环境毒理学的基本研究方法

关于环境毒理学的基本研究方法第1页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三毒理学

实验基础第2页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

研究方法流行病学研究受控的临床研究毒理学体内试验毒理学体外试验优点·真实的暴露条件·规定的限定暴露条·易于控制暴露条件·影响因素少，易于控

·在各化学物之间发生相·在人群中测定反应·能测定多种效应

制

互作用·对某组人群(如哮喘)·能评价宿主特征的作用·可进行某些深入的研

·测定在人群的作用的研究是有力的(如：性别、年龄、遗究(如：机制，代谢)·表示全部的人敏感性·能测定效应的强度

传特征等和其他调控因·人力物力花费较少

素饮食等)·能评价机制缺点·耗资、耗时多·耗资多·动物暴露与人暴露相关·不能全面反映毒作用

·多为回顾性，无健康·较低浓度和较短时

的不确定性

不能作为毒性评价和

保护间的暴露·受控的饲养条件与人的

危险性评价的最后依

·难以确定暴露，有混杂·限于较少量的人群

实际情况不一致

据

暴露问题(一般<50)·暴露的浓度和时间的模·难以观察慢性毒作用

·可检测的危险性增加必·限于暂时、微小、

式显著地不同于人群的

需达到2倍以上

可逆的效应暴露

·测定指标较粗(发病率，·一般不适于研究最

死亡率)

敏感的人群毒理学研究方法的优缺点第3页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1实验动物和人对外源化学物的反应敏感性不同，有时甚至存在着质的差别2高剂量向低剂量外推的不确定性3小数量实验动物到大量人群外推的不确定性4成年健康动物向年老体弱及患病个体外推的不确定性实验动物的毒理学实验资料外推到人群接触的安全性时的不确定性第4页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1化学物在实验动物产生的作用，可以外推于人。基本假设①人是最敏感的动物物种；②人和实验动物的生物学过程与体重

(或体表面积)相关。2实验动物必须暴露于高剂量，这是发现对人潜在危害的必需的和可靠的方法。

3成年的健康(雄性和雌性未孕)实验动物和人可能的暴露途径是基本的选择。描述毒理学试验的基本原则第5页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1受试物毒作用的表现和性质

2剂量—反应(效应)研究

3确定毒作用的靶器官

4确定损害的可逆性

毒理学毒性评价试验的基本目的第6页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三实验动物（laboratoryanimal）指经人工培育，对其携带微生物实行控制，遗传背景明确，来源清楚，可用于科学研究的动物。实验动物的选择第7页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三实验动物的选择物种选择

选择对外液化学物的毒性反应及代谢特点与人类接近的物种；选择自然寿命不太长的物种；选择易于饲养和实验操作的物种；选择经济并易于获得的物种。

第8页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三近交系动物连续20代以上兄妹交配或亲子交配培育突变系动物突变的基因可世代相传并保持遗传基因特性杂交群动物两个不同近交系之间有目的进行交配，所产生的第一代动物，亦称杂交一代动物。封闭群动物

5年以上不从外部引进新血缘，仅由同一品系的动物在固定场所保存繁殖的动物群

实验动物的选择品系选择第9页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三无菌动物体内外均无任何微生物和寄生虫无特定病原体动物（SPF）体内无特定微生物和寄生虫存在的动物(无传染病)。饲养于封闭的系统。清洁动物与SPF的不同：抗体检查常有脑脊髓炎病毒、鼠肝炎病毒等抗体滴度，但不应有临床症状、病理改变及自然死亡。饲养在半屏蔽系统。微生物控制的选择实验动物的选择第10页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三个体选择

1年龄2性别3生理状态4健康状况

实验动物的选择第11页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

品系周龄 Wistar SD

雌性 雄性 雌性 雄性

3 54 56 50 52 4 91 97 86 101 5 134 134 130 150 6 166 187 172 206 7 209 233 210 262 8 214 297 240 318 9 232 325 258 365 10 246 370 272 399 大鼠体重与周龄的关系第12页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

小鼠体重与周龄的关系

品系周龄 昆明 BALB/c C57BL/6 615

雌性 雄性 雌性 雄性 雌性 雄性 雌性 雄性

0 1.95 2.10 1.40 1.46 1.40 1.44 1.58 1.58 1 5.54 5.82 3.35 3.50 3.42 3.50 4.64 4.64 2 7.90 8.35 5.50 5.60 5.55 5.60 7.96 7.96 3 13.55 14.80 7.32 7.40 6.40 6.90 9.83 9.83 4 21.35 22.60 11.60 12.45 12.20 12.57 15.75 19.00 5 27.90 33.25 14.75 16.10 16.90 18.10 20.75 22.58 6 32.80 39.25 15.60 17.40 18.40 20.50 21.88 25.96 7 34.70 39.90 16.10 18.65 19.00 21.60 23.12 27.96 8 34.80 40.05 18.16 20.25 20.25 22.40 24.16 28.83 第13页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1未处理对照组(空白对照组)：本底值，质量控制2阴性(溶剂／赋形剂)对照：与染毒组比较的基础3阳性对照：检测试验体系的有效性4历史性对照：检查试验体系的稳定性，即进行实验室质量控制和保证

毒理学试验常用对照第14页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

对各个毒理学试验应该用同一种、同一批号受试物

受试物成分和配方必须固定

如是异构体混合物，异构体比例必须固定

活性成分的百分含量和可检测的杂质的浓度也应固定

受试物在贮存期内稳定性和在饲料中的稳定性必须进行研究并报告

受试物应一次备齐全部实验的用量受试样品第15页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三毒理学试验设计的统计学要求

随机、重复、对照原则对常规毒理学试验资料的统计学方法计量资料：一般用t检验或ANOVA

记数资料：卡方检验毒理学试验的统计学第16页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1

处理组与对照组比较差别有无显著性2

有无剂量-反应关系3

是否伴有其他相关参数的改变4

是否在“正常”值范围

实验结果的判断第17页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第一节急性毒性试验一、急性毒性试验的目的：

1、确定供试化学物急性毒性的剂量—反应关系和中毒特征；

2、求LD50或LC50,为急性毒性评价提供依据。

3、研究毒物的毒动学和毒效学过程。表示急性毒性大小：

LD50(对受试物的个体感受性影响较小，有更高的重现性)第18页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三二、试验程序与评价

1．动物选择：首选受试物在体内代谢情况与人体内相近的或对受试物最敏感的品系。一般：以哺乳动物为主，常用大鼠、小鼠；经皮：兔、豚鼠、猪应对两种性别、成年和幼年动物进行测定。选择两种以上的实验动物，最好一为啮齿类，一为非啮齿类。(目的：核对种间差异)第19页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2．染毒途径与方式：一般与人的接触途径相同。

(1)经口染毒：常用灌胃法，也可将受试物放在饮水中由动物自由摄取。

(2)经呼吸道染毒：将实验动物放在有毒气或粉尘的染毒柜内进行染毒。急性吸入染毒采用静式染毒瓶(柜)，染毒2—4h。

(3)经皮肤染毒：主要用于化学物经皮(或粘膜)吸收所引起的急性毒性。正式给药前24h，背部脱毛，勿伤皮肤。将受试物均匀涂布于皮肤表面，用纱布覆盖，共敷24h。第20页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三3．试验程序：（1）剂量与分组①预试验：找出受试物大致致死量范围(死亡率为10%~90%)；例：欲做化合物A的经口预试验。化合物B的化学结构与A相似，已知B的=LD50=40(预期毒性中值)。则预试验取2.5、10、40、160、640(上下各推1~2组，组距应较大，初始4倍差)

第21页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三③求LD50正式试验：在LD100与LD0之间设5—7个剂量组。

组距(对数)

或

式中：n------设计的剂量组数（2）症状观察

时间：24h或两周内的反应第22页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第23页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三三、LD50的计算与结果评价

计算方法：概率单位法和寇氏法。

LD50值愈小，毒性愈大。第24页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第25页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第26页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三概率单位法第27页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第28页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三存在正态曲线关系。标准正态差d=(x-μ)/δ

式中：x——剂量对数；

μ——剂量对数均数

δ——标准差第29页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三d=0，左边面积(死亡率)为50％，右边面积(存活率)50％d=1，死亡率为84.13％，d=2，死亡率为97.73％,d＞2，死亡率接近100％。d=一1，死亡率为15.87％。d=一2，死亡率为2.27％。d＜一3，死亡率接近0。第30页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第31页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三从上表，可以任一死亡率换算为相应的概率单位。第32页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三A：剂量对数~死亡百分率B：剂量对数~概率单位第33页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第34页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三LC50计算步骤如下：a.根据死亡率查概率单位(死亡率为100％或0％不计)b.绘图求回归方程。c.求y=5的浓度对数（m），其反对数即为LC50y=2.78x-2.76同理可得LC5、LC10、……第35页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三d.求LC50的可信限先求LC50的标准误差(Sm)：

S(校准差)=1/k

本例中：S=1/2.78

第36页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第37页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三平均致死量法（又名寇氏法）

试验要求：①每个试验组动物数相同；②各组剂量按等比级数分组；③最大剂量的死亡率最好为100％或与之接近，最小剂量的死亡率最好为0％或与之接近。第38页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三式中：Xm——最大剂量的对数值；i—相邻剂量比值的对数；

——各组死亡率的总和（以小数表示）。第39页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三例小鼠腹腔注射致百虫急性毒性试验结果如下表所示，求

LD50第40页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三式中：p——一个组死亡率；q——一个组存活率；i——相邻剂量比值的对数；h——各组动物数。第41页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第42页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第二节亚慢性和慢性毒性试验一、蓄积试验及其方法：（一）蓄积作用：某些物质以较小剂量反复作用于机体，可使机体对该物质的反应性增强，即一次染毒不引起明显中毒反应或死亡的剂量，经分次重复染毒后，可引起明显中毒或死亡，此种现象称为蓄积作用(accumulation)。可分两种：

物质蓄积：毒物在体内的排出量小于进入量，以致毒物在体内的贮留量增多为物质蓄积；

功能蓄积：毒物进入机体后，并未发现在体内明显贮留，但可引起机体功能改变的逐渐累积，导致对该毒物的反应性增强。第43页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

耐受性(tolerance)：机体多次接触化学物质后．对该物质产生反应性减弱的现象，显示不易发生慢性中毒。

（二）蓄积作用的测定方法有多种，常用蓄积系数法。蓄积系数(accumulationcoefficient)K：

ED50(n)——多次染毒使半数动物出现某种效应的总剂量;ED50(1)——一次染毒引起同一效应半数效量。第44页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三若以死亡为毒效应指标，上式为K越小，受试化合物的蓄积毒性越大。K蓄积作用强度＜1高度蓄积1~3明显蓄积3~5中度蓄积＞5轻度蓄积第45页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1．固定剂量法：固定每天染毒剂量为1/20—1/5LD50，连续染毒，直至实验动物半数死亡。如果染毒剂量累计已达5个LD50

动物死亡仍末达半数，实验均可告结束，计算蓄积系数，作出评价。

2．递增剂量法：先测定LD50（1），然后对另一组动物每天染毒，以4天为一期，开始给予0.1LD50。以后每期按1.5倍递增剂量，直至动物半数死亡，或实验已达28天，可结束实验，计算系数。

3.二十天试验法：选用大鼠或小鼠每个剂量组雌雄各10只，以1/2、l/5、1/10、1/20LD50分别对每组进行染毒，每日1次，共20天。如l/20LD50组动物有死亡，且有剂量—反应关系，则有较强蓄积作用；如1/20LD50组无死亡，则为弱蓄积。蓄积系数的测定第46页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三二、亚慢性毒性作用及其试验方法：1、目的：确定化学物亚慢性毒性的阈剂量和NOEL。2、试验期限：3-6月；呼吸道吸收：30-90天；皮肤毒性：30天。3、试验动物的选择、饲养环境及染毒途径：

试验动物选择：对受试化学物敏感的物种或品系；

环境：营养合理，饮水清洁、充足、温、光、湿适宜；

染毒途径：尽量模拟人类在环境中接触受试化学物的途径，与急性毒性试验相似。第47页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三4、剂量选择与分组

剂量：1／80—I／50LD50，对于在体内不产生蓄积作用而排泄又快的物质可适当加大剂量，反之则可减少剂量。

设3—4个实验组和1个对照组。

实验组要求：在实验结束时

最低剂量组不产生可观察到的毒性反应；

最高剂量组能引起明显毒性反应，但不引起死亡；

中间剂量组产生轻微毒性反应。第48页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三5、症状观察一般性指标(非特异)①一般综合性指标：动物体重增长率、食物消耗率、活动能力等。②一般化验性指标：主要指血和肝、肾功能的检测。(2)特异指标：测定特异性反应。更确切阐明该物质的阈剂量(浓度)及无作用剂量(浓度)。(3)病理组织学检查：实验中死亡动物的病理检查及实验结束时的尸检。第49页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三三、慢性毒性作用及其试验方法1、目的：评价化学物在长期小剂量作用的条件下对机体产生的损害及其特点．确定阈剂量和最大无作用剂量。2、试验方法：（1）动物选择、染毒方法、观察指标等与亚慢性毒性试验相似；（2）染毒期限：1-2年或终身染毒，也有人提出6月。（3）剂量分组：

3个染毒组和一个对照组。高剂量组：1/5—1/2亚慢性试验阈值；中间剂量：1/50—1/10；低剂量组：1/100。第50页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第四节致突变实验一、目的确定外源化学物对生物体是否具有致突变作用。基因点突变试验、染色体畸变试验、DNA损伤试验。二、供试生物：微生物、动物细胞、昆虫、动物或植物三、试验方法体外基因突变试验、细胞遗传学试验、体内基因突变试验、DNA损伤试验第51页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（一）体外基因突变试验1、Ames试验（鼠伤寒沙门氏菌/动物肝细胞微粒体试验）

（1）原理：利用一种突变微生物菌株与被检测化学物接触，使突变型微生物回复突变，重新成为野生型微生物。

突变型微生物不具备合成组氨酸的能力，不能在不含（或低浓度）组氨酸培养基上生长。第52页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（2）方法：将突变型沙氏菌在不含（或低浓度）组氨酸培养基上培养,以其生长状况作为指标。在培养基中加入哺乳动物的肝细胞微粒体：提高灵敏度。第53页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（3）特点：优点：简便、灵敏、快速（48h）、费用低；检测结果与对动物的致癌性的相符率达约90%。

缺点：利用微生物作为供试物，不能全面反映哺乳动物的遗传信息，仅1/6；微生物的DNA修复系统与动物有差异；微生物无免疫功能。

第54页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2、哺乳动物体细胞突变试验（1）方法原理与微生物突变类似。

常用的细胞株：中国地鼠肺细胞V79

中国地鼠肺卵巢细胞(CHO）小鼠淋巴瘤L5178Y细胞株。第55页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三V79、CHO细胞株正常细胞：缺乏利用嘌呤碱的酶HGPRT，不能在加入类嘌呤碱类物质的培养基上生长；突变细胞：可在加入类嘌呤碱类物质的培养基上生长。L5178Y突变细胞株正常细胞：缺乏胸苷激酶（TK），不可在含有细胞毒物5-溴脱氧尿苷的培养基上生长。突变细胞：可在此种培养基上生长。第56页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（二）细胞遗传学试验染色体畸变试验：直接在显微镜下观察染色体结构和数目的改变情况。生殖细胞或体细胞、体外或体内试验。体外：CHO细胞:分裂快、数目适中、形态清晰；人类外周血淋巴细胞体内：受试动物骨髓细胞或其他（胸腺、脾、精原细胞）染色体畸变率的变化。第57页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（1）试验方法：

a.体外培养：

CHO细胞或人类外周血淋巴细胞与化学物，在细胞培养液（DMEM,RPM,1640或1999）中，370C下培养24h(CHO)或72h(人类细胞）。观察前2h加入秋水仙碱（中期分裂阻断剂），制片，镜检观察。

b.体内染色体畸变分析：大鼠、小鼠，染毒饲养，观察骨髓细胞染色体畸变情况。第58页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第四节环境流行病学方法一、概念和特点：流行病学：研究特定人群中有关健康的状态和事件的分布以及影响这些分布的决定因素；环境流行病学：应用流行病学的原理和方法，重点研究人们在生活和工作环境中各种因素与人群健康的关系。一般流行病学研究的内容是疾病在人群中的分布，它要回答三个问题：

(1)疾病在时间、地点、不同人群中是怎样分布的?(2)什么因素是该病的主要决定因素?(3)怎样控制该病的流行?第59页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三环境流行病学除了上述一般内容，还有它本身的特点。

(1)它不仅研究疾病的分布规律，而且更经常地研究疾病前的状态，即包括无异常〔健康)、微弱的功能改变、疾病的前期(亚临床状态)等各种健康状况，揭示环境污染或某些微量元素的健康效应。

(2)环境流行病学研究的暴露因素主要是理化因素。①已知暴露因素，研究其对健康的影响；环境毒理学工作者所进行的大量工作就属于这种。例如金属冶炼厂铅污染大气对居民健康影响，磷肥厂氟污染大气对居民健康影响的调查等。②出现健康异常，追究引起异常的暴露因素，这属于探讨病因的研究。例如，近年来我国学者对于鼻咽癌、食道癌病因的研究，对克山病、大骨节病病因的研究，均属于此种类型。日本的水误病和痛痛病的病因是重金属污染造成的公害病领域里的研究成果，影响深远。

(3)环境流行病学研究的最终日的是为消除污