第四章毒性作用機制2012.091第四章 毒理作用機制第一節 毒性作用基本概念第二節 毒性損傷的指標

第三節 毒性作用機制第四節 影響毒物毒性作用的因素2第一節 毒性作用基本概念一、毒物二、毒性三、損害作用與非損害作用四、度效應譜五、靶器官六、生物學標志3一、毒物4在一定條件下，以較小劑量進入機體就能干擾正常的生化過程或生理功能，引起暫時或永久的病理改變，甚至危及生命的化學物質稱為毒物（toxicants）。終毒物（ultimate toxicant）是指與機體內源靶分子(如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質)反應或嚴重地改變生物學環境、啟動結構和功能而表現出毒性的物質。主要為一些化學物質經過生物轉化后代謝為有害的產物。毒物的類型5毒物按化學性質可分為：揮發性毒物：如有機磷、氰化物等；非揮發性毒物：如嗎啡、生物堿等；陰離子毒物：如硫酸、氫氧化鈉等；金屬毒物：如砷、汞、鉛等。按毒物在生物體中的作用機理分：腐蝕毒：如硫酸、鹽酸、KOH等；實質毒：如砷、鉛、汞、P等；酶系毒：如有機磷氧化物、PO2等；血液毒：如CO、亞硝酸鹽（3）按毒物用途和分布范圍分為：環境污染物：如廢水、廢氣、廢渣等；工業化學品：如生產原料、輔料、中間體等；日?；瘜W品：如化妝品、洗滌用品等；農用化學品：如化肥、殺蟲劑等；醫用化學品：如藥物、消殺劑等；食品添加劑：如食用色素、香精、防腐劑等；生物毒素：如動物毒素、植物毒素等；軍事毒物：如芥子氣等戰爭毒素。6毒性的定義是指化學物質與機體接觸或者進入機體內的易感部位后，對機體造成損害的能力，稱為該物質的毒性(toxicity)。引起機體某種損害反應的劑量是衡量物質毒性大小的重要指標。毒性的影響因素 劑量；接觸途徑（經靜脈、經口、經皮等）；接觸期限、接觸速率和接觸頻率；7二、毒性接觸期限8急性毒性試驗

24小時內一次或多次染毒亞急性毒性試驗

在1個月或短于1個月的重復染毒亞慢性毒性試驗

在1個月至3個月的重復染毒慢性毒性試驗

在3個月以上的重復染毒三、毒性作用的分類9毒性作用（

toxic effect

）

又稱為

毒效應、不良效應、損傷作用或損害作用，是化學物質對機體所致的不良或有害的生物學改變。毒性作用的分類：速發或遲發性作用局部或全身作用

可逆或不可逆作用過敏性反應特異體質反應1.速發或遲發性作用：速發性毒性作用(immediate

toxic

effect)

：一次接觸后的短時間內所引起的即刻毒性作用。10遲發性毒性作用(delayed

toxic

effect)：一次或多次接觸，經一定時間間隔才出現的毒性作用。2.局部或全身作用：局部毒性作用(local

effect)：在機體接觸部位直接造成的損害作用。全身毒性作用(systemic

effect)：被機體吸收并分布至靶器官或全身后所產生的損害作用。113.可逆或不可逆作用：可逆作用(reversible

effect)：是指停止接觸外源化學物后可逐漸消失的毒性作用。不可逆作用(irreversible

effect)：是指在停止接觸外源化學物后其毒性作用繼續存在，甚至對機體造成的損害作用可進一步發展。12過敏性反應(hypersensitivity)：也稱變態反應(a11ergic

reaction)，是機體對外源化學物產生的一種病理性免疫反應。特異體質反應：(idiosyncraticreaction)通常是指機體對外源化學物的一種遺傳性異常反應。13四、損害作用與非損害作用14損害作用的特點：影響正常形態學、生理學、生長發育過程，縮短壽命。功能容量降低。外加應激代償能力降低。某些不利環境影響因素的易感性增高。非損害作用的特點：15不改變機能形態、生長發育和壽命；不降低功能容量；不損傷額外應激狀態代償能力。在機體代償能力范圍之內，維持機體

穩態的能力，不增高外界不利因素影響的易感性。毒效應譜(spectrum

of

toxic

effects)：是指化學物質對機體引起的毒性作用的性質和強度的變化。取決于外源化學物的性質和劑量，可引起多種變化。包括：① 機體對外源化學物的負荷增加；②

意義不明的生理和生化改變；③

亞臨床改變；④

臨床中毒；⑤

甚至死亡。五、毒效應譜16適應(adaptation)：是機體對一種通常能引起有害作用的化學物顯示不易感性或易感性降低?？剐?resistance)：用于一個群體對于應激原化學物反應的遺傳機構改變，以至與未暴露的群體相比有更多的個體對該化學物不易感性。耐受(tolerance)：對個體是指獲得對某種化學物毒作用的抗性，通常是早先暴露的結果。17產生耐受性的主要機制：

1）毒物到達產生毒性作用部位的數量減少；解毒系統誘導性活性增強；化學性或功能性拮抗劑攝入增加。18六、靶器官191.選擇毒性（selectivetoxicity）：指一種化學物質只對某種生物產生損害作用，而對其他種類生物無害；或只對機體內某一組織器官發揮毒性，而對其他組織器官不具毒作用。2.靶器官

(target

organ)：20

外源化學物可以直接發揮毒作用的器官就稱為該物質的靶器官。

許多化學物質有特定的靶器官，另有一些則作用于同一個或同幾個靶器官。

在同一靶器官產生相同毒效應的化學物質，其作用機制可能不同。

某個特定的器官成為毒物的靶器官可能有多種原因。某個特定器官成為毒物靶器官的原因：21①該器官的血液供應；②存在特殊的酶或生化途徑；③器官的功能和在體內的解剖位置；④對特異性損傷的易感性；⑤對損傷的修復能力；⑥具有特殊的攝入系統；⑦代謝毒物的能力和活化／解毒系統平衡；⑧毒物與特殊的生物大分子結合等。生物學標志(biomarker，biological

marker)：指針對通過生物學屏障進入組織或體液的化學物質即其代謝產物、以及它們所引起的生物學效應而采用的檢測指標?？煞譃椋航佑|生物學標志；效應生物學標志；

易感性生物學標志。22七、生物學標志圖4.1從暴露到健康效應的模式圖和與生物學標志的關系接觸標志暴露 吸收劑量健康效應效應標志靶劑量 生物學效應易感性標志231.接觸生物學標志(biomarker

of

exposure)：是對各種組織、體液或排泄物中存在的化學物質及其代謝產物，或它們與內源性物質作用的反應產物的測定值，可提供有關化學物質暴露的信息。包括：體內劑量標志即內劑量或靶劑量；生物效應劑量標志。242.效應生物學標志(biomarker

of

effect)：指機體中可測出的生化、生理、行為等方面的異常或病理組織學方面的改變，可反映與不同靶劑量的外源化學物或其代謝物有關聯的對健康有害效應的信息。包括：反映早期生物效應；

結構和／或功能改變；疾病。253.易感性生物學標志(biomarker

of

susceptibility)：26是關于個體對外源化學物的生物易感性的指標，即反映機體先天具有或后天獲得的對接觸外源性物質產生反應能力的指標?？捎靡院Y檢易感人群，保護高危人群。生物學標志的意義：27可成為評價外源化學物對人體健康狀況影響的有力工具；接觸標志用于人群可定量確定個體的暴露水平；效應標志可用于確定劑量—反應關系和有助于在高劑量暴露下獲得的動物實驗資料外推人群低劑量暴露的危險度；易感性標志可鑒定易感個體和易感人群。第二節 毒性損傷的指標一、劑量－反應關系二、毒效指標

三、安全限值

四、安全性評價28一、劑 量－反應關系291. 劑量(dose)是決定外源化學物對機體損害作用的重要因素。接觸劑量(exposure

dose)；吸收劑量(absorbed

dose)；到達劑量(delivered dose)。2.效應（effect)30是量反應，指接觸一定劑量外來化學物后所引起的一個生物、器官或組織的生物學改變。特點：僅涉及個體，即一個動物或一個人；可用一定計量單位來表示其強度。3.反應（response）是質反應，指接觸某一化學物的群體(population)中出現某種效應的個體在群體中所占比率。特點：1.涉及群體，如一組動物或一群人；2.一般以百分率或比值來表示。效應，又稱為量反應(graded

response)31通常與表示化學物質在個體中引起的毒效應強度的變化。屬于計量資料，有強度和性質的差別，可以某種測量數值表示。這類效應稱為量反應。反應，質反應

(quantal

response)用于表示化學物質在群體中引起的某種毒效應的發生比例。屬于計數資料，沒有強度的差別，不能以具體的數值表示，而只能以“陰性或陽性”、“有或無”來表示，如死亡或存活、患病或未患病等，稱為質反應。4.劑量－反應關系32劑量－效應關系dose-effect

relationship表示化學物質的劑量與個體中發生的量反應強度之間的關系劑量－反應關系dose-response

relationship表示化學物質的劑量與某一群體中質反應發生率之間的關系5.

劑量－反應曲線對稱S形曲線S形曲線非對稱S形曲線直線拋物線33在飼料中敵殺磷染毒七天的劑量-效應關系3435半數致死量LD50半數中毒劑量TD50半數效應劑量ED5036（一）致死劑量（二）最大無作用劑量（三）最小有作用劑量（四）毒作用帶37二、毒效指標毒性的描述方法比較相同劑量外源化學物引起的毒作用強度比較引起相同的毒作用的外源化學物劑量毒性上限參數（在急性毒性試驗中以死亡為終點的各項毒性參數）毒性參數毒性下限參數（有害作用閾劑量及最大未觀察到有害作用劑量）381.致死劑量指在急性毒性試驗中外源化學物引起受試實驗動物死亡的劑量或濃度，通常按照引起動物不同死亡率所需的劑量來表示。39絕對致死量或濃度(LD100或LC100)半數致死劑量或濃度(LD50或LC50)最小致死劑量或濃度(MLD,LD01或MLC,LC01)最大耐受劑量或濃度(MTD,LD0或MTC,LC0)2.最大無作用劑量（maximal no-effectdose,MNL）指化學物質在一定時間內，按一定方式與機體接觸，用現代的檢測方法和最靈敏的觀察指標不能發現任何損害作用的最高劑量,也稱未觀察到損害作用的劑量（NOAEL，noobserved

adverse

effect

level)是評價外源化學物毒性作用與制訂安全限值的重要依據403.最小有作用劑量（minimal

effect

level,MEL）指化學物質引起受試對象中的少數個體出現某種最輕微的異常改變所需要的最低劑量，又稱為閾劑量（threshold dose）稱觀察到損害作用的劑量（LOAEL，lowest

observed

adverse

effect

level)急性閾劑量（acute

threshold

dose,

Limac）為與化學物質一次接觸所得。慢性閾劑量（chronic

threshold

dose,

Limch）則為長期反復多次接觸所得。414.毒作用帶（toxic

effect

zone）是表示化學物質毒性和毒作用特點的重要參數之一。分為：急性毒作用帶慢性毒作用帶42急性毒作用帶（acute

toxic

effect

zone,

Zac）為半數致死劑量與急性閾劑量的比值，表示為：Zac=LD50/LimacZac值小，危險性大；反之，則說明引起死亡的危險性小。慢性毒作用帶（chronictoxiceffectzone,Zch）為急性閾劑量與慢性閾劑量的比值，表示為：Zch=

Limac

/LimchZch值大，危險性大；反之，則說明發生慢性中毒的危險性小。43毒性參數和安全限量的劑量軸44低高──┼───┼─┼─┼────┼─┼─┼───┼──┼─┼──┼→NOAEL

閾LOAEL

MTD

MLD

LD50LD100安全限值或VSDNOAEL

閾LOAEL└────┘慢性└────┘

LD01急性安全限值（safe

level）即衛生標準，在低于此種濃度和接觸時間內，對個體或群體健康的危險度是可忽略的。45三、安全限值

每日容許攝入量(acceptable

daily

intake，ADI)以此量終身攝入無可測量的健康危險性。可耐受攝入量（tolerable

intake，TI）指沒有可估計的有害健康的危險性對一種物質終生攝入的容許量。最高容許濃度

(maximal

allowable

concentration ，

MAC)

系指某一外源化學物可以在環境中存在而不致對人體造成任何損害作用的濃度。46（

Amer閾限值

(threshold

limit value,TLV)

為

ACGIHConference

of

Governmental

Industrial

Hygienists)推薦的生產車間空氣中有害物質的職業接觸限值。參考劑量

(reference

dose，RfD) 指一種日平均劑量的估計值。四、安全性評價47動物試驗外推到人的三種方法：利用不確定系數(安全系數)；利用藥物動力學外推(廣泛用于藥品安全性評價并考慮到受體敏感性的差別)；利用數學模型。1.安全系數(safety

factor,SF)安全系數100倍物種間差異10倍個體間差異10倍毒效學

100.4（2.5）毒動學

100.6（4.0）毒效學

100.5（3.2）毒動學

100.5（3.2）100倍安全系數的構成（Renwick,1993）48消除動力學：研究體內藥物濃度變化速率的規律。n＝1時，為一級動力學

n＝0時，為零級動力學2.藥物動力學49一級動力學消除（恒比消除）指藥物的消除速率與血藥濃度成正比單位時間內消除某恒定比例的藥量消除速率與血藥濃度有關半衰期恒定,

t1/2與濃度無關ke：單位h-1，它不表示單位時間內實際消除的藥量，而是體內藥量瞬時被消除的百分率絕大多數藥物都是按一級動力學消除50指血藥濃度按恒定消除速度進行消除，與血藥濃度無關。單位時間消除恒量的藥物消除速率與藥量或濃度無關半衰期不恒定，可隨給藥劑量 或濃度而變化?！駅的單位mg/h，t1/2隨初始給藥

濃度值而變化2). 零級動力學消除（恒量消除）513. 安全劑量(virtual

safety

dose，VSD)52指低于此劑量能以99％可信限的水平使超額癌癥發生率低于10-6，即100萬人中癌癥超額發生低于1人。致癌物的VSD可以用多種數學模型或用不確定系數來估算。第三節 毒性作用機制一、化學物質產生毒性的可能途徑二、化學物質的毒性作用三、機體的防御系統四、細胞的運作53一、化學物質產生毒性的可能途徑細胞結構損傷、功能失調毒

性54①化學毒物吸收、分布、代謝、排泄②與靶分子相互作用③細胞修復功能失調二、化學物質的毒性作用55（一）化學物質對生物膜的損害作用（二）化學物質對細胞鈣穩態的影響（三）化學物質對生物大分子的氧化損傷（四）化學物質與生物大分子的共價結合（一）化學物質對生物膜的損害作用56對膜通透性影響對膜流動性影響對膜上蛋白質影響（二）化學物質對細胞鈣穩態的影響1.細胞內鈣穩態（calcium

homeostasis）正常細胞內鈣穩態調節示意圖572.細胞內鈣穩態失調58（1）細胞內鈣穩態失調概念（distrutionofcalciumhomeostasis)在細胞受損時可導致Ca2+內流增加，或Ca2+從細胞內貯存部位釋放增加，或抑制細胞膜向外逐出Ca2+，表現為細胞內Ca2+濃度不可控制的持續增加，即打破細胞內鈣穩態，則稱為細胞內鈣穩態的失調。Ca2+進入/離開細胞液的途徑？進入：質膜鈣通道；細胞內鈣庫釋放通道。離開：Ca2+泵的作用；Na+-

Ca2+交換。(2)細胞內鈣穩態失調機制59Ca2+失調或紊亂，將完全破壞正常生命活

動所必需的由激素和生長因子刺激而產生的短暫的Ca2+瞬變，危及細胞器的功能和細胞骨架

結構，最終激活不可逆的細胞成分的分解代謝

過程。這就是所謂中毒機制中鈣穩態失調學說。①細胞膜通透性增加；②Na+-

Ca2+交換異常；③

線粒體功能障礙。Ca2+變化，損傷細胞的途徑：正常的激素和生長因子刺激的Ca2+信號的受損；鈣依賴性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸內切酶；損傷細胞骨架；損害線粒體；與細胞凋亡有關；60

3.細胞內鈣穩態失調與細胞毒性重金屬離子農藥四氯化碳61重金屬離子62鉛：與Ca2+及CaM結合，激活Ca-CaM依賴酶系； 高濃度時激活巰基，可抑制Ca-CaM

依賴酶系，并呈劑量－效應關系。鎘：可使CaM含量減少；可改變免疫系統、雄性生殖系統以及心肌等。鈣調素拮抗劑可預防或減輕損傷作用。農

藥擬除蟲菊酯為神經毒化合物結果：使細胞核內游離鈣濃度增高機制：可能與其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM和磷酸二酯酶(PEE)有關。63四氯化碳64可抑制肝細胞微粒體Ca2+

-ATPase表現：肝內質網酶活性改變及鈣的蓄積。機制：可產生自由基，攻擊Ca2+

-ATPase上的巰基，使酶活性下降；Ca2+濃度增加，可激活某些酶(磷酸化酶a)（三）化學物質對生物大分子的氧化損傷65自由基的來源定義：自由基（free radicals）是獨立游離存在的帶有不成對電子的分子、原子或離子，主要是由于化合物的共價鍵發生均裂而產生。共同特點：具有順磁性、其化學性質十分活潑、反應性極高，因而半衰期極短，一般以

μs計，作用半徑短。主要形式：氧中心自由基。來源：正常生理過程產生外來化學物質在代謝過程產生最主要的途徑:氧化還原反應（redox

cycling）如：百草枯(PQ++)、阿霉素(DR)和硝化呋喃托英(NF)可從還原酶接受一個電子形成自由基。662.

自由基在機體內的反應狀態：單線態（singlet state）又稱為激發態（1O2）；三線態（triplet state），又稱為基態（3O2）本身毒性低，2

2

2

2但是O

-·、H

O、·OH、1O及LOOH毒性較大673.

自由基對生物大分子的損害作用68脂質過氧化作用及其損害：脂質過氧化(lipid

peroxidation) ：指主要由自由基引起的多不飽和脂肪酸的氧化作用對生物膜具有強烈的破壞作用。自由基的形成與脂質過氧化的關系①啟動階段：脂質過氧化是由一些脂鏈側鏈甲叉碳上除去一個氫的化合物所啟動。OH·是最重要的脂質過氧化的誘導物。谷光甘肽（GSH）是重要的清除劑。②發展階段：已形成的自由基將作為啟動子而產生新的自由基，使反應發展下去。在發展階段中，形成的自由基總數保持不變，一種自由基團可經多種反應轉變成另一種形式的自由基團。去氫后的碳原子形成中心自由基(L·)。與脂質過氧化反應關系最重要的是脂質過氧化自由基和脂質過氧化物的形成。③終止階段：只有二個自由基相互作用，才能使自由基反應鏈終止，消除自由基。69（2）脂質過氧化的后果：70①細胞器和細胞膜結構的改變和功能障礙；②脂質過氧化物的分解產物具有細胞毒性，其中特別有害的是一些不飽和醛類。③對DNA影響；④對低密度脂蛋白(LDL)的作用。機制：①脂肪族氨基酸氧化；②芳香氨基酸與雜環氨基酸殘基的氧化；③含硫氨基酸殘基的氧化；④過渡金屬介導的氧化；⑤脂質過氧化的自由基中間產物作用。后果：凝集、交聯、降解、斷裂途徑：直接作用，間接作用71（3）蛋白質的氧化損傷（4）DNA的氧化損害機理：1）堿基損傷722）DNA鏈斷裂－－三種突變：部分堿基的缺失；被修復的DNA堿基的錯誤摻入和錯誤編碼；引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活（四）化學物質與生物大分子的共價結合73非共價結合（nonconvalent

binding）:共價結合（convalent

binding）:加合物(adducts)---共價形成的穩定復合物，有助于早期診斷和預防判斷遺傳毒性致癌物的標志---DNA加合物非酶促防御系統：天然（GSH、VitC、VitE、尿酸、?；撬岷痛闻；撬幔┤斯ず铣桑ū郊姿徕c、二苯胺、2,6-二叔丁基對羥基甲苯和沒食子酸丙酯）酶促防御系統：超氧化歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化酶（APX）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和谷胱甘肽還原酶（GR）74三、機體的防御系統75四、細胞的運作76（一）細胞運作對物質性質的需求(定性)－－ 需特異的酶和必要的營養素（二）細胞運作對物質數量的需求（定量）－－ 要求適度（三）細胞運作的時間限度（定時）1.

初級作用2.

次級作用3.

三級作用（四）細胞活動與組織活動的協調1.初級作用77主要的初級作用類型：

1）脂質過氧化(lipid

peroxidation)

2）大分子的共價結合(covalent

binding

tomacromolecules)

3）巰基狀態的改變(changes

in

thiol

status)4）酶抑制(enzyme

inhibition)

5）缺血(ischemia)2.次級作用78主要的次級作用類型：膜結構和通透性的改變；細胞骨架的改變；線粒體損害；ATP及其他輔因子耗竭；Ca2＋濃度的改變；DNA損害與聚ADP-核糖基化；溶酶體不穩定；細胞凋亡刺激；內質網損害；3.三級作用79主要的三級作用有：1）脂肪變性(steatosis／fattychange)2）蛋白質變性(protein

degeneration)3）細胞凋亡(apoptosis)

4）壞死(necrosis)5）腫瘤（tumor）毒性作用是毒物與生物(人或動物)機體相互作用的結果。影響因素：毒物因素（化學結構以及物理特性）環境因素（毒物與機體所處的環境條件）機體因素毒物間的聯合作用80第四節 影響毒物毒性作用的因素1）毒物化學結構的影響例1：青霉素（penicillinum）青霉素（或稱盤尼西林，）是指分子中含有青霉烷、能破壞細菌的細胞壁并在細菌細胞的繁殖期起殺菌作用的一類抗生素。青霉素是很常用