毒理学的基本概念

毒理学的基本概念毒理学、毒性和毒作用毒理学和卫生毒理学毒理学：是研究环境因子（包括化学因素、物理因素或生物因素）对生物机体和生态系统的损害作用及其机制，以及如何预防和减轻此种损害作用的科学。毒理学的研究领域毒理学三个领域描述毒理学关注的是毒性识别，通过动物实验、体外试验、人体研究和流行病学研究以确定环境因子的毒性，为安全性评价，危险度评定和管理提供信息。机制毒理学研究环境因子对生物体毒作用的机制和生物体对环境因子的处置。管理毒理学是根据描述毒理学和机制毒理学的研究结果，协助政府部门进行科学决策并制定相关法律法规和管理措施，以确保进入市场的化学品、药品、食品等足够安全，达到保护人体健康和保护环境的目的。卫生毒理学：是从预防医学的角度，研究人类在生产和生活环境中，可能接触的环境因子对机体损害作用及其机制的学科。卫生毒理学的任务①对环境因子特别是外源化学物进行安全性毒理学评价和危险评定；②研究机体与环境因子有害的交互作用的规律即中毒机制；③为制定有关安全限值/卫生标准和管理措施提供科学依据；④研究预防和治疗化学物中毒的措施。外源化学物、毒物、毒性和中毒外源化学物：是存在于人类的生产和生活环境中，可通过一定的途径接触并进入机体，并呈现一定的生物学作用的化学物质。含义同化学物、化学毒物。内源化学物：是指机体体内原已存在的物质和代谢过程中所形成的产物或中间产物。毒性：是指化学物对生物体引起损害作用的固有的能力。其大小取决于物质的化学结构。化学物对机体健康引起的损害作用称为毒效应。取决于接触量、接触途径和频率。毒作用、损害作用、有害作用。毒物：法规管理的名词，对于急性毒性规定在某个剂量下可引起机体出现有害作用的物质。Paracesus中毒：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。根据病变发生的快慢，中毒可分为急性中毒和慢性中毒。毒理学研究化学物与生物机体有害的交互作用，毒效学研究毒物对机体作用的规律，阐明毒物引起毒效应性质和机制。毒动学和生物转化（代谢）研究机体对毒物的处置的动态变化，包括毒物在体内随时间的量变化和质变化的规律。毒物进入体内，毒动学，毒效应，机体的抗损害作用。毒理学研究方法1.实验动物整体试验又称体内试验2.体外试验3.人体观察4.流行病学研究1.实验动物整体试验又称体内试验，是毒理学的标准研究方法，以整体实验动物为模型，研究实验动物接触外源化学物后产生的毒效应，动物试验的结果可外推至人。2.体外试验利用游离器官、培养的细胞或细胞器进行毒理学研究，在化学物的毒性筛查以及毒作用机制的研究方面具有很大的优越性。3.人体观察必要时可设计和进行不损害健康的受控的人体实验，但仅限于低浓度、短时间的接触，并且毒作用应有可逆性。4.流行病学研究有重要的价值。利用流行病学方法不仅可以研究已知环境因素对人群健康的影响（从因到果），而且还可探索已知疾病的环境病因（从果到因）。但流行病学研究干扰因素多，测定的毒效应还不够深入，有关的生物标志还有待于发展。损害作用、非损害作用和毒效应谱1.损害作用指引起机体的生物化学改变，功能紊乱或病理损害，或者降低对外界环境的应激反应能力和易感性增高。（器质性）2.非损害作用指机体发生的生物学变化应在机体代偿能力范围之内，机体维持体内稳态的能力不应降低，机体对其他外界不利因素影响的易感性也不应增高。（功能性）3.外源化学物作用于生物体的毒效应谱，随剂量的增加可以表现为：①外源化学物的机体负荷增加；②意义不明的生理和生化改变；③亚临床改变；④临床中毒；⑤死亡。机体负荷是指在体内化学物和（或）其代谢物的量及分布。亚临床改变、临床中毒、死亡属于损害作用（毒效应）。毒效应谱还包括致癌、致突变和致畸胎作用。毒作用分类1.速发与迟发作用速发作用指机体接触化学物后在短时间内出现的毒效应。迟发作用指机体接触化学物后，经过一定的时间间隔才表现出来的毒效应。2.局部与全身作用局部作用指发生在化学物对机体直接接触部位的损伤作用。全身作用是指化学物吸收入血后，经分布过程到达体内其他组织器官所引起的毒效应。3.可逆与不可逆作用可逆作用指停止接触化学物后，损伤可以逐渐恢复。不可逆作用是指停止接触化学物后，损伤不能恢复，甚至进一步发展加重。4.特异质反应泛指不同于一般人群的反应，对某些毒物非常敏感的遗传学异常反应。特异质毒性的发生依赖于化学物相关的危险因子（包括代谢，生物活化及共价结合，重要细胞功能的抑制）和人体相关危险因子（包括原有的疾病，年龄，性别）等。超敏反应和先天性遗传缺陷均属于特异质反应。选择毒性、靶器官和高危险人群1.选择毒性：最早是指物种之间毒性差异，一种毒物对某一种生物或组织有损害，而对其它生物或组织器官无毒性作用。可发生在物种之间、个体内（易感器官为靶器官）和群体内（易感人群为高危险人群）。如高毒物质2，3，7，8-四氯二苯-对-二噁英（TCDD）对于豚鼠和仓鼠的LD50可相差1000倍以上。2.靶器官化学物进入机体后，直接发挥毒作用的器官就称为该物质的靶器官。毒效应的强弱，主要取决于毒物在靶器官中的浓度。脑是甲基汞的靶器官，肾是镉的靶器官。但靶器官不一定是该物质浓度最高的器官。例如铅蓄积在骨中，但其靶器官为中枢神经系统和造血系统。同样DDT在脂肪中的浓度最高，但并不对该组织产生毒作用。3.高危险人群在同一环境因素暴露条件下，可有少部分人反应强烈，出现患病甚至死亡。易受环境因素损害的人群称为高危险人群。高危险人群易感性的生物学基础为：年龄、性别、遗传因素、营养状况、疾病状况等。生物标志（生物标志物或生物学标记）生物标志是指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所致生物学后果的测定指标，可分为接触标志、效应标志和易感性标志。1.接触生物标志是测定组织、体液或排泄物中的外源化学物、其代谢物或与内源性物质的反应产物。提供暴露水平的信息。2.效应生物标志指机体中可检测的生化、生理、行为或其他改变的指标。反映与不同靶剂量的外源化学物或其代谢物有关联的健康有害效应的信息。3.易感性生物标志是关于个体对外源化学物的生物敏感性的指标，即反映机体先天具有或后天获得的对接触外源性物质产生反应能力的指标。生物标志可用于：①作为毒性测试的指标；②外源化学物毒作用机制/模式研究；③动物体内试验和体外试验结果外推至人；④外源化学物对人体健康危险度评定。二、暴露特征暴露途径经口、吸入、皮、注射、局部黏膜和各种注射等。化学物形态：①气体。②蒸气。暴露期限和暴露频率暴露期限：毒理学一般将动物实验按染毒期限分成四个范畴：急性、短期重复剂量、亚慢性和慢性毒性试验。暴露频率：暴露频率对重复染毒引起毒作用的影响取决于化学物的消除速率和损伤的修复速率。重复染毒引起毒作用的关键因素是暴露剂量和频率，而不是暴露期限。三、剂量-效应和剂量-反应关系剂量-效应和剂量-反应关系的概念1.剂量：有多种表示方式。可以指机体接触化学物的量或在试验中给予机体化学受试物的量（暴露剂量或外剂量），可分为潜在剂量（是指机体实际摄入吸入的量）和应用剂量（是指直接与机体的吸收屏障接触可供吸收的量）。剂量：又可指化学物吸收入血的量（内剂量），也可指到达靶器官并与其相互作用的量（靶器官剂量或生物有效剂量）。毒理学中通常指外剂量，单位mg/kg体重，mg/m3空气。化学物对机体损害作用取决于其在靶器官中的剂量，一般暴露剂量越大，靶剂量越大，因此提及剂量，应注明途径。2.效应和反应根据所测定的有害作用的生物学和统计学的特点。效应是量反应（计量资料），表示暴露一定剂量外源化学物后所引起的一个生物个体、器官或组织的生物学改变。反应是质反应（计数资料），指暴露某一外源化学物的群体中出现某种效应的个体在群体中所占比例。3.剂量-效应和剂量-反应关系剂量-效应关系表示化学物的剂量与个体或群体中发生的量效应强度之间的关系。剂量-反应关系表示化学物的剂量与某一群体中质效应的发生率之间的关系。化学物的剂量越大，所引起的量反应强度应该越大，或出现的质反应发生率应该越高。这俩关系被视为受试物与机体损伤之间具有因果关系的重要证据。4.剂量-效应和剂量-反应关系曲线以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率或比值为纵坐标、以剂量为横坐标绘制散点图。（1）直线（2）抛物线（3）S形（4）U形（5）低剂量兴奋效应一些有毒物质，在高剂量时产生有害效应，而在低剂量时却具有某些兴奋效应，一些非营养性的有毒物质，在高剂量时产生有害效应，而在低剂量时却具有某些兴奋效应，也会使剂量-反应关系曲线呈U形、倒U形、J形等。剂量-反应关系研究的意义①确认该效应是化学物的毒性反应。②剂量-反应的信息可确定平均（中位数）反应。③剂量-反应曲线的斜率提示危害程度和有效剂量范围。④剂量-反应曲线左侧的形状可能表示人群中存在一定比例的极易感的亚人群。⑤以特定的终点反应的平均值和范围可对不同化学物进行定量比较，特别是如果在类似条件下收集的信息。⑥从剂量-反应数据可能得到未观察到效应水平（NOEL）或未观察到有害效应水平（NOAEL），也可得到基准剂量。这些参数可用于安全性评价和危险评定。四、时间-反应关系在毒理学中，时间-反应关系涉及多个方面，如在某一固定剂量时，毒效应发生的时间过程，或对于相同的效应，时间与剂量的关系。1.潜伏期指在单次剂量或短期暴露化学物后至出现第一个临床症状/体征所需的时间。暴露与效应出现之间的时间间隔取决于暴露剂量。t·Dn＝常数t＝中位潜伏期，D＝剂量或浓度，n＝通常大于1并且依赖于物质、机体和测试条件。2.延迟效应一些化学物的毒效应只有在长期暴露后才出现。因为在毒效应出现之前必须有效应蓄积。灭鼠剂因毒磷抑制凝血酶原合成，当凝血酶原贮备耗竭可发生严重内出血，引起大鼠死亡。饲料浓度在3.2～400mg/kg大鼠中位死亡时间为5～7天；饲料浓度在1.6mg/kg时中位死亡时间即延长至30天。3.效应持续时间仅用于停止暴露后可逆的效应。如果在靶器官中化学物或其代谢产物某一时间浓度超过了最小有效浓度Ceff，即可发生效应；反之则效应消失。4.暴露时间与浓度对于达到某一反应/效应，暴露时间与浓度存在关系式C·t＝K（常数）如果物质以固定的浓度（C）存在，吸收量将与浓度和暴露时间的乘积成比例。换句话说，累积剂量与C·t成比例。当累积剂量等于有效剂量时，就发生效应。毒物浓度与暴露时间关系【例题】下列哪项不属于卫生毒理学研究任务A.对外源化学物进行毒理学评价和危险评定B.研究机体中毒机制C.保护高危险人群D.为制定有关安全限值提供科学依据E.研究预防和治疗化学物中毒的措施『正确答案』C『答案解析』卫生毒理学的研究任务主要有：①对环境因子特别是外源化学物进行安全性毒理学评价和危险评定；②研究机体与环境因子有害的交互作用的规律即中毒机制；③为制定有关安全限值/卫生标准和管理措施提供科学依据；④研究预防和治疗化学物中毒的措施。【例题】外源化学物对生物体引起损害作用的固有的能力是A.毒效应谱B.毒素C.毒物D.毒性E.中毒『正确答案』D『答案解析』毒性是指化学物对生物体引起损害作用的固有的能力。毒性是物质一种内在的，不变的性质，取决于物质的化学结构。【例题】毒效应谱包括A.负荷增加B.亚临床变化C.死亡D.致畸致癌致突变作用E.以上都是『正确答案』E『答案解析』毒效应谱，随剂量的增加可以表现为：①外源化学物的机体负荷增加；②意义不明的生理和生化改变；③亚临床改变；④临床中毒；⑤死亡。毒效应谱还包括致癌、致突变和致畸胎作用。【例题】以下关于靶器官叙述不正确的是A.是化学物直接发挥毒作用的器官B.毒效应的强弱主要取决于毒物在靶的浓度C.甲基汞的靶器官是脑组织D.靶器官中毒物的浓度一定最高E.骨骼不是铅的靶器官『正确答案』D『答案解析』靶器官不一定是该物质浓度最高的器官。例如铅蓄积在骨中，但其靶器官为中枢神经系统和造血系统。【例题】以下不是毒理学研究方法的是A.数理统计法B.整体实验法C.体外实验法D.人体观察法E.流行病学研究『正确答案』A『答案解析』数理统计法是流行病学的研究方法，不是毒理学研究方法。【例题】吸收入血的外源化学物的量为A.暴露剂量B.潜在剂量C.应用剂量D.内剂量E.靶剂量『正确答案』D『答案解析』内剂量为经吸收到机体血流的外源化学物的量。此定义说明只有在接触部位被吸收的剂量才造成远离部位的损害。【例题】关于剂量-反应关系叙述不正确的是A.确认化学物毒性B.可确定平均反应，给出易感性范围C.对不同化学物进行定量比较D.确定基准剂量，为危险度评价收集资料E.确定何种暴露途径危害更显著『正确答案』E『答案解析』剂量-反应关系只能观察剂量和发生反应的发生率的关系，不能确定是何种暴露途径。五、表示毒性的常用参数致死剂量或浓度1.绝对致死剂量或浓度（LD100或LC100）是指引起一组受试实验动物全部死亡的最低剂量或浓度。表示或比较外源化学物毒性时，一般不用该指标，由于个别个体耐受性过高。2.半数致死剂量或浓度（LD50或LC50）是指引起一组受试实验动物半数死亡的剂量或浓度。是经统计学计算得到的数值，用以表示急性毒性的大小。LD50数值越小，表示急性毒性强。3.最小致死剂量或浓度（LD01，MLD或LC01，MLC）是指一组受试实验动物中，仅引起个别动物死亡的最小剂量或浓度。4.最大非致死剂量或浓度（LD0或LC0）是指一组受试实验动物中，不引起动物死亡的最大剂量或浓度。观察到损害作用的最低剂量（LOAEL）是在规定的暴露条件下，某种物质引起机体（实验动物或人）出现某种损害作用的最低剂量或浓度。未观察到损害作用剂量（NOAEL）是在规定的暴露条件下，某种物质不引起机体出现可检测到的损害作用的最高剂量或浓度。比NOAEL高一个剂量组即为LOAEL，急性、短期重复剂量、亚慢性和慢性毒性试验都可分别得到各自的LOAEL和NOAEL。LOAEL和NOAEL是评价外源化学物毒作用与制定安全限值的重要依据。观察到作用的最低剂量和未观察到作用剂量（LOEL和NOEL）概念同上述LOAEL和NOAEL，但描述的是非损害作用，例如治疗作用。损害作用的阈值指一种物质使机体开始发生效应的剂量或浓度。损害作用的阈值为一种物质的剂量，低于阈值时效应不发生，达到或高于阈值发生效应。损害作用阈剂量应该在实验确定的NOAEL和LOAEL之间。在进行危险评定时通常用NOAEL作为阈值的近似值。安全限值是指为保护人群健康，对某种环境因素（物理、化学和生物性）的总摄入量的限制性量值或在生活和生产环境及各种介质（空气、水、食物、土壤等）中所规定的浓度和暴露时间的限制性量值。①基于健康的指导值，以单位体重表达对人群不产生有害作用的剂量或浓度。包括：每日允许摄入量（ADI）、可耐受的每日摄入量（TDI）等。②涉及具体的暴露条件和介质，以单位环境介质表达，根据人体健康安全限值和暴露评定的结果，进一步考虑技术上和经济上的可行性，得到在各种环境介质中的卫生标准。包括：职业卫生标准、环境空气质量标准等。一般认为，外源化学物的系统毒性和致畸作用是有阈值的。制定安全限值是从动物实验或人群调查得到LOAEL或NOAEL。安全限值＝NOAEL/不确定系数。而遗传毒性致癌物和细胞致突变物通常认为是无阈值的，只能使用实际安全剂量（VSD）：是指此剂量能以99%可信限的水平使超额癌症发生率低于10-6。六、剂量-反应关系比较暴露范围和危害范围暴露范围（MOE），表示为MOE＝NOAEL/人群暴露量。MOE大，发生有害作用危险小。危害范围（MOH），表示为MOH＝人群暴露量/安全限值。MOH大，发生有害作用危险大。毒作用带急性毒作用带（Zac）Zac＝LD50/Limac。Zac值小，说明化学物从产生急性轻微损害到导致急性死亡的剂量范围窄，引起死亡的危险大。慢性毒作用带（Zch）Zch＝Limac/Limch。Zch值大，说明化学物从产生轻微的慢性毒效应到急性中毒之间剂量范围宽，故发生慢性中毒的危险大。