外源化學(xué)物的毒作用及其影響因素

當(dāng)外源化學(xué)物進入機體后，經(jīng)過生物轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)化，化學(xué)物或其代謝物不斷作用于生物體，對機體靶組織產(chǎn)生不良或有害的生物學(xué)效應(yīng)，這一過程稱為化學(xué)物的毒作用(toxicaction)。一、外源化學(xué)物的來源及其分類

1.環(huán)境污染物:生活三廢、汽車尾氣、居室、建筑材料、火山爆發(fā)等。2.工業(yè)毒物:工業(yè)三廢、礦山開采等

3.醫(yī)源性物質(zhì):人用和獸用藥物、治療用品廢棄物等

4.天然毒素:動物毒素（包括陸生生物和水生生物）、植物毒素、微生物毒素

(一)毒物的來源毒物分類的目的有助于了解毒物的化學(xué)和生物學(xué)特性有助于制定法規(guī)有助于管理有助于毒理學(xué)研究(二)外源化學(xué)物的分類毒物的分類(1)

按靶器官分：肝臟毒物、腎臟毒物、神經(jīng)毒物等。按用途分：農(nóng)藥、溶劑、食品添加劑等按毒性作用分：致癌物、致突變物、致畸物等按來源分：動物、植物、微生物毒素按物理形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、粉塵按化學(xué)物類型：芳香胺，鹵烴類等按毒性強度：劇毒、高毒、低毒按標(biāo)記要求：易燃、易爆、氧化劑等按特殊需要：急、慢性毒物毒物的分類(2)

機體對外源化學(xué)物的負荷增加意義不明的生理、生化改變亞臨床改變臨床中毒死亡外源化學(xué)物對機體的毒效應(yīng)譜二、毒作用譜(spectrumoftoxiceffect)機體接觸外源化學(xué)物后，由于化學(xué)物的性質(zhì)和劑量不同，可引起多種變化，稱為毒效應(yīng)譜(一)毒效應(yīng)譜

毒效應(yīng)譜適應(yīng)(adaptation)是機體對一種通常能引起有害作用的化學(xué)物顯示不易感性或易感性降低抗性(risistance)是用于描述某一群體對于應(yīng)激原反應(yīng)的遺傳機構(gòu)改變，以至與未暴露的群體相比有更多的個體對該化學(xué)物不易感性。耐受(tolerance)

對個體是指獲得對某種化學(xué)物毒作用的抗性,是由于試驗前對某化學(xué)物或結(jié)構(gòu)類似物的暴露導(dǎo)致對該化學(xué)物毒作用反應(yīng)性降低的狀態(tài)(如鎘與MT)。也可用于暴露前即有高頻率的抗性基因的群體。局部毒性(localtoxicity)：指作用出現(xiàn)于生物體初次接觸的部位。全身毒性(systemictocicity)：指毒物被吸收后，隨血循環(huán)分布全身而呈現(xiàn)的毒性作用。按毒作用發(fā)生的部位分類(二)毒作用類型按毒作用發(fā)生的時間分類急性毒性(acutetoxicity)指短時間內(nèi)一次或多次接觸化學(xué)物后，在短期內(nèi)出現(xiàn)的毒效應(yīng)。慢性毒性(chronictoxicity)指長期、甚至終生接觸小劑量化學(xué)物緩慢產(chǎn)生的毒作用。遲發(fā)性毒性(delayedtoxicity)指在接觸化學(xué)物當(dāng)時不引起明顯病變，或者在急性中毒后可暫時恢復(fù)，但經(jīng)過一段時間后，又出現(xiàn)一些明顯的病變或臨床癥狀，如CO和有機磷農(nóng)藥中毒。遠期毒性(remotetoxicity)指化學(xué)物作用于機體或停止接觸后，經(jīng)過若干年，而后發(fā)生不同于中毒病理改變的毒作用。按毒作用損傷的恢復(fù)情況分類可逆毒性(reversibletoxicity)：指停止接觸毒物后，毒性作用可逐漸消退。不可逆毒性(irreversibletoxicity)：指停止接觸毒物后，毒性作用繼續(xù)存在，甚至損害可進一步發(fā)展。高劑量、長時間接觸引起。中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷、致畸、致癌作用一般為不可逆損傷。

按毒作用性質(zhì)分類一般毒性(generaltoxicity)指化學(xué)物質(zhì)在一定的劑量范圍內(nèi)經(jīng)一定的接觸時間，按照一定的接觸方式，均可能產(chǎn)生某些毒作用。特殊毒性(specifictoxicity)指接觸化學(xué)物質(zhì)后引起不同于一般毒作用規(guī)律或出現(xiàn)特殊病理改變的毒作用。

過敏性反應(yīng)(allergicreaction)某些化學(xué)物可以作為半抗原與內(nèi)源性蛋白質(zhì)結(jié)合成抗原，從而激發(fā)抗體產(chǎn)生。反復(fù)接觸該物質(zhì)后，可產(chǎn)生抗原抗體反應(yīng)，引起典型的、與一般毒性表現(xiàn)明顯不同的過敏癥狀。特征：與個體敏感性有關(guān)，與接觸劑量無關(guān)

某些化學(xué)物直接作為全抗原，產(chǎn)生過敏反應(yīng)。特異體質(zhì)反應(yīng)(idiosyncraticreaction)

指由遺傳決定的特異體質(zhì)，對某種化學(xué)物所產(chǎn)生的異常反應(yīng)。缺乏膽堿酯酶：給予琥珀酰膽堿后，呈現(xiàn)持續(xù)的肌肉僵直和窒息。缺乏NADPH高鐵血紅蛋白還原酶:對亞硝酸和高鐵血紅蛋白劑異常敏感，易引起高鐵血紅蛋白癥致癌作用(carcinogenesis)

致畸作用(teratogenesis)致突變作用(mutagenesis)毒作用形式物理性作用化學(xué)性作用生理性作用三、毒作用特征

(一)劑量-反應(yīng)關(guān)系(dose-responserelationship)劑量－反應(yīng)關(guān)系是指接觸特征與毒效應(yīng)譜之間的關(guān)系，是毒理學(xué)研究的一個基本問題，它從量的角度闡明毒物作用的規(guī)律性，可反映毒作用的特征。劑量－給予機體的量或機體接觸的量效應(yīng)(effect)和反應(yīng)(response)

表達和描述接觸一定劑量的毒物后所發(fā)生的生物學(xué)作用的強度和發(fā)生率的情況毒物作用的三個時相毒物毒物存在的劑型和劑量可吸收的毒物吸收、分布代謝和排出接觸相動力相毒效相靶組織中與受體相互作用效應(yīng)活性物的有效劑量毒代動力學(xué)toxicokinetics毒效動力學(xué)toxicodynamics研究機體對化學(xué)物的作用研究化學(xué)物對機體的作用

效應(yīng)：指機體在接觸一定劑量的化學(xué)物后引起的生物學(xué)改變，生物學(xué)效應(yīng)一般具有強度性質(zhì)，大多數(shù)觀察結(jié)果都是計量資料。如酶活性的改變。這類效應(yīng)稱為量效應(yīng)，通常用均數(shù)表示。有些效應(yīng)無強度差別，只能以計數(shù)資料表示，稱為質(zhì)效應(yīng)。如死亡。反應(yīng):指接觸一定劑量的化學(xué)物后，表現(xiàn)某種效應(yīng)并達到一定強度的個體在群體中所占的比例。例如：50％死亡率。

效應(yīng)僅涉及個體，即一個人或動物;可以用一定計量單位來表示其強度。

需注意，有時根據(jù)需要和資料的性質(zhì)，可將質(zhì)效應(yīng)和量效應(yīng)的資料相互轉(zhuǎn)換。

反應(yīng)則涉及群體，如一組動物或一群人；其強度用百分率或比值表示，如反應(yīng)率、死亡率。劑量反應(yīng)關(guān)系個體的或量效應(yīng)(連續(xù)計量)的劑量－反應(yīng)關(guān)系(individual，orgraded(continuous-scale))群體的，或質(zhì)效應(yīng)(全或無)的劑量－反應(yīng)關(guān)系(population,quantal(allornone))劑量反應(yīng)關(guān)系常見的形式

劑量反應(yīng)關(guān)系的特征可用劑量反應(yīng)關(guān)系曲線來描述。

以劑量為自變量，反應(yīng)百分數(shù)為因變量，在自然數(shù)坐標(biāo)紙上作圖所得曲線即為劑量反應(yīng)關(guān)系曲線1.S型曲線

1Y=

-x轉(zhuǎn)換對稱S型曲線：反應(yīng)率變換為概率單位作縱軸，劑量為橫軸。不對稱S型曲線：反應(yīng)率變換為概率單位，劑量變換為對數(shù)劑量。a+be大多數(shù)劑量反應(yīng)關(guān)系為S型曲線。頻數(shù)分布為正態(tài)。2.指數(shù)曲線

劑量反應(yīng)關(guān)系中，劑量每增加一個單位，反應(yīng)率總是按一定的遞增率遞增或遞減。隨著劑量增加，反應(yīng)率增加越來越快。Y=10A+bx轉(zhuǎn)換

lgy=a+bxYX隨著劑量增加，反應(yīng)率增加越來越慢X=10(y-a)/b轉(zhuǎn)換：Y＝a+blgxXYYX指數(shù)曲線YX指數(shù)曲線3、雙曲線

隨著劑量的增加，反應(yīng)率的增加類似指數(shù)曲線

。其方程式為：

y=axbLgy=a+blgx轉(zhuǎn)換：4.直線關(guān)系型5.其它曲線:不規(guī)則曲線6.受干擾的曲線在一定劑量范圍內(nèi)有曲線規(guī)律。確定劑量反應(yīng)關(guān)系曲線的意義1.更好地了解毒作用的性質(zhì)和特點2.便于選擇直線化方法，進行統(tǒng)計學(xué)處理3.便于進行內(nèi)插和外推如何獲得明確的劑量反應(yīng)關(guān)系合理的設(shè)計：劑量組、組距、同一個體不同劑量或不同劑量組觀察同一有害效應(yīng)指標(biāo)、準(zhǔn)確記錄不同劑量下的效應(yīng)或反應(yīng)；2.良好的實施3.恰當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計學(xué)處理(二)毒性參數(shù)和安全限值

可以用兩種方法來描述或比較外源化學(xué)物的毒性比較相同劑量外源化學(xué)物引起的毒作用強度比較引起相同毒作用的外源化學(xué)物劑量,此方法更易于定量。

實驗動物體內(nèi)試驗的毒性參數(shù)可分為兩類。一類為毒性上限參數(shù)，是在急性毒性試驗中以死亡為終點的各項毒性參數(shù)。另一類為毒性下限參數(shù)，即有害作用閾劑量及最大未觀察到有害作用劑量，可以從急性、亞急性、亞慢性和慢性毒性試驗中得到。毒性參數(shù)的測定是毒理學(xué)試驗劑量一效應(yīng)關(guān)系和劑量一反應(yīng)關(guān)系研究的重要內(nèi)容。閾值(threshold)

一種物質(zhì)使機體(人或?qū)嶒瀯游?剛開始發(fā)生效應(yīng)的劑量或濃度，即稍低于閾值時效應(yīng)不發(fā)生，而達到或稍高于閾值時效應(yīng)將發(fā)生。通常用NOAEL或NOEL作為閾值的近似值

觀察到有害作用的最低劑量(lowestobservedadverseeffectlevel，LOAEL)在規(guī)定的暴露條件下，一種物質(zhì)引起機體形態(tài)、功能、生長、發(fā)育或壽命某種有害改變的最低劑量。LOAEL應(yīng)具有統(tǒng)計學(xué)意義和生物學(xué)意義。末觀察到的有害作用劑量(noobservedadverseeffectlevel，NOAEL)在規(guī)定的暴露條件下，一種物質(zhì)不引起機體形態(tài)、功能、生長、發(fā)育或壽命可檢測到的有害改變的最高劑量。機體在形態(tài)、功能、生長、發(fā)育或壽命改變可能檢測到，但被判斷為非損害作用。指為保護人群健康，對生活和生產(chǎn)環(huán)境和各種介質(zhì)(空氣、水、食物、土壤等)中與人群身體健康有關(guān)的各種因素(物理、化學(xué)和生物)所規(guī)定的濃度和接觸時間的限制性量值，在低于此種濃度和接觸時間內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)有的知識，不會觀察到任何直接和或間接的有害作用。也就是說，在低于此種濃度和接觸時間內(nèi)，對個體或群體健康的危險度是可忽略的。安全限值可以是每日容許攝入量(ADI)、可耐受攝入量(TI)、參考劑量(RfD)、參考濃度(RfC)和最高容許濃度(MAC)等。安全限值(safelevel)利用不確定系數(shù)(安全系數(shù))利用藥物動力學(xué)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(shù)學(xué)模型毒理學(xué)家對于“最好”的模型及模型的生物學(xué)意義尚無統(tǒng)一的意見動物試驗資料外推到人的基本方法治療指數(shù)(TI)

藥物常用治療指數(shù)來計算其安全性，TI越大安全性越高。TI＝LD50／ED50。

有人認為新藥的治療指數(shù)大于5時，可考慮進行下一步臨床前實驗研究。但TI不夠完善，沒考慮藥物最大有效量時的毒性和劑量—反應(yīng)曲線斜率。故用安全界限來評價藥物的安全性比治療指數(shù)更佳。TI也用于比較一個化學(xué)物的治療有效劑量與毒作用劑量之比。

(三)劑量－反應(yīng)比較

安全界限(MS),即療效最小致死劑量LD01與ED99的比值，MS＝LD01／ED99。可克服TI的缺點,主要用于單次給藥。不能用于無有益作用的化學(xué)物或多次重復(fù)給予的藥物。對于非藥品的其他化學(xué)品的安全界限可表示為SM＝NOAEL／SED。其中SED為系統(tǒng)暴露劑量(mg/kg體重)。SED＝[I(暴露劑量,mg)×A(吸收率％)]／60(標(biāo)準(zhǔn)人體重,kg)安全界限(safetymargin)對于劑量—效應(yīng)關(guān)系研究，為了比較兩種或多種化學(xué)物毒作用，可比較強度和效能。強度是指相等效應(yīng)時劑量的差別。效能是指效應(yīng)的差別,以引起的最大效應(yīng)Emax代表效能的高低。化學(xué)物的效能取決于化學(xué)物本身的內(nèi)在活性和藥理作用或毒作用的特點。而在劑量—效應(yīng)曲線中產(chǎn)生相等效應(yīng)1/2Emax所需劑量或濃度的大小與化學(xué)物或藥物的強度成反比。強度(potency)和效能(efficacy)

四、毒作用的影響因素化學(xué)物本身因素宿主(實驗動物)因素化學(xué)物暴露(接觸)條件環(huán)境因素(一)化學(xué)物的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)與毒性效應(yīng)化學(xué)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)物的理化性質(zhì)化學(xué)物的化學(xué)活性化學(xué)物的生物活性毒物化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定毒性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，因為他決定了毒物的理化性質(zhì)和化學(xué)活性，因而決定了毒物在體內(nèi)可能參與和干擾的過程，因此決定毒作用的性質(zhì)和大小。化學(xué)結(jié)構(gòu)與毒作用性質(zhì)1.化學(xué)結(jié)構(gòu)與毒性效應(yīng)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，決定它在體內(nèi)可能參與和干擾的生化過程，因而決定毒作用性質(zhì)?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)與毒作用性質(zhì)的關(guān)系很復(fù)雜,分析毒物作用性質(zhì)，既要注意分子的整體性，又要注意基團特殊性以及它們的關(guān)系。如：有機磷殺蟲劑具有抑制膽堿酯酶作用的共性，但由于組成的基團不同，其毒性和某些毒作用常表現(xiàn)一定的特殊性。R1(O)R2(O)PY(OS)XR1、R2為烷基，烷基的C原子數(shù)愈多，毒性愈強，即甲基<乙基<異丙基Y

為氧時較為硫時的毒性大X為酸根時，強酸根時的毒性較弱酸根時大；X為苯基時，其毒性與苯環(huán)上的取代基性質(zhì)有關(guān)，毒性按大小依次為：－NO2、－CN、－Cl、－H、－CH3、－C4H9、－CH3O、－NH2;若同為－NO2，則與取代基位置有關(guān)，其毒性一般為對位鄰位間位有機磷殺蟲劑的結(jié)構(gòu)通式化學(xué)結(jié)構(gòu)與毒性大小（1）同系物與碳原子數(shù)

烷、醇、酮等碳氫化合物與同系物相比，碳原子數(shù)愈多則毒性愈大。如醇、烷烴

-氟羧酸(F(CH2)COOH)系列的比較毒性研究，則發(fā)現(xiàn)分子為偶數(shù)的碳原子的毒性大，奇數(shù)的毒性小。

當(dāng)同系物的碳原子數(shù)目相同時，直鏈的毒性比支鏈大，如庚烷>異庚烷

同分異構(gòu)體有時可表現(xiàn)出毒作用性質(zhì)的差異，如致敏的環(huán)氧化物，環(huán)氧基在末端有致敏作用，不在末端就沒有致敏作用。鹵素取代：如烷烴類對肝臟的毒性可因鹵素的增多而增強，CCl4>CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl>CH4，又如CH4無致癌性，而CH3I,CH3Br,CH3Cl可致癌基團位置和基團數(shù)：基團的位置如：帶兩基團苯環(huán)化合物的毒性對位

鄰位間位，對稱者毒性非對稱者；基團數(shù)：通過生物膜的能力苯>三甲苯>二甲苯>甲苯分子飽和度：分子中不飽和鍵增多時，毒性增強，可能是不飽和鍵易代謝為環(huán)氧化物。如二碳烴類的麻醉作用，乙炔>乙烯>乙烷化學(xué)結(jié)構(gòu)與毒性大小（2）研究構(gòu)效應(yīng)關(guān)系的意義通過比較，預(yù)測新化學(xué)物同系物生物活性推測新化學(xué)物的毒作用機理預(yù)先估計新化學(xué)物安全限量范圍按照人類要求生產(chǎn)高效低毒的化學(xué)物。結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系研究已成為毒理學(xué)的一個重要內(nèi)容定量結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系(QuantitativeStructureActivityRelationship，QSAR)

QSAR就是用數(shù)學(xué)模型來定量地描述化學(xué)物的結(jié)構(gòu)與生物活性(毒性)的關(guān)系。

Hansch—Fujita多參數(shù)法

Free—Wilson相加模型法

Schrodinger分子軌道法(molecularorbitalmethod)

計算機的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系分析方法

(computerizedSARmethod)第一階段，始于20世紀(jì)初，主要研究化學(xué)物分子的理化常數(shù)與其生物學(xué)效應(yīng)間的定量關(guān)系第二階段，注意到化學(xué)物取代基的某些特性與其生物學(xué)效應(yīng)間的定量關(guān)系第三階段，始于60年代，應(yīng)用多參數(shù)法綜合考慮化學(xué)物分子中取代基的多種特性，利用回歸分析法定量分析化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系。

以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，以與自由能有關(guān)的參數(shù)來表示一種化學(xué)物的生物學(xué)效應(yīng)，但這些參數(shù)并不完全符合熱力學(xué)基本原理，因此稱為超熱力學(xué)法或外推熱力學(xué)法。Hansch-Fujita多參數(shù)法（簡稱Hansch法）接觸化合物

生物學(xué)反應(yīng)即毒性效應(yīng)

作用部位或受體表面的濃度體內(nèi)生物轉(zhuǎn)運

脂水分布系數(shù)化合物分子形狀電子分布親脂性

與酶或受體的親和力

理化常數(shù)

自由能變化

化合物與酶或受體結(jié)合并發(fā)生反應(yīng)的過程中，有自由能的變化，自由能變化中包括取代基的各種效應(yīng)對自由能變化的影響，所以Hansch法主要是以與自由能有關(guān)的參數(shù)，表示一種化合物的生物學(xué)效應(yīng)。常用的Hansch方程式屬于多元回歸線性方程：Log1/C=a

+b

2+c

+dEs+c應(yīng)用范圍主要對于同系列化合物的生物學(xué)效應(yīng)進行預(yù)測?？捎迷摲A(yù)測藥效和毒性;探討化合物的結(jié)構(gòu)與代謝動力學(xué)的定量關(guān)系;了解化合物的作用機理局限性

只能用于機理相同的化合物，受化學(xué)物理化常數(shù)的變動幅度的影響(不能超出現(xiàn)有化合物理化常數(shù)過多),只能預(yù)測部分并非全部。該方程表明化合物活性主要與其取代基的疏水效應(yīng)(

)、電子效應(yīng)(

)和立體效應(yīng)(Es)有關(guān)。多環(huán)芳烴在體內(nèi)顯示致癌性的必要的條件