毒理学课件 第二章 基本概念

第二章

毒理学基本概念

公共卫生学院

徐莉春1

Addyourtextinhere第一节毒物和毒效应第二节剂量和剂量-反应关系第三节结构-活性关系第四节时间-反应关系第五节选择性毒性、靶器官和高危险人群第六节生物标志第七节毒理学研究方法第八节毒性参数和安全限值目录2第一节毒物和毒效应一、外源化学物和毒性二、损害作用与非损害作用三、毒效应谱四、毒作用分类3一、外源化学物和毒性外源化学物(Xenobiotics)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”。

1.外源化学物外源化学物内源化学物4物质引起生物体有害作用的固有能力。是一种内在的、不变的性质，取决于物质的化学结构。2.毒性（Toxicity）是不能改变的江山易改，本性难移5表

某些化学物的半数致死剂量（LD50）化学物物种途径LD50（mg/kg体重）乙醇三聚氰胺小鼠大鼠小鼠经口经口经口1000030005000

氯化钠小鼠腹腔4000硫酸亚铁大鼠经口1500硫酸吗啡大鼠经口900苯巴比妥钠大鼠经口150滴滴涕（DDT）大鼠经口100木印防已碱大鼠皮下5硫酸士的宁大鼠腹腔2烟碱大鼠静脉1d-筒箭毒碱大鼠静脉0.5河豚毒素大鼠静脉0.1二噁英（TCDD）豚鼠静脉0.001肉毒杆菌毒素大鼠静脉0.000016是某些条件下的表现－－－随条件变化而改变外源化学物暴露↓吸收分布-------→靶器官代谢终毒物排泄分子,细胞,器官----→毒效应3.毒效应（toxiceffect）图

化学物质与生物机体的交互作用化学物对生物体健康引起的有害作用（异常病理现象）也称为毒作用、毒性作用、不良效应、损伤作用或损害作用7毒效应总是和一定的剂量相联系。任何一种化学物，在一定条件下都可能产生毒性效应毒效应与剂量84.中毒（poisoning）

是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。中毒急性中毒如SO2和烟尘引起伦敦烟雾事件、汽车尾气引起的光化学烟雾事件等慢性中毒

如甲基汞引起的水俣病、镉引起的痛痛病等9毒性毒效应中毒毒性、毒效应和中毒之间的关系毒物的本性一定条件下作用（生理生化病理改变）外部临床表现105.毒物

（toxicsubstance,poison,toxicant）在较低的剂量下可导致生物体损伤的物质。（1）毒物定义

文艺复兴人Paracelsus：Allsubstancesarepoisons;thereisnonewhichisnotapoison.Therightdosedifferentiatesapoisonfromaremedy.11（2）分类：按用途和分布范围分工业毒物：如生产原料、辅料、中间体等；环境污染物：如废水、废气、废渣中的各种学物质等；食品中有毒成分：如天然毒素和食品添加剂等；农用化学品：如化肥、杀虫剂等；日常化学品：化妆品、洗涤用品等；生物毒素：如动植物毒素医用药物：如消杀剂等；军事毒物：如芥子气等；放射性核素Poison12肉毒杆菌毒素，成人致死量仅需一亿分之七克(70ng),一克可以杀1200万人。1斤就足够杀光全人类，LD50=0.00001肉毒杆菌，是一种厌氧菌，毒素阻滞神经末梢释放乙酰胆碱从而引起肌肉麻痹。能去皱，用于美容。世界知名毒物

第一位钋（pō），放射性元素，钋210毒性比氰化物高2.5亿倍（氰化物对人致死量是0.1克）。0.1克钋可以杀死100亿人。1898年，波兰（Polonia）居里夫人发现（铀矿）。

13沙林毒气，1995年，东京地铁沙林毒气事件5000人中毒，死亡12人蓖麻毒素，一克可以杀35000人，同等剂量蓖麻毒素的毒性是氰化物的6000倍,是眼镜蛇毒液毒性的两倍。眼镜王蛇毒，一克可以杀15000人。相思子毒素，尼古丁，毒鼠强，氰化物

等。世界知名毒物

炭疽毒素，5加仑(1加仑=4.55升)播撒在纽约城市上空，3天后就会有50万具尸体。2001年9月18美国炭疽事件（5人死亡）14二、损害作用与非损害作用损害作用(adverseeffect)损害作用是外源化学物毒性的具体表现

非损害作用(non-adverseeffect)

指影响生物体行为的生物化学改变，功能紊乱或病理损害，或者降低对外界环境应激的反应能力

是指机体发生的生物学变化在机体适应代偿能力范围内，机体对其他不利因素的易感性也不升高二者没有绝对的分界15三、毒效应谱(spectrumoftoxiceffects)1.毒效应谱机体接触外源化学物后引起的生物学变化。毒效应的性质与强度的变化构成了化学物质的毒效应谱。

①机体对外源化学物的负荷增加⑤死亡④临床中毒③亚临床改变②意义不明的生理和生化改变16有关毒效应谱的叙述中不确切的是（）A.毒效应的性质与强度变化构成毒效应谱B.毒效应谱变化从微小的生理生化变化到临床中毒直至死亡C.毒效应一般由毒作用终点的观察指标来检测D.有机磷农药抑制血液中胆碱酯酶活性属于毒效应特异指标E.苯胺可致红细胞内高铁血红蛋白形成属于毒效应非特异指标E毒效应由毒作用终点观察指标检测特异指标仅该种化学物引起的指标变化非特异指标化学物均引起的指标变化，如体重、死亡172.适应（adaptation）生物体对环境改变的反应，可逆的，不超过正常稳态。3.耐受（tolerance）早先暴露导致对化学物毒作用反应性降低。

4.抗性（resistance）群体对于应激原反应遗传结构改变，与未暴露群体相比有更多个体对该化学物不易感18四、毒作用的分类速发或迟发性作用局部或全身作用可逆与不可逆作用超敏反应特异质反应19按毒作用发生的时间分（一）速发型或迟发型作用

速发性型作用(immediateeffect)机体与化学物质接触后在短时间内出现的毒效应。氰化钾和硫化氢等引起的急性中毒

迟发型毒作用(delayedeffect)机体接触化学物质后，经过一定的时间间隔才表现出来的毒效应。多环芳烃（苯并（a）芘）致癌20按毒作用发生的部位分刺激性气体CO中毒（二）局部或全身作用

局部毒性作用(localeffect)

某些外源化学物在机体接触部位直接造成的损害作用。

全身毒性作用(systemiceffect)外源化学物被机体吸收并分布至靶器官或全身后所产生的损害作用。21按毒作用损伤的恢复情况分（三）可逆与不可逆作用是否可逆主要取决于被损伤组织的再生能力对中枢神经系统的损害不可逆对肝脏的损伤可逆，但肝硬化不可逆

可逆作用(reversibleeffect)停止接触外源化学物后可逐渐消失的毒性作用。

不可逆作用(irreversibleeffect)停止接触后毒性作用继续存在，甚至损害作用可进一步发展。22（四）超敏反应(hypersensitivity)（五）特异质反应(idiosyncraticreaction)

也称变态反应(a11ergicreaction)，机体对外源化学物产生的病理性免疫反应。异常的、过高的免疫应答。机体对外源化学物遗传性异常反应。

体内缺乏NADH高铁血红蛋白还原酶(NADHreductase)，对亚硝酸盐及其他引起高铁血红蛋白症化学物异常敏感。23第二节剂量、剂量－反应关系一、剂量和暴露特征二、剂量－反应关系和量反应、质反应三、量反应和剂量-效应曲线四、质反应和剂量-反应曲线五、毒物兴奋效应24一、剂量(dose)

是指给予机体的量或机体接触的量。（1）暴露剂量（exposuredose)或给予剂量(administereddose)（2）内剂量(internaldose)吸收剂量(absorbeddose)已被吸收进入血液的量。（3）靶器官剂量(targetdose)到达剂量(delivereddose)，内剂量中可到达靶器官部分。生物有效剂量(biologicallyeffectivedose)，到达剂量中到达毒作用部位部分。1.剂量种类潜在剂量(potentialdose)机体实际摄入、吸入或应用于皮肤外源化学物量。应用剂量(applieddose)直接与机体吸收屏障接触可供吸收量。外剂量内剂量252.暴露特征1）经口—mg/kg体重2）吸入—mg/m33）经皮—mg/kg体重4）其他—注射（1）暴露（接触）途径26暴露途径与物质的物理形态有关①气体（gas)②蒸气（vapor)常温常压下呈气态如CO、H2S等固体升华或液体蒸发或挥发如碘蒸气、苯蒸气27粉尘、烟、雾统称为气溶胶。④烟（fume)悬浮于空气中的固体微粒，直径<0.1m。⑤粉尘（dust)悬浮于空气中的固体微粒，直径>0.1m。

③雾（mist)悬浮于空气中的液体微滴。

28（2）暴露（接触）期限急性:24h短期重复剂量：≤1月亚慢性：1-3月慢性：3月以上暴露期限（3）暴露频率（ExposureFrequency）一定时间内染毒的次数一次染毒可能引起毒作用，分次可能不引起毒作用。29二、剂量－反应关系和量反应、质反应1.效应——量反应(gradedresponse)

暴露一定剂量外源化学物后造成个体、器官或组织的生物学改变。计量资料（一）效应和反应2.反应——质反应(quantalresponse)

暴露某一化学物的群体中出现某种效应的个体在群体中所占比率，以百分率或比值表示。属于计数资料，“阴性或阳性”、“有或无”表示。

CO染毒大鼠中100只有40只发生死亡，此为A．效应B．反应

C．剂量-效应关系D．剂量-反应关系E．有的个体不遵循剂量(效应)反应关系规律30（二）剂量-效应关系和剂量-反应关系2.剂量－反应关系（dose-responserelationship）

化学物的剂量与某一群体中反应发生率之间的关系。1.剂量－效应关系（dose-effectrelationship）

化学物的剂量与个体中发生的效应强度之间的关系。定义31剂量－效应关系和剂量－反应关系毒理学的重要概念。剂量－反应关系的存在被视为受试物与机体损伤之间存在因果关系的证据。意义32三、量反应和剂量-效应曲线1.在游离器官/组织的量反应类固醇激素受体

形成配体受体复合物复合物与激素反应元件结合毒物与受体发生非共价结合33雄激素受体研究结果342．在整体动物的量反应图

饲料中机磷化合物敌杀磷染毒7天的剂量-效应关系35四、质反应和剂量-反应曲线直线抛物线S形曲线对称S形曲线非对称S形曲线（最常见）36当群体中的全部个体对某一化学物质的敏感性差异呈正态分布时，剂量与反应率之间的关系表现为对称S形曲线。1.对称S形曲线37群体中的全部个体对某一化学物质的敏感性差异呈偏态分布，剂量与反应率之间的关系表现为非对称S形曲线。2.非对称S形曲线

38无论是对称还是非对称S形曲线，在50％反应率处的斜率最大，剂量与反应率的关系相对恒定。

因此，常用引起50％反应率的剂量来表示化学物质的毒性大小。如半数致死剂量、半数中毒剂量、半数效应剂量等。

39为通过数学的方法更加准确地计算LD50等重要的毒理学参数并得出曲线的斜率，有必要将S形曲线转换为直线。3.剂量—反应曲线的转换40当纵坐标单位用概率单位表示时，对称形曲线即转换为直线反应率概率单位（1）对称S形曲线转换为直线41百分率如何转换为概率单位？表

百分率-概率单位换算表

%012345678902.672.953.123.253.363.453.523.593.66103.723.773.823.873.923.964.014.054.084.12204.164.194.234.264.294.334.364.394.424.45304.484.504.534.564.594.614.644.674.694.72404.754.774.804.824.854.874.904.924.954.97505.005.035.055.085.105.135.155.185.205.23605.255.285.315.335.365.395.415.445.475.50705.525.555.585.615.645.675.715.745.775.81805.845.885.925.955.996.046.086.136.186.23906.286.346.416.486.556.646.756.887.057.33横标目数字为死亡率的个位数，纵标目数字为死亡率的十位数。42组别剂量（mg/kg)动物数死亡死亡率（%）概率单位12102204.1624103304.4838104404.75416105505532106605.25以剂量为x,概率单位为Y，做直线回归方程急性实验动物死亡情况表43如何求LD50?Y=5时，得x=44（2）非对称S形曲线转为直线（分两步走）概率-对数剂量直线型45五、毒物兴奋效应（Hormesis）

毒物在低剂量时表现为刺激作用，而在高剂量时表现为抑制作用。其基本形式是U型，双相剂量-反应曲线亚砷酸钠所致细胞hormesis的分子机制研究

2003年在《Nature》杂志上发表题为Toxicologyrethinksitscentralbelief的文章，有关Hormesis

研究进一步成为毒理学中的热点。

46第三节结构-活性关系（第五章第一节化学物因素）47第四节时间-反应关系（时效关系）（第三章第三节毒物动力学）

定义指化学物进入人体后在不同时间内，呈现不同的效应。

48第五节选择性毒性、靶器官和高危险人群49一种化学物质只对某种物种产生毒性作用；或只对群体中某一个体产生毒性作用；或只对机体内某一组织器官产生毒性作用。（一）选择性毒性(selectivetoxicity)50（二）靶器官(targetorgan)外源化学物直接发挥毒作用的器官。攻击目标

化学物有特定的靶器官。甲基汞与脑，镉与肾化学物可作用于多个靶器官多个化学物可作用相同靶器官。同一靶器官产生相同效应物质，作用机制可能不同。毒效应强弱，取决于靶器官毒物浓度，但不一定是浓度最高场所。DDT脂肪最多，但不是其靶器官靶器官51有关靶器官的下列说法正确的是A.脂肪组织是最常见的靶器官之一B.靶器官一般只有一个不可能多个C.在同一靶器官产生毒效应的化学物质毒作用机制相同D.靶器官一定是该化学物质浓度最高的场所E.苯胺和CO均可作用于红细胞影响其运输氧的能力，但毒作用机制不同EHb的Fe2+（MetHb）Fe3+氧化苯胺Hb＋CO—HbCOHb＋O2—HbO2减少52某器官成为毒物靶器官原因

①器官功能和在体内解剖位置②器官的血液供应③特殊的摄入系统④代谢毒物能力和活化/解毒系统平衡⑤特殊的酶或生化途径⑥与特殊生物大分子结合⑦对损伤的修复能力⑧对特异性损伤的易感性53（三）高危险人群(highriskgroup)同一环境因素变化，少部分反应强烈，患病甚至死亡，大部分反应不大，原因个人易感性（年龄、性别、健康状况、遗传因素等）不同。

易受环境因素损害的那部分易感人群称为高危险人群(highriskgroup)

图2-3高危险人群和一般人群对环境有害因素的剂量-反应关系54构成易感性的生物学基础

①年龄

不同年龄对某些环境因素的反应不同胎儿和新生儿体内酶解毒系统未成熟，血清免疫球蛋白水平低。老人应激功能较低。②性别

某些疾病的发生与性别有关。经产妇痛痛病的发病率高于其他人群。③遗传因素

某些遗传缺陷者对某些毒物异常易感。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏者，暴露氧化剂，因体内还原型谷胱甘肽难于维持正常，红细胞脆性增加，易发生溶血性贫血。遗传多态性影响易感性。55构成这种易感性的生物学基础为

④营养及膳食情况

营养缺乏可以加剧污染物毒作用。维生素A和C不足，易发癌症。汞污染地区吃鱼较多的暴露有机汞机会增多。⑤疾病状况

某些患者易受影响。慢性心肺疾病患者，对SO2污染易感，冠心病病人暴露CO，形成COHb妨碍血液供氧功能，病情恶化。⑥其它56第六节生物标志(biomarker)

效应生物标志外源化学物通过生物学屏障并进入组织或体液后，对该外源化学物或其生物学后果的测定指标。暴露生物标志易感生物标志是判断有无化学物暴露的重要指标，具有一定的标识作用，代表着从暴露到疾病过程的信号。57测定组织、体液或排泄物中吸收的外源化学物及其代谢物或与内源性物质的反应产物，作为吸收剂量或靶剂量的指标，提供关于暴露于外源化学物的信息。

（1）定义内剂量：化学物原型（血铅）、代谢物（尿酚）

（2）分类评价暴露水平或建立生物阈限值（3）意义生物效应剂量：血红蛋白加合物、DNA加合物1.暴露生物学标志（biomarkerofexposure)58机体中可测出的生化、生理、行为或其他改变的指标。提示与不同靶剂量的化学物质或其代谢产物有关的健康有害效应的信息。

（1）定义早期生物学效应：分子水平的改变

（2）分类将接触化学物与疾病相联系，确定剂量—反应关系（3）意义疾病早期生物学效应：分子水平的改变结构和/或功能改变2.效应生物学标志（biomarkerofeffect)59（2）意义

（1）定义3.易感生物标志（BiomarkerofSusceptitility)反映机体先天具有或后天获得的对暴露外源性物质产生反应能力的指标。毒物代谢酶和靶分子基因多态性筛检易感人群，保护高危人群60接触标志效应标志暴露吸收剂量靶剂量生物学效应健康效应易感性标志图从暴露到健康效应的模式图和与生物学标志的关系61毒理学研究方法整体动物试验invivo体外试验invitro人体观察Humanstudy流行病学研究epidemiologicalstudy一般毒性试验特殊毒性试验急性，亚急性，亚慢性，慢性，皮肤和眼刺激性，致敏性，等致突变，致畸，致癌，发育与生殖毒性等离体器官:心、肝、肺、肾、脑等；细胞：原代细胞、细胞株等；细胞器：线粒体、微粒体、胞核等临床毒理学研究：中毒事故的处理或治疗；志愿者研究：低浓度、短时间、可逆性。描述流行病学研究：提出病因假说；分析流行病学研究：验证病因假说，明确因果关系第七节毒理学的研究方法731冻伤试验、细菌试验62第八节毒性参数和安全限值毒性参数毒性上限参数急性毒性试验以死亡为终点的毒性参数

毒性下限参数有害作用阈剂量及未观察到有害作用剂量

一、毒性参数和安全限值（描述毒性大小）二、剂量-反应关系比较（描述毒性特征）63（一）致死剂量或浓度

(Lethaldoseorconcentration)急性毒性试验中外源化学物引起受试实验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。一、毒性参数和安全限值（描述毒性大小）

64引起受试对象全部死亡所需要的最低剂量或浓度。如再降低剂量，就有存活者。

LD100有很大的波动性。（1）绝对致死剂量或浓度（absolutelethaldoseorconcentration，LD100或LC100）65(2)半数致死剂量或浓度（medianlethaldoseorconcentration,LD50或LC50）引起半数动物死亡所需的剂量。通过统计处理计算得到常用以表示急性毒性的大小，最敏感。

LD50数值越小，表示外源化学物的毒性越强；

反之，LD50数值越大，则毒性越低66三聚氰胺的毒性

大鼠口服LD503000mg/kg体重

三聚氰胺被认为低毒物质,在动物体内代谢很快且不会存留，主要影响泌尿系统。但长期或反复大量摄入三聚氰胺可能对肾与膀胱产生影响，导致产生结石。67环境毒理学中，用于表示外源化学物对某种水生生物的急性毒性。水生生物(例如鱼类)50%个体在一定时间(48h)内可以耐受(不死亡)的某种外源化学物的浓度(mg/L)，用TLm48表示。半数耐受限量(mediantolerancelimit,TLm)68（3）最小致死剂量或浓度（minimallethaldoseorconcentration，MLD或LD01）引起受试对象中的个别成员出现死亡的剂量。低于此剂量不引起死亡。4）最大非致死剂量（最大耐受剂量，maximaltolerancedoseorconcentration，MTD或LD0）

不引起受试对象出现死亡的最高剂量。高于该剂量即出现死亡。LD0受个体差异影响，存在很大波动性。LD0和LD100常作为急性毒性试验选择剂量范围依据。>69

低高

─┼──┼─┼──┼→

MTDMLDLD50LD100

LD0LD01

四种致死剂量的数量大小关系最大非致死剂量最小致死剂量绝对致死剂量半数致死剂量<<<70（三）未观察到有害作用水平(noobservedadverseeffectlevel，NOAEL)在规定的暴露条件下，通过实验和观察，一种物质不引起机体(人或实验动物)形态、功能、生长、发育或寿命可检测到的有害改变的最高剂量或浓度。（二）观察到有害作用的最低水平(lowestobservedadverseeffectlevel,LOAEL)在规定暴露条件下，通过实验和观察，一种物质引起机体(人或实验动物)形态、功能、生长、发育或寿命某种有害改变的最低剂量或浓度，此种有害改变与同一物种、品系的正常(对照)机体是可以区别的。LOAEL或NOAEL是评价外源化学物毒作用与制订安全限值的重要依据>71

低高

─┼─┼─────┼─┼──→

NOAELLOAEL

NOAELLOAEL慢性急性表示毒作用下限值指标的数量大小关系72（五）未观察到作用水平(noobservedeffectlevel，NOEL)在规定的暴露条件下，通过实验和观察，与适当的对照机体比较，一种物质不引起机体任何作用（有害作用或非有害作用）的最高剂量或浓度。（四）观察到作用的最低水平(lowestobservedeffectlevel,LOEL)在规定的暴露条件下，通过实验和观察，与适当的对照机体比较，一种物质引起机体某种作用（非有害作用，如治疗作用）的最低剂量或浓度。>73

一种物质使机体（人或实验动物）开始发生效应的剂量或浓度，低于阈值时效应不发生，而达到阈值时效应将发生。（六）阈值（threshold）阈值不是实验能确定的，危险性评价时常用NOAEL或NOEL作为阈值近似值74百万小鼠试验计划

24192只雌性BALB/cStCiflC3H/Nctr小鼠，对2-乙酰氨基芴（2AAF）进行研究。分7组，含2AAF的饲料喂15月，9、12、14、15、16、17、18、24和33月处死动物。2AAF肝细胞癌剂量-反应近线性，无法确定阈浓度。2AAF膀胱癌剂量-反应S形。遗传毒性致癌物没有可检测的阈值

一般毒性和致畸作用剂量-反应关系有阈值(非零阈值)，遗传毒性致癌物和致突变物剂量-反应关系认为无阈值(零阈值)。化学物阈值

75保护人群健康（七）安全限值(safetylimit)

安全限值即卫生标准环境因素的总摄入量的限制性量值。每日允许摄入量ADI生产和生活环境和各种介质中的浓度和接触时间的限制性量值。食品中有害物质限量标准低于此浓度和接触时间，危险可忽略76不确定系数(安全系数)；药物动力学外推（药品安全性评价并考虑到受体敏感性的差别）数学模型动物试验外推到人三种基本方法如何确定安全限值77

制定安全限值时，毒理学资料是重要的参考依据，最重要毒性参数是LOAEL和NOAEL。安全限值是将LOAEL或NOAEL缩小一定倍数，为安全系数或不确定系数。不确定系数100倍物种间差异10倍个体间差异10倍毒效学100.4（2.5）毒动学100.6（4.0）毒效学100.5（3.2）毒动学100.5（3.2）图2-5100倍不确定系数（安全系数）的构成（Renwick,1993）不确定系数(安全系数)法

78各种毒性参数大小比较79有健康问题的地方，就需要有卫生标准。卫生部已组织制定并批准各类卫生标准1800余项，现行有效1257项(2008年)，涉及食品卫生、环境卫生、职业卫生、学校卫生、放射卫生、化妆品、消毒、职业病诊断、放射性疾病诊断、地方病与寄生虫病以及传染病诊断和控制、临床检验、血液等领域。我国的卫生标准80（一）比较剂量-反应关系二、剂量-反应关系比较（描述毒性特征）

急性毒作用带毒作用带（toxiceffectzone）毒作用特点重要参数慢性毒作用带

81半数致死剂量与急性阈剂量的比值，表示为：Zac=LD50/Limac

Zac值小，说明化学物质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；反之，则说明引起死亡的危险性小。(1)急性毒作用带（acutetoxiceffectzone,Zac）───┼───┼→

急性阈剂量(轻微损害）LD50

（死亡）

82为急性阈剂量与慢性阈剂量的比值，表示为：

Zch=Lima