器设备、材料及试验方

法是否按计划实施使用；

5.掌握管理试验操作者。

专题负责人（Study director）：是管理试验的核心

1.研究工作开战前，制定书面试验计划书并要得到总管理者的认可。

2.试验过程中，对试验是否按照计划书实施等进行确认。

3.对试验数据记录等的正确性进行确认。

4.试验工作结束后，及时写出总结报告。所有的原始资料、文件、试验计划书、样

本和总结报告都要归档。