1、毒理学基础毒理学基础Basic of Toxicology公共卫生学院卫生学教研室公共卫生学院卫生学教研室第一章第一章 绪绪 论论（Introduction）一、学科介绍一、学科介绍二、重要的基本概念二、重要的基本概念三、化合物毒作用的生物标志物三、化合物毒作用的生物标志物一、学科介绍一、学科介绍1.毒理学毒理学(toxicology)是从医学角度研究化学物质对生物机体的损害作用及其作用机理的科学。毒理学的发展简史毒理学的发展简史1）.远古时期和中世纪毒理学代表人物：远古时期和中世纪毒理学代表人物：神农：编辑了有毒植物目录神农：编辑了有毒植物目录EbersEbers：毒物和解毒剂：毒物和解毒剂
2、Pathagoras：对植物毒物、金属毒物和解对植物毒物、金属毒物和解毒剂有着深入的了解毒剂有着深入的了解Theophrastus：食品毒理学的奠基人食品毒理学的奠基人Mithridates：系统研究人体毒物的第一人系统研究人体毒物的第一人Mainodides：毒物及其解毒剂毒物及其解毒剂2）.启蒙时代毒理学代表人物启蒙时代毒理学代表人物Paracelsus：All substances are poisons;there is none which is a poison.The right dose differentiates a poison from a remedy.为实验毒理学研
3、究、毒理学中靶器官毒性以为实验毒理学研究、毒理学中靶器官毒性以及剂量及剂量-反应关系等基本概念的确定作出了反应关系等基本概念的确定作出了重大的贡献。重大的贡献。Fontana：进一步发展了靶器官毒性概念，进一步发展了靶器官毒性概念，提出中毒症状是毒物提出中毒症状是毒物作用于特殊器官的结果。3 3）.现代毒理学现代毒理学 19301930年实验毒理学的第一本杂志年实验毒理学的第一本杂志Archives of Toxicology创刊，同年在美国成立了创刊，同年在美国成立了NIHNIH 19371937年引起急性肾衰竭和死亡的年引起急性肾衰竭和死亡的“磺胺事磺胺事件件”，促使了美国，促使了美国FD
4、AFDA的成立的成立 19551955年，年，LehmanLehman和他的同事共同出版了和他的同事共同出版了食食品、药品和化妆品中化学物的安全性评价品、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，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（成立了国际毒理学协会（19651965）2.卫生毒理学卫生毒理学(public health toxicology)是从预防医学的角度，研究人类在生产是从预防医学的角度，研究人类在生产和生活过程中，可能接触的外来化合物对和生活过程中，可能接触的外来化合物对机体损害作用及其机理的学科。它是毒理机体损害作用及其机
5、理的学科。它是毒理学的一个重要分支，亦是预防医学的基础学的一个重要分支，亦是预防医学的基础学科和重要组成部分，为劳动卫生、环境学科和重要组成部分，为劳动卫生、环境卫生和食品卫生等学科提供毒理学理论和卫生和食品卫生等学科提供毒理学理论和研究方法。研究方法。3卫生毒理学研究任务卫生毒理学研究任务主要有：主要有：研究机体与外来化合物相互作研究机体与外来化合物相互作 用的规律即中毒机理；用的规律即中毒机理；对外来化合物进行安全性评价；对外来化合物进行安全性评价；为制订有关卫生标准和管理方为制订有关卫生标准和管理方 案提供科学依据。案提供科学依据。4卫生毒理学研究方法卫生毒理学研究方法 、体内试验：也称
6、为整体动物试验。、体内试验：也称为整体动物试验。、体外试验：、体外试验：、人体观察：、人体观察：、流行病学研究：、流行病学研究：毒理学研究方法的优缺点毒理学研究方法的优缺点 研究方法研究方法毒理学体外试验毒理学体外试验 毒理学体内试验毒理学体内试验 受控的临床研究受控的临床研究流行病学研究流行病学研究优点优点 影响因素少，易于控制影响因素少，易于控制可进行某些深入的研究可进行某些深入的研究(如：机制，代谢如：机制，代谢)人力物力花费较少人力物力花费较少 易于控制暴露条件易于控制暴露条件能测定多种效应能测定多种效应能评价宿主持征的作用能评价宿主持征的作用(如：性别、年龄、遗如：性别、年龄、遗传特
7、征等和其他调控因传特征等和其他调控因素饮食等素饮食等)能评价机制能评价机制 规定的限定暴露条件规定的限定暴露条件在人群中测定反应在人群中测定反应对某组人群对某组人群(如哮喘如哮喘)的的研究是有力的研究是有力的能测定效应的强度能测定效应的强度真实的暴露条件真实的暴露条件在各化学物之间发生在各化学物之间发生相互作用相互作用测定在人群的作用测定在人群的作用表示全部的人敏感性表示全部的人敏感性缺点缺点不能全面反映毒作用，不不能全面反映毒作用，不能作为毒性评价和危险性能作为毒性评价和危险性评价的最后依据评价的最后依据难以观察慢性毒作用难以观察慢性毒作用动物暴露与人暴露相关动物暴露与人暴露相关的不确定性的
8、不确定性受控的饲养条件与人的受控的饲养条件与人的实际情况不一致实际情况不一致暴露的浓度和时间的模暴露的浓度和时间的模式显著地不同于人群的式显著地不同于人群的暴露暴露 耗资多耗资多较低浓度和较短时间的较低浓度和较短时间的暴露暴露限于较少量的人群限于较少量的人群(一般一般50)50)限于暂时、微小、可逆限于暂时、微小、可逆的效应的效应一般不适于研究最敏感一般不适于研究最敏感的人群的人群耗资、耗时多耗资、耗时多(多为回顾性多为回顾性)，无健，无健康保护康保护难以确定暴露，有混难以确定暴露，有混杂暴露问题杂暴露问题可检测的危险性增加可检测的危险性增加必需达到必需达到2 2倍以上倍以上测定指标较粗测定指
9、标较粗(发病率，发病率，死亡率死亡率)二、二、毒理学中毒理学中的重要的重要基本概念基本概念（一）、外来化合物、毒物、（一）、外来化合物、毒物、毒性、毒性作用和中毒毒性、毒性作用和中毒 1.外来化合物（外来化合物（xenobiotics）：）：是存在于人类的环境中，通过一定的途径与机体接触并进入机体可呈现一定生物学作用的一些化学物质。外来化合物并非人体的组成部分，也非人体所需的营养物质，而且也不是维持机体正常生理功能和生命所必需的物质。2.毒物毒物(toxicant or poison)：1）、概念：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，引起暂时或永久性的病理改变，甚
10、至危及生命的化学物质称为毒物。2）、分类：工业毒物、环境污染物、食品中有毒成分、农用化学物、嗜好品、生物毒素、医用药物、军事毒物、放射性核素等。3.毒性毒性(toxicity)：概念：是化学物质能够对机体造成损害的能力。毒性较高的物质，只要相对较小的数量，即可对机体造成一定的损害；而毒性较低的物质，需要较大的数量，才呈现毒性。4.选择毒性选择毒性(selective toxicity)：1）、概念：指一种化学毒物只对某种生物产生损害作用，而对其它种类生物无害；或只对机体内某一组织器官有毒性，而对其它组织器官不具毒性作用。称为化学毒物的选择毒性。2）、产生选择毒性的原因：）、产生选择毒性的原因：
11、、物种和细胞学差异；、不同生物或组织器官对化学毒物生物转化过程的差异；、不同组织器官对化学毒物亲和力的差异；、不同组织器官对化学毒物所致损害的修复能力的差异。5.毒性作用毒性作用(toxic effect)：1）、概念：是化学毒物本身或其代谢产物在作用部位达到一定数量并与组织大分子成分相互作用，对机体产生的不良或有害的生物学改变，称为毒作用又称为毒效应或损害作用。2）、分类：、速发与迟发作用、速发与迟发作用、局部与全身作用、局部与全身作用、可逆与不可逆作用、可逆与不可逆作用、过敏性反应、过敏性反应、特异体质反应、特异体质反应6.中毒中毒(poisoning)：概念：是生物体受到毒物作用而引起功
12、能性或器质性改变后出现的疾病状态。（二）、剂量、剂量效应（二）、剂量、剂量效应（反应）关系（反应）关系 1剂量剂量(dose)：剂量是决定外来化合物对机体损害作用的重要因素。剂量可指：接触剂量；吸收剂量；到达剂量。接触剂量接触剂量(exposure dose)(exposure dose)又称外剂量又称外剂量(external(external dose)：是指外来化合物与机体接触时的数量；可以是一次接触或在某浓度下一定时间的持续接触数量。吸收剂量吸收剂量(absorbed dose)(absorbed dose)又称内剂量又称内剂量(internal dose):(internal dose
13、):是指外来化合物穿过一种或多种生物屏障，吸收进入体内的剂量。到达剂量到达剂量(delivered dose)(delivered dose)又称靶剂量又称靶剂量(target dose)(target dose)：是指经吸收后到达靶器官（如组织、细胞）作用部位的外来化合物和/或其代谢产物的剂量。2效应和反应效应和反应 1 1）、效应）、效应(effect)(effect)：表示一定剂量外来化合物与机体接触后可引起的生物学变化，又称生物效应。效应可分两类：、量效应、量效应(graded effect)(graded effect)；、质效应（、质效应（quantalquantal effect
14、 effect）。2）、反应）、反应(response)：是一定剂量的外来化合物与机体接触后，呈现某种效应并达到一定程度的比率，或者产生效应的个体数在某一群体中所占的比率，一般以或比值表示。3剂量剂量效应（反应）关系效应（反应）关系1 1）、剂量）、剂量效应关系（效应关系（dose-effect dose-effect relationshiprelationship）：）：表示化学毒物的剂量与个体或群体中发生的量效应强度之间的关系。2 2）、剂量）、剂量反应关系（反应关系（dose-response dose-response relationshiprelationship）：）：表示化学
15、毒物的剂量与某一群体中发生的质效应强度之间的关系。3）、剂量）、剂量效应（反应）效应（反应）关系曲线关系曲线、直线型、直线型 、抛物线型、抛物线型、S状曲线状曲线（三）、表示毒性常用的指标（三）、表示毒性常用的指标 1致死剂量致死剂量(lethel dose)：致死量即可以造成机体死亡的剂量。绝对致死量绝对致死量(absolute(absolute lethellethel dose,LD dose,LDl00l00)：指能造成一群个体全部死亡的最低剂量。、半数致死量、半数致死量 (median lethel dose,LD50)：指能引起一群个体50死亡所需剂量，也称致死中量。LD50常以m
16、g/kg体重表示，LD50数值越小，表示外来化合物毒性越强；反之，LD50数值越大，则毒性越低。在报告LD50时，应说明试验动物的种类和接触途径。、最小致死量、最小致死量(minimal lethel dose,LD01)：指能造成一群受试对象中的个别个体出现死亡的最低剂量。、最大耐受量、最大耐受量(maximal tolerance dose,LD0)：指在一群个体中不造成个体死亡的最大剂量。2阈剂量（阈剂量（threshhold dose）指在一定时间内，一种外来化合物按一定方式或途径与机体接触，引起受试对象的少数个体出现某种最轻微的异常变化所需的最低剂量，在此剂量下的任何剂量都不应产生损
17、害作用，又称为最小有作用剂量(minimal effect tlevel)。阈剂量可分为：、急性阈剂量、急性阈剂量(acute threshold dose,Limac)；、慢性阈剂量、慢性阈剂量(chronic threshold dose,Limch)。3最大无作用剂量最大无作用剂量(maximal no-effect level，ED0)指在一定时间内，一种外来化合物按一定方式或途径与机体接触，根据现今的认识水平，用最灵敏的试验方法和观察指标，亦未能观察到任何对机体的损害作用的最高剂量。现常使用：未观察到作用的剂量未观察到作用的剂量(no observed effect level,NO
18、EL)未观察到损害作用的剂量未观察到损害作用的剂量(no observed adverse effect level,NOAEL)来表示最大无作用剂量。4毒作用带毒作用带（toxic effect zone）：）：1）、急性毒作用带）、急性毒作用带(acute toxic effect zone,Zac)：为半数致死剂量与急性阈剂量的比值。即Zac=LD50/Limac 意义：Zac值小，说明化学毒物从产生轻微损害到导致急性死亡的剂量范围窄，引起死亡的危险性大，Zac值大，说明化学毒物从产生轻微损害到导致急性死亡的剂量范围宽，引起死亡的危险性小。2）、慢性毒作用带）、慢性毒作用带(chroni
19、c toxic effect zone,Zch)为急性阈剂量与慢性阈剂量的比值。即Zch=Limac/Limch 意义：Zch值大，说明Limac与Limch之间的剂量范围大，由极轻微的毒效应到较为明显的中毒表现之间的发展过程较为隐匿，易被忽视，发生慢性中毒的危险性大；Zch值小，则发生慢性中毒的危险性小。LimchLimacED0NAOELLD0LD01LD50LD100ZchZac各种毒性指标的关系各种毒性指标的关系MLD（四）、损害作用与非损害作用（四）、损害作用与非损害作用1.非损害作用非损害作用（non-adverse effect）：）：一般认为非损害作用 不引起机体机能形态、生长
20、发育和寿命的改变；不引起机体某种功能容量的降低，也不引起机体对额外应激状态代偿能力的损伤。2.损害作用（损害作用（adverse effect）：）：外源化学物对机体的损害作用、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。、机体功能容量或对额外应激状态代偿能力降低。、机体维持稳态能力下降。、机体对其它某些因素不利影响的易感性增高。三、外源性化合物毒作用三、外源性化合物毒作用的生物标志物的生物标志物（一）生物标志物（一）生物标志物（biological markers,biomarkers)1.1.定义：生物标记物是指生物材料中与定义：生物标记物是指生物材料中与有害因素接触有关的机体
21、的各种变化，有害因素接触有关的机体的各种变化，包括生理、生化、免疫、细胞和遗传等包括生理、生化、免疫、细胞和遗传等方面的改变。方面的改变。2.分类：分类：、接触生物标志物、接触生物标志物 (biomarkers of exposure)、效应生物标志物、效应生物标志物（biomarkers of effect)、易感性生物标志物、易感性生物标志物（biomarkers of susceptibility)接触标志物、效应标志物、易感性标志物的相互关系 个体 易感性接触（外剂量）内剂量生物有效剂量早期生物学效应结构/机能改变疾病/死亡（机体易感性 标志物）接触标志物效应标志物(1)接触标志物接触
22、标志物(biomarkers of exposoure)接触标志物包括：接触标志物包括：体内剂量标志物体内剂量标志物 外源化合物及其代谢外源化合物及其代谢产物在体内细胞、组织或体液中（如血、产物在体内细胞、组织或体液中（如血、尿、粪便、乳汁、羊水、汗液、毛发、尿、粪便、乳汁、羊水、汗液、毛发、指甲、唾液）可测量到的剂量标志物，指甲、唾液）可测量到的剂量标志物，是外源化合物进入机体的可靠证据。是外源化合物进入机体的可靠证据。生物有效剂量标志物生物有效剂量标志物主要包括：主要包括：蛋白质加合物蛋白质加合物(protein adduct)DNA DNA加合物加合物(DNA adduct)DNA DN
23、A蛋白交联物蛋白交联物(DNA-protein crosslink,DPC)表1 生物有效剂量标志物 生物有效剂量标志物 环境暴露物质 生物材料 DNA加合物 多种烷化剂、苯并(a)芘 外周血淋巴细胞 血红蛋白加合物 环氧乙烷 红细胞 黄曲霉毒素N7鸟苷加合物 黄曲霉毒素 尿液 顺铂-DNA加合物 各种烷化剂 肿瘤化疗病人白细胞 O6-甲基脱氧鸟苷 亚硝胺 胃肠道粘膜细胞 8-羟基脱氧鸟苷 辐射等形式的氧化应激 尿液(2)效应生物标志物效应生物标志物(biomarkers of effect)效应生物标志物可反映出结合到靶效应生物标志物可反映出结合到靶细胞的外源化合物及其代谢产物的持续细胞的外
24、源化合物及其代谢产物的持续作用，进一步引起细胞与组织的生化、作用，进一步引起细胞与组织的生化、生理的变化或者其他病理方面的改变。生理的变化或者其他病理方面的改变。这些变化主要发生在细胞的特定部位，这些变化主要发生在细胞的特定部位，尤其是在基因的某些特定序列。尤其是在基因的某些特定序列。早期效应生物标志物早期效应生物标志物 主要包括以下几类：主要包括以下几类：1、大分子氧化损伤及其产物、大分子氧化损伤及其产物2、分子遗传学改变、分子遗传学改变3、癌基因、癌基因4、金属硫蛋白、金属硫蛋白5、应激蛋白和热休克蛋白、应激蛋白和热休克蛋白表2 效应生物标志物效应生物标志物 环境暴露物质 生物材料 染色体
25、畸变 致突变化学物 白细胞 姊妹染色体单体交换 致突变化学物 白细胞 微核 致突变化学物 上皮 HGPRT 致突变化学物 白细胞 胸苷激酶 致突变化学物 白细胞 癌基因激活 化学致癌原(B(a)P )组织 原卟啉比例升高 铅 红细胞 乙酰胆碱酯酶活性降低 有机磷杀虫剂 血浆 *HGPRT-次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转换酶 表3 亚临床疾病的效应生物标志物效应生物标志物 疾病血清甲胎蛋白 肝癌、胃肠道疾病、胎儿神经管缺失癌胚抗原 胃肠道癌、其他胃肠疾病肿瘤特异性抗原 各种癌症血清谷草转氨酶 心肌 梗死(3)易感性生物标志物易感性生物标志物（biomarkers of susceptibility)是指机体暴露于某种特定的化合物时，是指机体暴露于某种特定的化合物时，由于其先天遗传性或后天获得性缺陷而由于其先天遗传性或后天获得性缺陷而反映出其对接触某种特定的外来化合物反映出其对接触某种特定的外来化合物的反应能力的一类生物标志物。主要有：的反应能力的一类生物标志物。主要有：1 1、药物或毒物代谢酶多态性、药物或毒物代谢酶多态性 2 2、DNADNA修复酶缺陷修复酶缺陷 3 3、其他遗传易感性素质、其他遗传易感性素质
