4バナー

 

毒性のメカニズム

日曜日、1月16 2011 16:18

概要と概念

機械毒性学は、化学的または物理的作用物質が生物とどのように相互作用して毒性を引き起こすかについての研究です。 物質の毒性のメカニズムに関する知識は、毒性を防止し、より望ましい化学物質を設計する能力を高めます。 それは過剰暴露時の治療の基礎を構成し、基本的な生物学的プロセスのさらなる理解を可能にすることがよくあります。 この目的のために 百科事典 ヒトの毒性を予測するために、動物に重点が置かれます。 毒物学のさまざまな分野には、機構、記述、規制、法医学、および環境毒物学が含まれます (Klaassen、Amdur、および Doull 1991)。 これらはすべて、毒性の基本的なメカニズムを理解することから得られます。

毒性のメカニズムを理解する理由

物質が毒性を引き起こすメカニズムを理解することは、毒物学のさまざまな分野をさまざまな方法で強化します。 機械的な理解は、政府の規制当局が法的拘束力のある人間への暴露の安全な制限を確立するのに役立ちます。 これは、毒物学者が汚染された場所の浄化または修復に関する一連の行動を推奨するのに役立ち、物質または混合物の物理的および化学的特性とともに、必要な保護具の程度を選択するために使用できます。 メカニズムの知識は、治療の基礎を形成したり、ヒトの病気を治療するための新薬を設計したりするのにも役立ちます。 法医毒物学者にとって、毒性のメカニズムは、化学的または物理的因子がどのように死または無力化を引き起こすかについての洞察をしばしば提供します.

毒性のメカニズムが理解されれば、記述的毒性学は関連する化学物質の毒性効果を予測するのに役立ちます。 ただし、メカニズムに関する情報が不足していても、医療専門家が人間の健康を保護することを思いとどまらせることはできないことを理解することが重要です。 動物実験と人間の経験に基づく慎重な決定は、安全な暴露レベルを確立するために使用されます。 伝統的に、安全域は、動物研究からの「有害影響なしレベル」または「最小有害影響レベル」(反復暴露計画を使用)を使用し、そのレベルを職業暴露の場合は 100 倍、または暴露の場合は 1,000 倍で割ることによって確立されました。その他の人間の環境曝露。 このプロセスの成功は、過去に適切な暴露限界が設定され、守られていた労働者の化学物質暴露に起因する健康への悪影響のいくつかの事例から明らかです。 さらに、人間の寿命は伸び続けており、生活の質も向上しています。 全体として、毒性データの使用は効果的な規制および自主管理につながっています。 毒性メカニズムの詳細な知識は、現在開発されている新しいリスク モデルの予測可能性を高め、継続的な改善につながります。

環境メカニズムの理解は複雑であり、生態系の崩壊と恒常性 (バランス) に関する知識が前提となります。 この記事では説明しませんが、生態系における有毒メカニズムとその最終的な結果についての理解を深めることは、科学者が都市廃棄物および産業廃棄物の取り扱いに関して賢明な決定を下すのに役立ちます。 廃棄物管理は研究の成長分野であり、今後も非常に重要であり続けるでしょう。

毒性のメカニズムを研究するための技術

機構研究の大部分は、動物での記述的な毒物学的研究またはヒトでの臨床観察から始まります。 理想的には、動物研究には、注意深い行動および臨床観察、体内の主要な生物学的システムの有害な機能の徴候についての血液および尿の要素の注意深い生化学的検査、および顕微鏡検査によるすべての器官系の死後評価が含まれます。 (OECD 試験ガイドライン、化学物質評価に関する EC 指令、米国 EPA 試験規則、日本の化学物質規制を参照)。 これは、死後検査を除いて、病院で XNUMX ~ XNUMX 日間にわたって行われる徹底的な人間の身体検査に似ています。

毒性のメカニズムを理解することは、観察の芸術と科学、さまざまな仮説を検証するための技術の選択における創造性、および因果関係への徴候と症状の革新的な統合です。 メカニズム研究は暴露から始まり、時間に関連した分布と体内の運命 (薬物動態) を追跡し、システムのあるレベルとある用量レベルで結果として生じる毒性効果を測定します。 さまざまな物質が、生物系のさまざまなレベルで作用して毒性を引き起こす可能性があります。

暴露

機構研究における暴露経路は、通常、ヒトへの暴露と同じです。 化学物質が血液に吸収されて全身に分布した後、全身への影響に加えて、暴露部位で局所的に影響が生じる可能性があるため、経路は重要です。 局所的な影響の単純だが説得力のある例は、硬い表面を洗浄するために設計された強酸または強アルカリ溶液を適用した後の皮膚の刺激と最終的な腐食です. 同様に、刺激性の蒸気や窒素酸化物やオゾンなどのガスにさらされた後、鼻や肺の内側を覆っている細胞に刺激や細胞死が生じる可能性があります。 (どちらも大気汚染またはスモッグの構成要素です)。 化学物質が皮膚、肺、または胃腸管を介して血液に吸収された後、臓器または組織における濃度は、体内の化学物質の薬物動態を決定する多くの要因によって制御されます。 体には、以下に示すように、さまざまな化学物質を活性化し、解毒する能力があります。

毒性における薬物動態の役割

薬物動態は、化学物質の吸収、分布、代謝 (体内の生化学的変化)、および体からの排出または排泄の時間関係を説明します。 毒性のメカニズムと比較して、これらの薬物動態変数は非常に重要であり、場合によっては毒性が発生するかどうかを決定します。 例えば、材料が十分に吸収されなければ、全身毒性(体内)は発生しません。 逆に、反応性の高い化学物質は、消化酵素または肝臓酵素によって迅速に (数秒または数分) 解毒されるため、毒性を引き起こす時間がない場合があります。 一部の多環式ハロゲン化物質および混合物、ならびに鉛などの特定の金属は、排泄が急速であれば重大な毒性を引き起こさない。 しかし、排泄は急速ではないため(年単位で測定されることもある)、十分に高いレベルまで蓄積すると毒性が決まる。 幸いなことに、ほとんどの化学物質は体内に長く留まることはありません。 無害な物質が蓄積しても、毒性は誘発されません。 体内からの排出と解毒の速度は、化学物質の半減期と呼ばれることが多く、これは化学物質の 50% が排泄されるか、無毒な形に変化する時間です。

しかし、化学物質が特定の細胞または器官に蓄積する場合、その器官での潜在的な毒性をさらに調査する理由になる可能性があります。 最近では、動物からヒトへの薬物動態変数を外挿する数学的モデルが開発されました。 これらの薬物動態モデルは、仮説を作成し、実験動物が人間にとって適切な表現であるかどうかをテストするのに非常に役立ちます。 このテーマについては、数多くの章とテキストが書かれています (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995)。 生理学的モデルの簡略化された例を図 1 に示します。

図 1. 単純化された薬物動態モデル

TOX210F1

さまざまなレベルとシステムが悪影響を受ける可能性があります

毒性は、さまざまな生物学的レベルで説明できます。 傷害は、人全体(または動物)、臓器系、細胞または分子で評価できます。 臓器系には、免疫系、呼吸器系、心血管系、腎臓系、内分泌系、消化器系、筋骨格系、血液系、生殖系、および中枢神経系が含まれます。 いくつかの重要な器官には、肝臓、腎臓、肺、脳、皮膚、目、心臓、精巣または卵巣、およびその他の主要な器官が含まれます。 細胞/生化学的レベルでは、悪影響には、正常なタンパク質機能、内分泌受容体機能、代謝エネルギー阻害、または生体異物 (異物) 酵素阻害または誘導への干渉が含まれます。 分子レベルでの悪影響には、DNA-RNA 転写の正常な機能、特定の細胞質および核内受容体結合、遺伝子または遺伝子産物の変化が含まれます。 最終的に、主要な臓器系の機能障害は、その臓器内の特定の標的細胞の分子変化によって引き起こされる可能性があります。 しかし、メカニズムを因果関係の分子的起源までさかのぼることは必ずしも可能ではなく、また必要でもありません。 介入と治療は、分子標的を完全に理解していなくても設計できます。 ただし、毒性の特定のメカニズムに関する知識は、他の化学物質への外挿の予測値と精度を高めます。 図 2 は、正常な生理学的プロセスの干渉を検出できるさまざまなレベルを図式的に表したものです。 矢印は、個人への影響がトップダウン (暴露、薬物動態から系/臓器毒性) またはボトムアップ (分子変化、細胞/生化学的影響から系/臓器毒性) から決定できることを示しています。

図 2. 毒性メカニズムの再現

TOX210F2

毒性メカニズムの例

毒性のメカニズムは単純なものから非常に複雑なものまであります。 多くの場合、毒性の種類、毒性のメカニズム、および影響のレベルには違いがあり、副作用が単回の急性高用量 (偶発的な中毒など) によるものか、低用量によるものかに関連しています。反復ばく露(職業的または環境的ばく露による)。 古典的には、試験目的で、げっ歯類の胃に直接挿管するか、ガスまたは蒸気の雰囲気に XNUMX 時間から XNUMX 時間曝露することによって、急性の単回高用量を投与します。 暴露後 XNUMX 週間にわたって動物を観察し、主要な外部および内部器官の損傷を調べます。 反復投与試験は、数か月から数年に及びます。 げっ歯類の場合、XNUMX 年間は毒性と発がん性を評価するのに十分な慢性 (生涯) 試験と見なされますが、ヒト以外の霊長類では、反復投与毒性を評価するための亜慢性 (生涯未満) 試験と見なされるのは XNUMX 年間です。 曝露後、すべての組織、臓器、体液の完全な検査が行われ、悪影響が確認されます。

急性毒性メカニズム

以下の例は、死亡または重度の無力化につながる可能性のある高用量の急性影響に特有のものです。 ただし、場合によっては、介入によって一時的で完全に可逆的な影響が生じることがあります。 暴露の用量または重症度によって結果が決まります。

単純窒息剤. 不活性ガスやその他の非反応性物質の毒性のメカニズムは、酸素欠乏 (無酸素症) です。 中枢神経系(CNS)の酸素欠乏を引き起こすこれらの化学物質は、 単純な窒息剤. 十分な酸素がない状態で窒素を含む閉鎖空間に入ると、脳内で酸素が即座に枯渇し、意識を失い、最終的には死に至ります。 極端な場合(酸素がゼロに近い場合)、数秒で意識を失うことがあります。 レスキューは、酸素化された環境への迅速な移動に依存します。 回復不能な脳損傷を伴う生存は、再生できないニューロンの死による救助の遅延から発生する可能性があります。

化学窒息剤. 一酸化炭素 (CO) は、ヘモグロビン (赤血球内) への結合について酸素と競合するため、エネルギー代謝のために組織から酸素を奪います。 細胞死が生じる可能性があります。 介入には、CO の発生源からの除去と酸素による処理が含まれます。 酸素の直接使用は、CO の毒性作用に基づいています。もう XNUMX つの強力な化学窒息剤はシアン化物です。 シアン化物イオンは、細胞の代謝とエネルギーのための酸素の利用を妨げます。 亜硝酸ナトリウムで処理すると、赤血球中のヘモグロビンがメトヘモグロビンに変化します。 メトヘモグロビンは、シアン化物の細胞標的よりもシアン化物イオンに対してより大きな結合親和性を持っています。 その結果、メトヘモグロビンはシアン化物に結合し、シアン化物を標的細胞から遠ざけます。 これが解毒療法の基礎となります。

中枢神経系 (CNS) 抑制剤. 急性毒性は、反応性がない、または反応性中間体に変換される溶媒などの多くの物質に対する鎮静または意識消失によって特徴付けられます。 鎮静/麻酔は、中枢神経系の細胞膜と溶媒との相互作用によるものであり、電気的および化学的シグナルを伝達する能力が損なわれるという仮説が立てられています。 鎮静は軽度の毒性のように見えるかもしれませんが、初期の麻酔薬の開発の基礎でした. 摂取または吸入によって十分な用量が投与されると、動物は呼吸停止により死亡する可能性があります。 麻酔による死亡が起こらない場合、このタイプの毒性は通常、対象が環境から取り除かれるか、化学物質が再分配または体内から除去されると、容易に元に戻すことができます。

皮膚への影響. 皮膚への悪影響は、遭遇した物質に応じて、刺激から腐食までさまざまです。 強酸および強アルカリ溶液は、生体組織との相性が悪く、腐食性があるため、化学火傷や瘢痕を引き起こす可能性があります。 瘢痕化は、再生を担う真皮の深部皮膚細胞の死によるものです。 濃度が低いと、皮膚の最初の層に刺激を与える可能性があります。

皮膚の別の特定の毒性メカニズムは、化学感作のメカニズムです。 例として、感作は、2,4-ジニトロクロロベンゼンが皮膚の天然タンパク質と結合し、免疫系が変化したタンパク質結合複合体を異物として認識するときに発生します。 この異物に反応して、免疫系は特殊な細胞を活性化し、発疹や皮膚炎を引き起こすメディエーター (サイトカイン) を放出して異物を排除します (「免疫毒性学」を参照)。 これはツタウルシにさらされたときの免疫系の反応と同じです。 免疫感作は特定の化学物質に非常に特異的であり、反応が誘発されるまでに少なくとも XNUMX 回の曝露が必要です。 最初の曝露は感作し (化学物質を認識するように細胞をセットアップします)、その後の曝露は免疫系の反応を引き起こします。 接触からの離脱とステロイド含有抗炎症クリームによる対症療法は、通常、感作された個人の治療に効果的です. 重度または難治性の症例では、プレドニゾンなどの全身作用性免疫抑制剤が局所治療と併用されます。

肺感作. 免疫感作反応はトルエン ジイソシアネート (TDI) によって誘発されますが、標的部位は肺です。 影響を受けやすい個人が TDI に過度にさらされると、肺水腫 (体液の蓄積)、気管支の収縮、および呼吸障害が引き起こされます。 これは深刻な状態であり、その後の曝露の可能性から個人を取り除く必要があります。 治療は主に対症療法です。 皮膚および肺の感作は、用量反応に従います。 職業被ばくの設定レベルを超えると、悪影響が生じる可能性があります。

目の効果. 眼の損傷は、外層の発赤(水泳プールの発赤)から角膜の白内障形成、虹彩(眼の着色部分)の損傷までさまざまです。 眼刺激性試験は、重大な傷害が発生しないと考えられる場合に実施されます。 皮膚の腐食を引き起こすメカニズムの多くは、目に損傷を与える可能性もあります。 強酸 (pH 2 未満) やアルカリ (pH 11.5 以上) などの皮膚を腐食する物質は、動物の目でテストされていません。これは、ほとんどが皮膚腐食を引き起こすメカニズムと同様のメカニズムにより、腐食や失明を引き起こすためです。 . さらに、洗剤や界面活性剤などの界面活性剤は、刺激から腐食まで、目の損傷を引き起こす可能性があります。 注意が必要な物質のグループは、正に帯電した (陽イオン性) 界面活性剤で、火傷、角膜の恒久的な混濁、および血管新生 (血管の形成) を引き起こす可能性があります。 別の化学物質であるジニトロフェノールには、白内障の形成に特有の効果があります。 これは、薬物動態学的分布特異性の例である、眼中のこの化学物質の濃度に関連しているようです。

上記のリストはすべてを網羅しているわけではありませんが、さまざまな急性毒性メカニズムについて読者に理解していただけるように設計されています。

亜慢性および慢性毒性メカニズム

XNUMX回の高用量で投与された場合、一部の化学物質は、低用量で繰り返し投与された場合と同じ毒性メカニズムを持たないが、依然として毒性がある. 単回高用量が投与されると、化学物質を解毒または排泄する人の能力を超える可能性が常にあり、これは、より低い反復用量が投与される場合とは異なる毒性反応につながる可能性があります. お酒がいい例です。 高用量のアルコールは一次中枢神経系への影響につながりますが、少量の反復用量は肝障害を引き起こします.

抗コリンエステラーゼ阻害. たとえば、ほとんどの有機リン系殺虫剤は、主に肝臓で代謝的に活性化されるまで、哺乳動物への毒性はほとんどありません。 有機リン酸塩の主な作用機序は、脳および末梢神経系におけるアセチルコリンエステラーゼ (AChE) の阻害です。 AChE は、神経伝達物質アセチルコリンの刺激を終結させる正常な酵素です。 長期間にわたる AChE のわずかな阻害は、悪影響とは関連していません。 高レベルの曝露では、このニューロン刺激を停止できなくなるため、コリン作動性神経系が過剰に刺激されます。 コリン作動性の過剰刺激は、最終的には呼吸停止を含む多くの症状を引き起こし、治療しなければ死に至ります。 主な治療法は、アセチルコリンの作用を遮断するアトロピンの投与と、阻害された AChE を再活性化する塩化プラリドキシムの投与です。 したがって、有機リン毒性の原因と治療の両方は、毒性の生化学的基礎を理解することによって対処されます。

代謝活性化. 四塩化炭素、クロロホルム、アセチルアミノフルオレン、ニトロソアミン、パラコートなどの多くの化学物質は、代謝的に活性化されて、フリーラジカルやその他の反応性中間体になり、正常な細胞機能を阻害および妨害します。 高レベルの暴露では、これは細胞死を引き起こします (「細胞損傷と細胞死」を参照)。 特定の相互作用と細胞標的は不明のままですが、肝臓、腎臓、肺など、これらの化学物質を活性化する能力を持つ臓器系はすべて、損傷の潜在的な標的です. 具体的には、器官内の特定の細胞は、これらの中間体を活性化または解毒する多かれ少なかれ能力を持ち、この能力は器官内の細胞内感受性を決定します。 代謝は、これらのタイプの変換、およびこれらの中間体の分布と排除を説明する薬物動態の理解が、これらの化学物質の作用メカニズムを認識する上で重要である理由の XNUMX つです。

がんのメカニズム. がんはさまざまな疾患であり、1980 年以降に開発された多くの分子生物学的手法により、特定の種類のがんについての理解が急速に深まっていますが、学ぶべきことはまだたくさんあります。 しかし、がんの発生は多段階のプロセスであり、重要な遺伝子がさまざまな種類のがんの鍵であることは明らかです。 これらの重要な遺伝子の多くにおける DNA の変化 (体細胞変異) は、感受性の増加または癌病変を引き起こす可能性があります (「遺伝毒性学」を参照)。 天然化学物質 (牛肉や魚などの調理済み食品に含まれる)、合成化学物質 (染料として使用されるベンジジンなど)、または物理的作用物質 (太陽からの紫外線、土壌からのラドン、医療処置または産業活動からのガンマ線) への曝露はすべて、体細胞遺伝子突然変異の一因。 しかし、保護的で恒常性を維持する天然および合成物質 (抗酸化物質など) と DNA 修復プロセスがあります。 正常な DNA 修復が欠如している色素性乾皮症などの遺伝病症候群は、太陽からの紫外線への暴露による皮膚がんへの感受性を劇的に高めるため、遺伝学ががんの重要な要因であることは明らかです。

生殖メカニズム. がんと同様に、生殖毒性および/または発生毒性の多くのメカニズムが知られていますが、学ぶべきことがたくさんあります。 特定のウイルス(風疹など)、細菌感染、薬剤(サリドマイドやビタミン A など)が発育に悪影響を及ぼすことが知られています。 最近、Carney (1991) によって概説された Khera (1994) の研究は、エチレングリコールの動物実験における異常な発達への影響が母親の代謝性酸性代謝産物に起因するという良い証拠を示しています。 これは、エチレングリコールがグリコール酸やシュウ酸などの酸性代謝物に代謝されるときに発生します。 その後の胎盤と胎児への影響は、この代謝中毒プロセスによるものと思われます。

結論

この記事の目的は、いくつかの既知の毒性メカニズムと将来の研究の必要性について展望を与えることです。 人間や環境の健康を守るために、機械的な知識が絶対に必要なわけではないことを理解することが重要です。 この知識は、毒性をより適切に予測および管理する専門家の能力を高めます。 特定のメカニズムを解明するために使用される実際の技術は、科学者の集合的な知識と、人間の健康に関する決定を下す人々の考え方に依存します.

 

戻る

日曜日、1月16 2011 16:29

細胞損傷と細胞死

事実上すべての医学は、心筋梗塞、脳卒中、外傷、ショックなどの病気で細胞死を防ぐか、感染症や癌の場合のようにそれを引き起こすことに専念しています. したがって、関与する性質とメカニズムを理解することが不可欠です。 細胞死は、有毒物質や虚血などによって引き起こされる「偶発的」死と、指の形成やオタマジャクシの尾の吸収などの発生過程で発生する「プログラムされた死」に分類されています。

したがって、細胞損傷と細胞死は、生理学と病態生理学の両方で重要です。 生理学的細胞死は、胚形成および胚発生中に非常に重要です。 発生中の細胞死の研究は、特に無脊椎動物の発生の研究を通じて、関連する分子遺伝学に関する重要で新しい情報をもたらしました。 これらの動物では、細胞死を受ける運命にある細胞の正確な位置と重要性が注意深く研究されており、古典的な突然変異誘発技術を使用して、いくつかの関与する遺伝子が現在同定されています. 成人の臓器では、細胞死と細胞増殖のバランスが臓器の大きさを制御します。 皮膚や腸などの一部の臓器では、細胞の絶え間ない代謝回転があります。 例えば皮膚では、細胞は表面に到達するにつれて分化し、架橋エンベロープの形成を伴う角化が進行するにつれて、最終的に最終分化と細胞死を経ます。

有毒化学物質の多くのクラスは、急性の細胞損傷とその後の死を誘発する可能性があります。 これらには、無酸素症と虚血、およびシアン化カリウムなどのそれらの化学的類似体が含まれます。 核酸中のタンパク質に共有結合する求電子剤を形成する化学発癌物質。 酸化剤の化学物質、フリーラジカルの形成と酸化剤の損傷をもたらします。 補体の活性化; およびさまざまなカルシウムイオノフォア。 細胞死は、化学発がんの重要な要素でもあります。 多くの完全な化学発がん物質は、発がん性用量で、急性の壊死と炎症を引き起こし、その後に再生と前腫瘍を引き起こします。

定義

細胞損傷

細胞損傷は、細胞の正常なホメオスタシスを混乱させ、多数のイベントを発生させる有毒化学物質などのイベントまたは刺激として定義されます (図 1)。 説明されている致命的な傷害の主なターゲットは、ATP 合成の阻害、原形質膜の完全性の破壊、または必須の成長因子の離脱です。

図 1. 細胞損傷

TOX060F1

致命的な傷害は、温度、細胞の種類、および刺激に応じて、さまざまな期間の後に細胞の死をもたらします。 またはそれらは致死的または慢性的である可能性があります。つまり、損傷により恒常性状態が変化し、異常ではありますが、細胞死には至りません (Trump and Arstila 1971; Trump and Berezesky 1992; Trump and Berezesky 1995; Trump, Berezesky andオソルニオ・バルガス 1981)。 致命的な損傷の場合、細胞死の前に段階があります

この間、細胞は回復します。 しかし、特定の時点 (「復帰不能点」または細胞死点) の後、損傷の除去は回復には至らず、代わりに細胞は分解と加水分解を受け、最終的に細胞との物理化学的平衡に達します。環境。 これはネクローシスとして知られる段階です。 致死前段階では、細胞と損傷の種類に応じて、いくつかの主要な種類の変化が発生します。 これらは、アポトーシスおよびオンコーシスとして知られています。

 

 

 

 

 

アポトーシス

アポトーシスはギリシャ語に由来します アポ、離れていることを意味し、 下垂、落ちることを意味します。 用語 から離れて このタイプの致死前の変化の間に、細胞が収縮し、周辺に顕著な小疱ができるという事実に由来します。 その後、ブレブが剥がれて浮き上がります。 アポトーシスは、さまざまなタイプの毒性損傷に続いて、さまざまな細胞タイプで発生します (Wyllie、Kerr、および Currie 1980)。 これは、リンパ球クローンのターンオーバーの主要なメカニズムであるリンパ球で特に顕著です。 得られた断片は、リンパ節のマクロファージ内に見られる好塩基性体になります。 他の臓器では、アポトーシスは典型的には、隣接する実質細胞またはマクロファージによる断片の食作用によって、死の前後に急速に除去される単一細胞で発生します。 単一細胞で発生するアポトーシスとその後の食作用は、通常、炎症を引き起こしません。 死の前に、アポトーシス細胞は、正常または凝縮したミトコンドリアを持つ非常に高密度のサイトゾルを示します。 小胞体 (ER) は正常であるか、わずかに拡張しています。 核クロマチンは、核膜に沿って核小体の周りに著しく凝集しています。 核の輪郭も不規則で、核の断片化が起こります。 クロマチン凝縮は、多くの場合、ヌクレオソーム間で発生する DNA 断片化に関連しており、電気泳動で特徴的なラダーの外観を示します。

アポトーシスでは、[Ca2+]i Kを刺激する可能性があります+ おそらくATPを必要とする細胞収縮をもたらす流出。 したがって、ATP 合成を完全に阻害する損傷は、アポトーシスを引き起こす可能性が高くなります。 [Caの持続的な増加2+]i プロテアーゼ、エンドヌクレアーゼ、ホスホリパーゼの活性化など、多くの有害な影響があります。 エンドヌクレアーゼの活性化は、一本鎖および二本鎖の DNA 鎖の切断を引き起こし、p53 およびポリ ADP リボシル化、および DNA 修復に不可欠な核タンパク質のレベルの増加を刺激します。 プロテアーゼの活性化は、アクチンおよびブレブ形成につながる関連タンパク質を含む多くの基質を変更します。 もう XNUMX つの重要な基質は、DNA 修復を阻害するポリ (ADP リボース) ポリメラーゼ (PARP) です。 [Caの増加2+]i また、MAPキナーゼ、カルモジュリンキナーゼなどの多くのプロテインキナーゼの活性化にも関連しています。 このようなキナーゼは、c-fos、c-jun、c-myc などの前初期遺伝子の転写を開始する転写因子の活性化、およびホスホリパーゼ A の活性化に関与しています。2 これにより、原形質膜およびミトコンドリアの内膜などの細胞内膜の透過処理が行われます。

腫瘍症

Oncosis、ギリシャ語に由来 ですこのタイプの致死前変化では、損傷の直後に細胞が膨張し始めるため、膨張するという名前が付けられました (Majno and Joris 1995)。 膨潤の理由は、細胞内の水中の陽イオンの増加です。 原因となる主な陽イオンはナトリウムであり、通常は細胞容積を維持するために調節されています。 しかし、ATP が存在しない場合、または原形質膜の Na-ATPase が阻害されている場合、細胞内タンパク質のために体積制御が失われ、水中のナトリウムが増加し続けます。 したがって、腫瘍症の初期のイベントの中で [Na+]i これは細胞の膨張と増加につながります[Ca2+]i 細胞外空間からの流入または細胞内貯蔵からの放出のいずれかによって生じる。 これは、サイトゾルの膨張、小胞体およびゴルジ体の膨張、および細胞表面の周りの水疱の形成をもたらす. ミトコンドリアは最初は凝縮しますが、後にミトコンドリア内膜への損傷により高振幅の膨張を示します。 このタイプの致死前変化では、クロマチンが凝縮し、最終的には分解します。 ただし、アポトーシスの特徴的なはしごパターンは見られません。

壊死

ネクローシスとは、細胞死後、細胞がデブリに変換され、通常は炎症反応によって除去される一連の変化を指します。 腫瘍性壊死とアポトーシス性壊死の XNUMX 種類があります。 浸透圧性壊死は、典型的には、心筋梗塞などの大きなゾーンで、またはHgClの投与後の腎近位尿細管などの化学的毒性の後に臓器の局所的に発生します2. 臓器の広い領域が関与し、壊死細胞が急速に炎症反応を引き起こします。最初は急性で、次に慢性です。 生物が生き残った場合、多くの臓器では、壊死に続いて死んだ細胞が取り除かれ、化学毒性に続いて肝臓や腎臓が再生されます。 対照的に、アポトーシス壊死は通常、単一細胞ベースで発生し、壊死破片はマクロファージまたは隣接する実質細胞の食細胞内で形成されます。 壊死細胞の最も初期の特徴には、原形質膜の連続性の中断と、ミトコンドリアマトリックス内の変性タンパク質を表す凝集密度の出現が含まれます。 最初はミトコンドリアのカルシウム蓄積を妨げない損傷のいくつかの形態では、リン酸カルシウムの沈着物がミトコンドリア内に見られることがあります。 ER、リソソーム、ゴルジ体など、他の膜系も同様に断片化しています。 最終的に、核クロマチンはリソソーム加水分解酵素による攻撃の結果、溶解を受けます。 細胞死に続いて、カテプシン、ヌクレオラーゼ、およびリパーゼを使用して破片を除去する際に、リソソーム加水分解酵素が重要な役割を果たします。これは、これらが最適な酸性 pH を持ち、他の細胞酵素が変性および不活性化されている間、壊死細胞の低 pH を生き残ることができるためです。

メカニズム

初期刺激

致死的な傷害の場合、細胞死につながる傷害をもたらす最も一般的な最初の相互作用は、酸素欠乏症、虚血または呼吸の阻害剤などのエネルギー代謝と、シアン化カリウム、一酸化炭素、ヨード酢酸などの解糖系の干渉です。すぐ。 上述のように、エネルギー代謝を阻害する高用量の化合物は、典型的に腫瘍症を引き起こす。 急性細胞死をもたらす他の一般的なタイプの初期損傷は、原形質膜の機能の改変です (Trump and Arstila 1971; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981)。 これは、外傷や補体のC5b-C9複合体の活性化、細胞膜への機械的損傷、またはナトリウム - カリウム(Na+-K+) ウアバインなどのグリコシドをポンプします。 [Ca2+] 勾配を下って細胞に入り、急性致死損傷も引き起こします。 場合によっては、致死前の変化のパターンはアポトーシスです。 他の人では、それは腫瘍症です。

シグナル伝達経路

多くの種類の損傷により、ミトコンドリアの呼吸と酸化的リン酸化が急速に影響を受けます。 一部の細胞では、これは ATP を維持できる嫌気性解糖を刺激しますが、多くの損傷ではこれが阻害されます。 ATP が欠乏すると、多くの重要な恒常性プロセス、特に細胞内イオンの恒常性の制御にエネルギーを与えることができなくなります (Trump and Berezesky 1992; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981)。 これにより、[Ca2+]i、および増加した [Na+] および [Cl-] 細胞の膨張を引き起こします。 [Caの増加2+]i 一連のキナーゼを含む、以下で説明する他の多くのシグナル伝達メカニズムの活性化をもたらし、前初期遺伝子転写の増加をもたらす可能性があります。 [Caの増加2+]i また、細胞骨格機能を変更し、部分的に小疱形成を引き起こし、エンドヌクレアーゼ、プロテアーゼ、ホスホリパーゼを活性化します。 これらは、プロテアーゼやリパーゼの活性化による膜損傷、エンドヌクレアーゼの活性化による DNA の直接分解、転写因子として作用する MAP キナーゼやカルモジュリン キナーゼなどのキナーゼの活性化など、上で説明した重要な効果の多くを引き起こすようです。

無脊椎動物の開発に関する広範な研究を通じて C.エレガンス 及び ショウジョウバエ、ヒトおよび動物の細胞と同様に、一連の死に至る遺伝子が特定されています。 これらの無脊椎動物の遺伝子のいくつかは、哺乳類の対応物を持っていることがわかっています。 たとえば、プログラム細胞死に不可欠な ced-3 遺伝子は、 C. elegans、 プロテアーゼ活性があり、哺乳動物のインターロイキン変換酵素 (ICE) と強い相同性があります。 アポパインまたは prICE と呼ばれる密接に関連する遺伝子が、さらに近い相同性で最近同定されました (Nicholson et al. 1995)。 の ショウジョウバエ、死神遺伝子は、プログラムされた細胞死につながるシグナルに関与しているようです。 他のプロデス遺伝子には、Fas 膜タンパク質と、広く保存されている重要な腫瘍抑制遺伝子 p53 が含まれます。 p53 は、DNA 損傷後にタンパク質レベルで誘導され、リン酸化されると、細胞死シグナル伝達に関与する gadd45 や waf-1 などの他の遺伝子の転写因子として機能します。 c-fos、c-jun、c-myc などの他の前初期遺伝子も、いくつかのシステムに関与しているようです。

同時に、死を促進する遺伝子に対抗するように見える抗死遺伝子があります。 これらのうち最初に特定されたのは、 C.エレガンス、ヒトの bcl-2 と相同です。 これらの遺伝子は、遺伝的毒素または化学的毒素による細胞死を防ぐために、まだ知られていない方法で作用します。 最近のいくつかの証拠は、bcl-2 が抗酸化剤として作用する可能性があることを示しています。 現在、関与する遺伝子の理解を深め、状況に応じてこれらの遺伝子を活性化または阻害する方法を開発するための多くの努力が進行中です.

 

戻る

日曜日、1月16 2011 16:34

遺伝毒性学

遺伝毒物学は、定義上、化学的または物理的要因が遺伝の複雑なプロセスにどのように影響するかの研究です。 遺伝毒性化学物質は、生細胞の遺伝物質を改変できる化合物と定義されています。 特定の化学物質が遺伝的損傷を引き起こす可能性は、必然的に、生物の化学物質への暴露レベル、体内に入った化学物質の分布と保持、代謝活性化および/または解毒システムの効率など、いくつかの変数に依存します。標的組織、および細胞内の重要​​な高分子との化学物質またはその代謝物の反応性。 遺伝的損傷が最終的に病気を引き起こす可能性は、損傷の性質、遺伝的損傷を修復または増幅する細胞の能力、誘発された変化を表現する機会、および遺伝子の増殖を認識して抑制する身体の能力に依存します。異常細胞。

高等生物では、遺伝情報は染色体で構成されています。 染色体は、タンパク質結合 DNA の密に凝縮した鎖で構成されています。 5 つの染色体内で、各 DNA 分子は、3 つのデオキシリボース部分の 1 炭素を次の 1 炭素に結合するホスホジエステル結合によって結合された、ヌクレオチド サブユニットの長い非分岐鎖のペアとして存在します (図 XNUMX)。 さらに、XNUMX つの異なるヌクレオチド塩基 (アデニン、シトシン、グアニン、またはチミン) の XNUMX つが、糸上のビーズのように各デオキシリボース サブユニットに結合します。 三次元的に、DNA 鎖の各ペアは二重らせんを形成し、すべての塩基がらせんの内側に向いています。 ヘリックス内では、各塩基は反対側の DNA 鎖の相補的な塩基と結合しています。 水素結合は、アデニンとチミン、およびグアニンとシトシンの強力な非共有結合を決定します (図 XNUMX)。 ヌクレオチド塩基の配列は二本鎖 DNA 分子の全長にわたって相補的であるため、両方の鎖は本質的に同じ遺伝情報を持っています。 実際、DNA の複製中に、各鎖は新しいパートナー鎖を生成するためのテンプレートとして機能します。

図 1. ヒトの遺伝情報の (a) 一次、(b) 二次、および (c) 三次組織

TOX090F1RNA とさまざまなタンパク質の配列を使用して、細胞は最終的に、DNA (遺伝子) の特定の領域内の塩基の線形配列によってエンコードされた情報を解読し、基本的な細胞の生存と正常な成長と分化に不可欠なタンパク質を生成します。 本質的に、ヌクレオチドは、タンパク質のビルディングブロックであるアミノ酸をコードするために使用される生物学的アルファベットのように機能します.

誤った塩基が挿入されたり、塩基が失われたり、DNA 合成時に不要な塩基が追加されたりすることを突然変異と呼びます。 10回につきXNUMX回未満の突然変異が起こると推定されています9 細胞の正常な複製中に取り込まれるヌクレオチド。 突然変異は必ずしも有害ではありませんが、重要な遺伝子の不活性化または過剰発現を引き起こす変化は、がん、遺伝性疾患、発達異常、不妊症、胎児または周産期の死亡など、さまざまな障害を引き起こす可能性があります。 ごくまれに、突然変異によって生存率が向上することがあります。 そのような発生は自然選択の基礎です。

一部の化学物質は DNA と直接反応しますが、ほとんどは代謝活性化を必要とします。 後者の場合、最終的にはエポキシドやカルボニウムイオンなどの求電子中間体が、遺伝物質内のさまざまな求核部位で損傷を誘発する原因となります (図 2)。 他の例では、遺伝毒性は、細胞内脂質、タンパク質、または酸素との化合物の相互作用の副産物によって媒介されます。

図 2. 生物活性化: a) ベンゾ (a) ピレン。 b) N-ニトロソジメチルアミン

TOX090F2

タンパク質は細胞内に比較的豊富に存在するため、毒性物質相互作用の最も頻繁な標的です。 しかし、DNA の修飾は、細胞の複数世代にわたる成長と分化の調節においてこの分子が中心的な役割を果たしているため、より大きな懸念事項となっています。

分子レベルでは、求電子化合物は DNA の酸素と窒素を攻撃する傾向があります。 最も修飾を受けやすい部位を図 3 に示します。DNA バックボーンのリン酸基内の酸素も化学修飾の標的ですが、これらの基は主要な情報源であると考えられているため、塩基への損傷は生物学的により関連があると考えられています。 DNA分子の要素。

図 3. 化学的に誘発された DNA 損傷の主な部位

TOX090F3

4 つの求電子部分を含む化合物は、通常、DNA にモノ付加体を生成することによって遺伝毒性を発揮します。 同様に、XNUMX つ以上の反応性部分を含む化合物は、XNUMX つの異なる求核中心と反応し、それによって遺伝物質の分子内または分子間架橋を生成します (図 XNUMX)。 鎖間 DNA-DNA および DNA-タンパク質架橋は、DNA 複製に対する完全なブロックを形成する可能性があるため、特に細胞毒性を示す可能性があります。 明らかな理由から、細胞の死によって、細胞が変異したり、腫瘍性に変化したりする可能性がなくなります。 遺伝毒性物質は、ホスホジエステル骨格の切断、または DNA の塩基と糖の間の切断 (脱塩基部位の生成) を誘発することによっても作用する可能性があります。 このような切断は、損傷部位での化学反応の直接的な結果である可能性があり、または前述の種類の DNA 損傷のいずれかの修復中に発生する可能性があります。

図 4. タンパク質-DNA 複合体のさまざまな損傷

TOX090F4

過去 XNUMX 年から XNUMX 年にわたって、さまざまな化学物質によって引き起こされる遺伝子損傷の種類を監視するためのさまざまな技術が開発されてきました。 このようなアッセイについては、この章の別の場所で詳しく説明します。 百科事典.

モノ付加体、脱塩基部位、または一本鎖切断などの「微小病変」の誤った複製は、最終的にヌクレオチド塩基対の置換、または染色体 DNA における短いポリヌクレオチド断片の挿入または欠失をもたらす可能性があります。 対照的に、かさばる付加物、架橋、または二本鎖切断などの「マクロレジョン」は、染色体の比較的大きな断片の獲得、喪失、または再編成を引き起こす可能性があります。 いずれにせよ、これらの事象のいずれかが細胞死、機能の喪失、または細胞の悪性形質転換につながる可能性があるため、その結果は生物に壊滅的な影響を与える可能性があります. DNA損傷がどのようにがんを引き起こすかは、正確にはほとんどわかっていません。 現在、このプロセスには、 私のC 及び ラス、および/またはp53などの最近同定された腫瘍抑制遺伝子の不活性化。 いずれかのタイプの遺伝子の異常な発現は、細胞の増殖および/または分化を制御するための正常な細胞メカニズムを無効にします。

実験的証拠の優勢は、求電子化合物への暴露後の癌の発生が比較的まれな出来事であることを示しています。 これは、部分的には、損傷した DNA を認識して修復する細胞固有の能力、または損傷した DNA を持つ細胞が生き残れないことによって説明できます。 修復中、損傷部位を囲む損傷した塩基、ヌクレオチド、またはヌクレオチドの短いストレッチが除去され、(反対側の鎖をテンプレートとして使用して) 新しい DNA 断片が合成され、所定の位置にスプライシングされます。 効果的であるためには、細胞分裂の前、つまり突然変異の伝播の前に、DNA修復が非常に正確に行われなければなりません.

臨床研究によると、損傷した DNA を修復する能力に遺伝的な欠陥がある人は、幼い頃に癌や発達異常を頻繁に発症することが示されています (表 1)。 このような例は、DNA 損傷の蓄積を人間の病気に結びつける強力な証拠を提供します。 同様に、細胞増殖を促進する薬剤(テトラデカノイルホルボールアセテートなど)は、しばしば発がんを促進します。 これらの化合物について、腫瘍性形質転換の可能性の増加は、細胞が適切な DNA 修復を実行するために利用できる時間の減少の直接的な結果である可能性があります。

表 1. DNA 修復の欠陥が関与していると思われる遺伝性のがんになりやすい疾患

症候群 症状 細胞表現型
毛細血管拡張性運動失調症 神経学的悪化
免疫不全
リンパ腫の発生率が高い
電離放射線および特定のアルキル化剤に対する過敏症。
損傷した DNA の複製の調節不全 (DNA 修復のための時間の短縮を示している可能性があります)
ブルーム症候群 発達異常
露出した皮膚の病変
免疫系および消化管の腫瘍の発生率が高い
高頻度の染色体異常
DNA修復に関連する切断のライゲーション不良
ファンコニ貧血 成長遅延
白血病の発生率が高い
架橋剤に対する過敏症
高頻度の染色体異常
DNA の架橋の欠陥修復
遺伝性非ポリープ性結腸がん 大腸がんの発生率が高い DNAミスマッチ修復の欠損(複製時に間違った塩基が挿入された場合)
色素性乾皮症 皮膚の露出部分に上皮腫の発生率が高い
神経障害(多くの場合)
紫外線および多くの化学発癌物質に対する過敏症
損傷したDNAの切除修復および/または複製の欠陥

 

化学物質が DNA とどのように相互作用するかに関する最も初期の理論は、戦争で使用するマスタード ガスの開発中に行われた研究にまでさかのぼることができます。 さらなる理解は、急速に分裂する腫瘍細胞の複製を選択的に阻止する抗がん剤を特定する努力から生まれました。 私たちの環境における危険に対する社会的関心の高まりは、遺伝物質との化学的相互作用のメカニズムと結果に関する追加の研究を促しました。 遺伝毒性を発揮するさまざまな種類の化学物質の例を表 2 に示します。

表 2. ヒト細胞で遺伝毒性を示す化学物質の例

化学品の分類 暴露源 遺伝毒性病変の可能性
アフラトキシン アフラトキシンB1 汚染された食品 かさばる DNA 付加物
芳香族アミン 2-アセチルアミノフルオレン 環境 かさばる DNA 付加物
アジリジンキノン マイトマイシンC がん化学療法 DNA の単付加体、鎖間架橋、および一本鎖切断。
塩素化炭化水素 塩化ビニル 環境 DNA のモノアダクト
金属および金属化合物 シスプラチン がん化学療法 DNA の鎖内および鎖間架橋の両方
  ニッケル化合物 環境 DNA の単付加体と一本鎖切断
窒素マスタード シクロホスファミド がん化学療法 DNA のモノアダクトと鎖間架橋
ニトロソアミン N-ニトロソジメチルアミン 汚染された食品 DNA のモノアダクト
多環芳香族炭化水素 ベンゾ(a)ピレン 環境 かさばる DNA 付加物

 

戻る

日曜日、1月16 2011 18:35

免疫毒性学

免疫系の機能は、病原体の侵入から身体を保護し、発生する腫瘍細胞に対する免疫監視を提供することです。 それは、非特異的でエフェクター反応自体を開始できる防御の最前線と、リンパ球と抗体が認識の特異性とその後の抗原に対する反応性を運ぶ後天的な特異的分岐を持っています。

免疫毒性学は、「生体異物と免疫系との相互作用の結果として望ましくない影響をもたらす可能性がある事象の研究に関する学問分野」と定義されています。 これらの望ましくない事象は、(1) 免疫系に対する生体異物 (および/またはその生体内変換産物) の直接的および/または間接的な影響、または (2) 化合物に対する免疫学的に基づく宿主応答および/またはその代謝産物、または化合物またはその代謝産物によって修飾された宿主抗原」(Berlin et al. 1987)。

免疫系が化学的傷害の受動的標的として機能すると、その結果、感染や特定の形態の新形成に対する抵抗力が低下したり、アレルギーや自己免疫を悪化させる可能性のある免疫調節不全/刺激が生じる可能性があります. 免疫系が化合物によって修飾された生体異物または宿主抗原の抗原特異性に応答する場合、毒性はアレルギーまたは自己免疫疾患として現れる可能性があります。

化学物質による免疫抑制を調査するための動物モデルが開発されており、これらの方法の多くが検証されています (Burleson、Munson、および Dean 1995; IPCS 1996)。 テストの目的で、利用可能なアッセイの圧倒的な数から適切な選択を行うために、段階的なアプローチに従います。 一般に、第 XNUMX 段階の目的は、潜在的な免疫毒性物質を特定することです。 潜在的な免疫毒性が確認された場合、観察された変化を確認し、さらに特徴付けるために、第 XNUMX 段階のテストが行​​われます。 第三段階の調査には、化合物の作用メカニズムに関する特別な調査が含まれます。 いくつかの生体異物は、実験動物を用いたこのような研究で免疫抑制を引き起こす免疫毒性物質として同定されています。

環境化学物質によるヒトの免疫機能障害に関するデータベースは限られている (Descotes 1986; NRC Subcommittee on Immunotoxicology 1992)。 免疫毒性のマーカーの使用は、これらの化学物質が人間の健康に及ぼす影響を調査するための臨床研究および疫学研究ではほとんど注目されていません。 そのような研究は頻繁には行われておらず、例えば暴露の制御されていない性質のために、それらの解釈では明確な結論を導き出すことができないことが多い. したがって、現時点では、げっ歯類における免疫毒性評価とその後のヒトへの外挿が、危険性とリスクに関する決定の基礎を形成しています。

過敏症反応、特にアレルギー性喘息および接触性皮膚炎は、先進国における重要な職業上の健康問題です (Vos、Younes、および Smith 1995)。 接触感作の現象は、最初にモルモットで調査された (Andersen and Maibach 1985)。 最近まで、これは予測試験に最適な種でした。 多くのモルモット試験方法が利用可能であり、最も頻繁に使用されるのは、モルモット最大化試験とビューラーの閉塞パッチ試験です。 モルモット試験と、マウスで開発された耳腫脹試験や局所リンパ節アッセイなどの新しいアプローチは、毒物学者に皮膚感作の危険性を評価するためのツールを提供します。 気道の感作に関する状況は非常に異なります。 モルモットとマウスで化学的呼吸器アレルギーを調査するための動物モデルの開発が進んでいるが、化学的呼吸器アレルゲンの同定に利用できる、十分に検証された、または広く受け入れられている方法はまだない。

人間のデータは、化学物質、特に薬物が自己免疫疾患を引き起こす可能性があることを示しています (Kammüller、Bloksma、および Seinen 1989)。 ヒト自己免疫疾患の実験動物モデルは数多くあります。 これには、自発的な病理学 (たとえば、ニュージーランドのブラック マウスにおける全身性エリテマトーデス) と、交差反応性自己抗原による実験的免疫によって誘発される自己免疫現象 (たとえば、Lewis 系統ラットにおける H37Ra アジュバント誘発関節炎) の両方が含まれます。 これらのモデルは、免疫抑制剤の前臨床評価に適用されます。 生体異物が誘発性自己免疫または先天性自己免疫を悪化させるかどうかを評価するためのこれらのモデルの可能性に取り組んだ研究はほとんどありません。 自己免疫疾患を誘発する化学物質の能力を調査するのに適した動物モデルは事実上不足しています。 限られた範囲で使用される XNUMX つのモデルは、マウスの膝窩リンパ節アッセイです。 人間の状況と同様に、遺伝的要因は実験動物の自己免疫疾患 (AD) の発症に重要な役割を果たし、そのような検査の予測値を制限します。

免疫システム

免疫系の主な機能は、細菌、ウイルス、寄生虫、菌類、腫瘍細胞に対する防御です。 これは、細かく調整されたコンサートでのさまざまな細胞タイプとそれらの可溶性メディエーターの作用によって達成されます。 宿主の防御は、非特異的または先天的な耐性と、リンパ球によって媒介される特異的または獲得免疫に大まかに分けることができます (Roitt, Brostoff and Male 1989)。

免疫系の構成要素は全身に存在します (Jones et al. 1990)。 リンパ球コンパートメントは、リンパ器官内にあります (図 1)。 骨髄と胸腺は、一次または中央リンパ器官として分類されます。 二次または末梢リンパ器官には、リンパ節、脾臓、および消化管や気道などの分泌面に沿ったリンパ組織、いわゆる粘膜関連リンパ組織(MALT)が含まれます。 体のリンパ球の約半分は常に MALT に存在します。 さらに、皮膚は、皮膚に存在する抗原に対する免疫応答を誘導するための重要な器官です。 この過程で重要なのは、抗原提示機能を持つ表皮ランゲルハンス細胞です。

図 1. 一次および二次リンパ器官および組織

TOX110F1

単核食細胞系 (MPS) と呼ばれる単球/マクロファージ系統の食細胞は、リンパ器官および節外部位で発生します。 節外食細胞には、肝臓のクッパー細胞、肺の肺胞マクロファージ、腎臓のメサンギウムマクロファージ、脳のグリア細胞が含まれます。 多形核白血球 (PMN) は、主に血液と骨髄に存在しますが、炎症部位に蓄積します。

 

 

 

 

 

 

 

非特異的防御

微生物に対する防御の最前線は、皮膚、気道、消化管などの物理的および化学的障壁によって実行されます。 この障壁は、病原体を殺すことができるマクロファージや多形核白血球などの貪食細胞や、腫瘍細胞やウイルス感染細胞を溶解できるナチュラルキラー細胞などの非特異的な保護メカニズムによって助けられています。 補体系および特定の微生物阻害剤 (例えば、リゾチーム) も非特異的応答に関与します。

特定の免疫

宿主が病原体と最初に接触した後、特異的な免疫応答が誘導されます。 この第 XNUMX の防御線の特徴は、B および T リンパ球の細胞表面上の受容体による病原体の決定基、いわゆる抗原またはエピトープの特異的認識です。 特定の抗原との相互作用に続いて、受容体を有する細胞が刺激されて増殖と分化が起こり、誘発抗原に特異的な子孫細胞のクローンが生成されます。 特異的免疫応答は、非特異的応答の有効性を刺激することにより、病原体に提示される非特異的防御を助けます。 特異的免疫の基本的な特徴は、記憶が発達することです。 同じ抗原との二次接触は、より速く、より活発であるが十分に調節された反応を引き起こします。

ゲノムには、遭遇する可能性のある抗原の数を認識するのに十分な数の抗原受容体の配列のコードを運ぶ能力がありません。 特異性のレパートリーは、遺伝子再編成のプロセスによって発達します。 これはランダムなプロセスであり、その間にさまざまな特異性がもたらされます。 これには、望ましくない自己成分の特異性が含まれます。 胸腺 (T 細胞) または骨髄 (B 細胞) で行われる選択プロセスは、これらの望ましくない特異性を削除するように機能します。

正常な免疫エフェクター機能と免疫応答の恒常性調節は、リンパ球や他の細胞型によって合成および分泌されるサイトカインとして総称されるさまざまな可溶性産物に依存しています。 サイトカインは、免疫および炎症反応に多面的な効果をもたらします。 免疫応答には、異なる細胞集団間の協力が必要です。抗体応答の調節、炎症部位での免疫細胞と分子の蓄積、急性期応答の開始、マクロファージの細胞傷害機能の制御、および宿主耐性の中心となる他の多くのプロセスです。 . これらは、個々に、または協調して作用するサイトカインの影響を受け、多くの場合、サイトカインに依存しています。

特異的免疫には、液性免疫と細胞性または細胞性免疫の XNUMX つの腕が認められています。

液性免疫. 液性アームでは、細胞表面受容体による抗原の認識に続いて、B リンパ球が刺激されます。 B リンパ球の抗原受容体は免疫グロブリン (Ig) です。 成熟 B 細胞 (形質細胞) は、血清中または粘膜表面に沿って抗体として作用する抗原特異的免疫グロブリンの産生を開始します。 免疫グロブリンには 1 つの主要なクラスがあります。(2) IgM、最適な凝集能を持つ五量体 Ig。 (3) 胎盤を通過できる循環中の主要な Ig である IgG。 (4) IgA、粘膜表面の保護のための分泌型 Ig。 (5) IgE、マスト細胞または好塩基性顆粒球への Ig 定着は、即時型過敏反応に関与します。(XNUMX) IgD は、主な機能は B リンパ球上の受容体です。

細胞性免疫. 特定の免疫系の細胞部門は、T リンパ球によって媒介されます。 これらの細胞は、膜上に抗原受容体も持っています。 それらは、組織適合性抗原との関連で抗原提示細胞によって提示された場合、抗原を認識します。 したがって、これらの細胞は抗原特異性に加えて制限があります。 T 細胞は、さまざまな (体液性を含む) 免疫応答のヘルパー細胞として機能し、炎症細胞の動員を仲介し、細胞傷害性 T 細胞として、抗原特異的認識後に標的細胞を殺すことができます。

免疫毒性のメカニズム

免疫抑制

効果的な宿主抵抗性は、免疫系の機能的完全性に依存しており、免疫応答を調整する構成細胞および分子が十分な数で機能する形で利用可能である必要があります。 ヒトの先天性免疫不全症は、多くの場合、特定の幹細胞株の欠陥によって特徴付けられ、免疫細胞の産生が損なわれるか、または欠如します。 先天性および後天性のヒト免疫不全疾患との類推により、化学物質による免疫抑制は、単に機能細胞数の減少に起因する可能性があります (IPCS 1996)。 リンパ球の欠如または数の減少は、多かれ少なかれ免疫状態に深刻な影響を与える可能性があります. 移植または細胞増殖抑制療法で発生する可能性のある一部の免疫不全状態および重度の免疫抑制は、特に日和見感染症および特定の腫瘍性疾患の発生率の増加と関連しています。 感染症は、細菌、ウイルス、真菌、または原生動物である可能性があり、感染の主なタイプは、関連する免疫不全によって異なります。 免疫抑制環境化学物質への曝露は、検出が困難な、より微妙な形態の免疫抑制をもたらすと予想される場合があります。 これらは、例えば、インフルエンザや風邪などの感染症の発生率の増加につながる可能性があります。

多種多様な細胞、メディエーター、および機能が複雑で相互作用的なネットワークを形成する免疫系の複雑さを考慮すると、免疫毒性化合物は効果を発揮する機会が数多くあります。 多くの免疫毒性化学物質によって引き起こされる初期病変の性質はまだ解明されていませんが、免疫機能の低下をもたらす免疫生物学的変化に関して、主に実験動物での研究から得られた情報が増えています (Dean et al. 1994)。 . 毒性効果は、次の重要な機能で発生する可能性があります (これらの機能に影響を与える免疫毒性化合物のいくつかの例が示されています)。

  •  さまざまな幹細胞集団の発生と拡大 (ベンゼンは幹細胞レベルで免疫毒性作用を発揮し、リンパ球減少症を引き起こします)
  •  さまざまなリンパ系および骨髄系細胞、ならびにこれらの細胞が成熟して機能する支持組織の増殖 (免疫毒性有機スズ化合物は、直接的な細胞毒性により胸腺皮質におけるリンパ球の増殖活性を抑制する; 2,3,7,8-テトラクロロの胸腺毒性作用-ジベンゾ-p-ダイオキシン (TCDD) および関連化合物は、胸腺細胞に対する直接毒性ではなく、胸腺上皮細胞の機能障害による可能性が高い)
  •  マクロファージおよび他の抗原提示細胞による抗原の取り込み、処理および提示 (7,12-ジメチルベンズ(a)アントラセン (DMBA) および鉛の標的の XNUMX つはマクロファージによる抗原提示であり、紫外線の標的は抗原です。ランゲルハンス細胞を提示)
  •  ヘルパー T 細胞およびサプレッサー細胞の調節機能 (ヘルパー T 細胞機能は、有機スズ、アルジカルブ、ポリ塩化ビフェニル (PCB)、TCDD、および DMBA によって損なわれます。T サプレッサー細胞機能は、低用量のシクロホスファミド処理によって低下します)
  •  さまざまなサイトカインまたはインターロイキンの産生(ベンゾ(a)ピレン(BP)はインターロイキン-1の産生を抑制し、紫外線はケラチノサイトによるサイトカインの産生を変化させます)
  •  さまざまなクラスの免疫グロブリン IgM および IgG の合成は、PCB および酸化トリブチルスズ (TBT) 処理後に抑制され、ヘキサクロロベンゼン (HCB) 曝露後に増加します)。
  •  補体の調節と活性化 (TCDD の影響を受ける)
  •  細胞傷害性 T 細胞機能 (3-メチルコラントレン (3-MC)、DMBA、および TCDD は細胞傷害性 T 細胞活性を抑制します)
  •  ナチュラル キラー (NK) 細胞機能 (肺の NK 活性はオゾンによって抑制され、脾臓の NK 活性はニッケルによって損なわれます)
  •  マクロファージと多形核白血球の走化性と細胞毒性機能 (オゾンと二酸化窒素は、肺胞マクロファージの貪食活性を損なう)。

 

アレルギー

アレルギー 特定の免疫応答の誘導および誘発から生じる健康への悪影響として定義することができます。 免疫系の関与なしに過敏反応が起こる場合 疑似アレルギー 使用されている。 免疫毒性学の文脈では、アレルギーは対象となる化学物質や薬物に対する特定の免疫反応から生じます。 個人を感作する化学物質の能力は、一般に、体のタンパク質に共有結合する能力に関連しています。 アレルギー反応はさまざまな形態をとる可能性があり、これらは基礎となる免疫学的メカニズムと反応速度の両方に関して異なります。 24 つの主要なタイプのアレルギー反応が認識されています。 IgE 抗体によって引き起こされ、感作された個人が曝露してから数分以内に症状が現れる I 型過敏反応。 II型過敏症反応は、抗体による宿主細胞の損傷または破壊に起因します。 この場合、症状は数時間以内に現れます。 III型過敏症、またはアルサス反応も抗体媒介性であるが、可溶性抗原に対するものであり、免疫複合体の局所的または全身的作用から生じる。 IV型、または遅発型過敏反応は、Tリンパ球によって引き起こされ、通常、感作された個人が暴露されてから48時間からXNUMX時間後に症状が現れます。

職業上の健康に最も関連性の高い XNUMX 種類の化学物質アレルギーは、接触過敏症または皮膚アレルギーと気道アレルギーです。

接触過敏症. 多数の化学物質が皮膚感作を引き起こす可能性があります。 感受性のある個人が化学アレルゲンに局所的に暴露された後、流出リンパ節で T リンパ球応答が誘導されます。 皮膚では、アレルゲンは表皮のランゲルハンス細胞と直接的または間接的に相互作用し、化学物質をリンパ節に輸送し、応答性の T リンパ球に免疫原性の形で提示します。 アレルゲンで活性化された T リンパ球が増殖し、クローンが拡大します。 個体は現在感作されており、同じ化学物質への 24 回目の皮膚暴露に対してより攻撃的な免疫反応で反応し、アレルギー性接触皮膚炎を引き起こします。 アレルギー性接触皮膚炎の特徴である皮膚の炎症反応は、特定の T リンパ球による皮膚のアレルゲンの認識に続くものです。 これらのリンパ球は活性化され、サイトカインを放出し、他の単核白血球の局所蓄積を引き起こします。 症状は、感作された個人の曝露から約 48 時間から 2,4 時間後に発現するため、アレルギー性接触皮膚炎は遅延型過敏症の一種です。 アレルギー性接触皮膚炎の一般的な原因には、有機化学物質 (XNUMX-ジニトロクロロベンゼンなど)、金属 (ニッケルやクロムなど)、植物製品 (ツタウルシのウルシオールなど) が含まれます。

呼吸過敏症. 呼吸器過敏症は通常、I 型過敏症反応であると考えられています。 しかし、喘息に関連する後期相反応およびより慢性的な症状には、細胞性(IV型)免疫プロセスが関与している可能性があります。 呼吸器アレルギーに関連する急性症状は、IgE 抗体によって影響を受けます。IgE 抗体の産生は、影響を受けやすい個人が誘発化学アレルゲンにさらされた後に誘発されます。 IgE 抗体は全身に分布し、膜受容体を介して気道を含む血管組織に見られるマスト細胞に結合します。 同じ化学物質を吸入すると、呼吸器過敏反応が誘発されます。 アレルゲンはタンパク質と会合し、マスト細胞に結合した IgE 抗体に結合して架橋します。 これによりマスト細胞の脱顆粒が起こり、ヒスタミンやロイコトリエンなどの炎症メディエーターが放出されます。 このようなメディエーターは気管支収縮と血管拡張を引き起こし、呼吸器アレルギーの症状を引き起こします。 喘息および/または鼻炎。 人に呼吸器過敏症を引き起こすことが知られている化学物質には、酸無水物 (トリメリット酸無水物など)、一部のジイソシアネート (トルエンジイソシアネートなど)、白金塩、および一部の反応染料が含まれます。 また、ベリリウムへの慢性暴露は、過敏性肺疾患を引き起こすことが知られています。

自己免疫

自己免疫 内因性「自己」抗原に対する特定の免疫応答の刺激として定義できます。 誘発された自己免疫は、制御性 T リンパ球のバランスの変化、または生体異物と正常組織成分との会合 (「自己変化」) のいずれかから生じる可能性があります。 影響を受けやすい個人の自己免疫疾患 (AD) のような影響を偶発的に誘発または悪化させることが知られている薬物および化学物質は、一般にそれ自体は免疫原性がないと考えられている低分子量化合物 (分子量 100 ~ 500) です。 化学物質への暴露による AD のメカニズムはほとんど知られていません。 疾患は、抗体の循環によって直接的に、免疫複合体の形成を通じて間接的に、または細胞性免疫の結果として生じる可能性がありますが、メカニズムの組み合わせによって発生する可能性があります。 病因は、薬物によって誘発される免疫溶血性疾患で最もよく知られています。

  •  薬は赤血球膜に付着し、薬に特異的な抗体と相互作用することができます。
  •  この薬は、免疫系が細胞を異物と見なすように赤血球膜を変化させることができます。
  •  薬とその特異的抗体は、赤血球膜に付着して損傷を引き起こす免疫複合体を形成します。
  •  赤血球感作は、赤血球自己抗体の産生によって起こります。

 

さまざまな化学物質や薬物、特に後者は、自己免疫様反応を誘発することがわかっています (Kamüller、Bloksma、および Seinen 1989)。 化学物質への職業的曝露は、偶然にもAD様症候群につながる可能性があります. 単量体の塩化ビニル、トリクロロエチレン、パークロロエチレン、エポキシ樹脂、およびシリカ粉塵への曝露は、強皮症様症候群を誘発する可能性があります。 全身性エリテマトーデス (SLE) に似た症候群は、ヒドラジンへの曝露後に報告されています。 トルエンジイソシアネートへの曝露は、血小板減少性紫斑病の誘発と関連しています。 水銀などの重金属は、免疫複合体糸球体腎炎の一部の症例に関与しています。

ヒューマンリスクアセスメント

ヒトの免疫状態の評価は、主に末梢血を使用して免疫グロブリンや補体などの体液性物質を分析し、白血球のサブセット構成とサブ集団の機能を分析します。 これらの方法は通常、先天性免疫不全疾患が疑われる患者の体液性および細胞性免疫、ならびに非特異的耐性を調査するために使用されるものと同じです。 疫学的研究(例えば、職業的に暴露された集団)の場合、パラメータは、ヒト集団における予測値、検証済みの動物モデル、およびマーカーの基礎となる生物学に基づいて選択する必要があります(表 1 を参照)。 環境汚染物質または他の毒性物質への (偶発的な) 曝露後の免疫毒性効果のスクリーニング戦略は、予想される免疫不全の種類、曝露から免疫状態の評価までの時間、曝露の程度、および曝露された個人の数などの状況に大きく依存します。 ヒトにおける特定の生体異物の免疫毒性リスクを評価するプロセスは、毒性損傷に対する個人の反応に影響を与える内因性または外因性起源のさまざまな交絡因子の存在により、非常に困難であり、多くの場合不可能です。 これは、遺伝的要因が重要な役割を果たす自己免疫疾患における化学物質曝露の役割を調査する研究に特に当てはまります。

表 1. 免疫マーカー検査の分類

試験区分 特性 特定のテスト
基本一般
一般的なパネルに含める必要があります
一般的な健康状態と臓器系の状態の指標 血中尿素窒素、血糖など
基礎免疫
一般的なパネルに含める必要があります
免疫状態の一般的な指標
比較的低コスト
アッセイ方法は研究所間で標準化されています
基準範囲外の結果は臨床的に解釈可能です
完全な血球計算
血清IgG、IgA、IgMレベル
主要なリンパ球サブセットの表面マーカー表現型
集中/反射
臨床所見、曝露の疑い、または以前の検査結果によって示される場合に含める必要があります
特定の免疫機能/イベントの指標
費用は異なります
アッセイ方法は研究所間で標準化されています
基準範囲外の結果は臨床的に解釈可能です
組織適合遺伝子型
感染因子に対する抗体
総血清 IgE
アレルゲン特異的IgE
自己抗体
過敏症の皮膚テスト
顆粒球酸化バースト
病理組織学(組織生検)
研究
コントロール集団と慎重な研究デザインにのみ含める必要があります
一般的または特定の免疫機能/イベントの指標
費用はさまざまです。 しばしば高価
通常、検査方法は研究所間で標準化されていません
基準範囲外の結果は臨床的に解釈できないことが多い
インビトロ刺激アッセイ
細胞活性化表面マーカー
サイトカイン血清濃度
クローン性アッセイ(抗体、細胞、遺伝子)
細胞毒性試験

 

十分なヒトのデータが入手できることはめったにないため、ヒトにおける化学物質誘発性免疫抑制のリスク評価は、ほとんどの場合、動物実験に基づいています。 潜在的な免疫毒性生体異物の同定は、主にげっ歯類を対象とした対照研究で行われています。 この点に関して、in vivo 曝露研究は、化合物の免疫毒性の可能性を推定するための最適なアプローチを示しています。 これは、免疫系と免疫応答の多因子的で複雑な性質によるものです。 インビトロ研究は、免疫毒性のメカニズムの解明においてますます価値があります。 さらに、動物およびヒト由来の細胞を使用して化合物の効果を調査することにより、種の比較のためのデータを生成することができ、リスク評価プロセスを改善するための「平行四辺形」アプローチで使用できます。 平行四辺形の XNUMX つの要点 (in vivo 動物、in vitro 動物およびヒト) のデータが利用可能である場合、残りの要点、つまりヒトのリスクでの結果を予測することはより容易になる可能性があります。

化学物質誘発性免疫抑制のリスク評価が動物実験のデータのみに依存しなければならない場合、無毒性量 (NOAEL) に不確実係数を適用することにより、人への外挿法に従うことができます。 このレベルは、宿主耐性アッセイや過敏症反応と抗体産生の in vivo 評価など、関連するモデルで決定されたパラメーターに基づくことができます。 理想的には、リスク評価に対するこのアプローチの関連性は、ヒトでの研究による確認が必要です。 このような研究では、毒物、疫学的データ、および免疫状態の評価の特定と測定を組み合わせる必要があります。

接触過敏症を予測するために、モルモット モデルが利用可能であり、1970 年代からリスク評価に使用されてきました。 感度が高く再現性がありますが、主観的な評価に依存するため、これらのテストには限界があります。 これは、マウスで開発されたより新しく、より定量的な方法によって克服できます。 アレルゲンの吸入または摂取によって誘発される化学物質誘発性過敏症に関しては、試験を開発し、ヒトにおける予測値の観点から評価する必要があります。 潜在的アレルゲンの安全な職業暴露レベルの設定に関しては、アレルギーの二相性の性質、つまり感作段階と誘発段階を考慮する必要があります。 以前に感作された個人でアレルギー反応を誘発するために必要な濃度は、免疫学的にナイーブであるが感受性のある個人で感作を誘発するために必要な濃度よりもかなり低い.

化学物質誘発性自己免疫を予測する動物モデルが事実上不足しているため、そのようなモデルの開発に重点を置かなければなりません。 このようなモデルの開発のために、影響を受けやすい個人を特定するための遺伝的および免疫系マーカーの研究を含め、ヒトにおける化学物質誘発性自己免疫に関する私たちの知識を進める必要があります。 自己免疫を誘発する薬物にさらされている人間は、そのような機会を提供します。

 

戻る

日曜日、1月16 2011 18:43

標的臓器毒性学

毒性に関する化学物質やその他の薬剤の研究と特徴付けは、特定の臓器や臓器系に基づいて行われることがよくあります。 この章では、詳細な議論のために、免疫系と遺伝子の XNUMX つのターゲットを選択しました。 これらの例は、複雑な標的臓器系と細胞内の分子標的を表すために選択されました。 標的臓器の毒物学のより包括的な議論については、読者は、Casarett と Doull、Hayes などの標準的な毒物学のテキストを参照してください。 化学物質安全性に関する国際プログラム (IPCS) も、臓器系ごとの標的臓器毒性に関するいくつかの基準文書を発行しています。

標的臓器毒性研究は、通常、疫学的データまたは一般的な急性または慢性毒性研究から、物質の特定の毒性効果の可能性を示す情報に基づいて、または特定の臓器機能を保護するための特別な懸念に基づいて実施されます。生殖または胎児の発育として。 場合によっては、米国の農薬法に基づく神経毒性試験(「生殖毒性物質および神経毒性物質のリスク評価に対する米国のアプローチ」を参照)や、日本の化学薬品法に基づく変異原性試験など、特定の標的臓器毒性試験が法定当局によって明示的に義務付けられています。物質管理法(「有害性特定の原則:日本のアプローチ」を参照)。

「標的臓器と重大な影響」で説明したように、重大な臓器の特定は、最初に逆反応する臓器または臓器系の検出に基づいています。 次に、この情報を使用して、特定の毒性調査、または標的臓器における中毒のより敏感な兆候を引き出すように設計されたより明確な毒性試験を設計します。 標的臓器毒性研究は、リスク評価に使用する作用機序を決定するために使用することもできます (「生殖毒性物質および神経毒性物質のリスク評価に対する米国のアプローチ」を参照)。

標的臓器毒性試験の方法

標的器官は、無傷の生物を曝露し、標的器官の機能と組織病理学を詳細に分析することによって、または培養で短期間または長期間維持された細胞、組織切片、または器官全体を in vitro 曝露することによって研究することができます (「毒物学:導入と概念」)。 場合によっては、ヒト被験者の組織も標的臓器毒性研究に利用できる可能性があり、これらは種間外挿の仮定を検証する機会を提供する可能性があります。 ただし、そのような研究は相対的なトキシコキネティクスに関する情報を提供しないことに留意する必要があります。

一般に、標的臓器毒性研究には次の共通の特徴があります。 重要な酵素系など、標的器官の重要な経路の生化学的研究。 予想される代謝およびその他の機能を実行する器官および細胞構成要素の能力に関する機能研究。 標的器官細胞における曝露と初期影響のバイオマーカーの分析。

標的臓器の生理学、生化学、および分子生物学に関する詳細な知識は、標的臓器の研究に組み込まれる場合があります。 例えば、低分子量タンパク質の合成と分泌は腎機能の重要な側面であるため、腎毒性研究ではしばしばこれらのパラメーターに特別な注意が払われます (IPCS 1991)。 細胞間コミュニケーションは神経系機能の基本的なプロセスであるため、神経毒性の標的臓器研究には、神経伝達物質の合成、取り込み、貯蔵、放出、受容体結合の詳細な神経化学的および生物物理学的測定、ならびに膜の変化の電気生理学的測定が含まれる場合があります。これらのイベントに関連する可能性。

動物全体の使用を置き換えるか減らすために、標的臓器毒性の in vitro 法の開発に重点が置かれています。 生殖毒性物質については、これらの方法が大幅に進歩しました (Heindel and Chapin 1993)。

要約すると、標的臓器毒性試験は一般に、毒性を決定するための高次試験として実施されます。 さらなる評価のための特定の標的臓器の選択は、OECD および欧州連合によって使用される急性または亜慢性検査などのスクリーニング レベル検査の結果に依存します。 一部の標的臓器および臓器系は、特定の種類の健康への悪影響を防止する懸念があるため、特別な調査のアプリオリな候補である可能性があります。

 

戻る

免責事項: ILO は、この Web ポータルに掲載されているコンテンツが英語以外の言語で提示されていることについて責任を負いません。英語は、オリジナル コンテンツの最初の制作およびピア レビューに使用される言語です。その後、特定の統計が更新されていません。百科事典の第 4 版 (1998 年) の作成。

Contents [show]