33.毒理學

章節編輯：Ellen K. Silbergeld

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監管毒理學 (6)

監管毒理學

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週一，12月20 2010 19：16

定義和概念

暴露、劑量和反應

毒性是化學試劑對生物體產生不利影響的內在能力。

異生素 是“異物”的術語，即對生物體來說是異物。它的對立面是內源性化合物。異生素包括藥物、工業化學品、天然毒物和環境污染物。

冒險是在特定環境或情況下實現毒性的可能性。

風險是特定不利影響發生的概率。它通常表示為特定人群和特定時間段內病例的百分比。風險估計可以基於實際案例或基於推斷的未來案例預測。

毒性等級 毒性分類 可用於監管目的。毒性等級是對引起毒性作用的劑量或暴露水平的任意分級。分級可以是“超毒”、“劇毒”、“中毒”等。最常見的評級涉及急性毒性。毒性分類涉及根據最重要的毒性作用將化學品分為一般類別。這些類別可包括過敏性、神經毒性、致癌性等。這種分類可以作為警告和信息具有管理價值。

量效關係 是劑量與個體水平效應之間的關係。劑量的增加可能會增加效果的強度，或者可能導致更嚴重的效果。可以在整個生物體、細胞或靶分子的水平上獲得劑量效應曲線。一些毒性作用，如死亡或癌症，沒有分級，而是“全部或無”作用。

量效關係 是劑量與表現出特定效果的個體百分比之間的關係。隨著劑量的增加，暴露人群中通常會有更多的人受到影響。

毒理學必須建立劑量效應和劑量反應關係。在醫學（流行病學）研究中，通常用於接受藥物與疾病之間因果關係的標準是效果或反應與劑量成正比。

可以為一種化學品繪製多條劑量反應曲線——每種效果一條。大多數毒性作用的劑量反應曲線（在大量人群中研究時）呈 S 形。通常存在未檢測到反應的低劑量範圍；隨著劑量的增加，反應遵循上升曲線，通常會在 100% 反應時達到平穩狀態。劑量反應曲線反映了人群中個體之間的差異。曲線的斜率因化學物質和不同類型的影響而異。對於某些具有特定作用的化學品（致癌物、引髮劑、誘變劑），在一定劑量範圍內，劑量-反應曲線可能從零劑量開始呈線性。這意味著不存在閾值，即使是小劑量也存在風險。高於該劑量範圍，風險可能會以大於線性速率的速率增加。

一天中暴露的變化和一個人一生中暴露的總長度對於結果（反應）可能與平均或平均甚至綜合劑量水平一樣重要。高峰值暴露可能比更均勻的暴露水平更有害。某些有機溶劑就是這種情況。另一方面，對於某些致癌物，實驗表明，將單一劑量分成具有相同總劑量的多次暴露可能更有效地產生腫瘤。

A 劑量通常表示為進入生物體的異生素的量（單位為 mg/kg 體重）。劑量可以用不同的（更多或更少的信息）方式表示： 暴露劑量，這是在一定時間段內吸入的污染物的空氣濃度（在工作衛生中通常為八小時），或者保留 or 吸收劑量 （在工業衛生中也稱為 身體負擔)，這是在暴露期間或之後的特定時間體內存在的量。這 組織劑量 是特定組織中物質的量，而 目標劑量 是與關鍵分子結合的物質（通常是代謝物）的量。目標劑量可以表示為組織中每毫克特定大分子的毫克化學結合。要應用這一概念，需要有關分子水平毒性作用機制的信息。目標劑量與毒性作用更確切相關。暴露劑量或身體負荷可能更容易獲得，但這些與效應的關係不太精確。

在劑量概念中，通常包括時間方面，即使並不總是表達出來。根據哈伯定律的理論劑量是 D = 克拉， 哪裡 D 是劑量， c 是空氣中異生素的濃度，並且 t 暴露於化學品的持續時間。如果在靶器官或分子水平上使用此概念，則可以使用特定時間內每毫克組織或分子的量。時間方面對於理解重複暴露和慢性影響通常比單次暴露和急性影響更重要。

附加效應 由於接觸多種化學品的組合而發生，其中單獨的毒性只是簡單地相互疊加 (1+1=2)。當化學物質通過相同的機制起作用時，假設它們的作用具有可加性，但實際上並非總是如此。化學物質之間的相互作用可能會導致抑制（對抗)，其效果小於添加單個化學品的效果 (1+1 2) 所預期的效果。或者，化學物質的組合可能會產生比添加所預期的更顯著的效果（個體之間的反應增加或人群中反應頻率的增加），這被稱為 協同作用 (1+1 >2)。

延遲時間 是第一次暴露和出現可檢測的效果或反應之間的時間。該術語通常用於致癌作用，其中腫瘤可能在接觸開始後很長時間出現，有時在接觸停止後很長時間出現。

A 劑量閾值 是一個劑量水平，低於該水平不會發生可觀察到的效果。人們認為某些效應存在閾值，例如急性毒性效應；但對其他人則不然，例如致癌作用（通過形成 DNA 加合物的引髮劑）。然而，僅僅在給定人群中沒有反應不應被視為存在閾值的證據。沒有反應可能是由於簡單的統計現象：在小人群中可能無法檢測到低頻率發生的不利影響。

LD₅₀ （有效劑量）是在動物種群中引起 50% 致死率的劑量。 LD₅₀ 在較早的文獻中經常給出作為化學品急性毒性的量度。 LD越高₅₀, 急性毒性越低。劇毒化學品（低LD₅₀) 據說是 有力的. 急性和慢性毒性之間沒有必然的相關性。編輯₅₀ （有效劑量）是在 50% 的動物中引起除致死率以外的特定效應的劑量。

諾爾（NOAEL） 指未觀察到（不利）影響水平，或不引起毒性作用的最高劑量。建立 NOEL 需要多次劑量、大量人口和額外信息，以確保沒有反應不僅僅是一種統計現象。 洛伊爾 是劑量反應曲線上觀察到的最低有效劑量，或引起影響的最低劑量。

A 安全要素 是一個正式的、任意的數字，用它除以從動物實驗中得出的 NOEL 或 LOEL 以獲得人類的暫定允許劑量。這通常用於食品毒理學領域，但也可用於職業毒理學。安全係數也可用於將數據從小群體外推到大群體。安全係數範圍從 10⁰ 到10³. 安全係數 1,000 通常足以防止不太嚴重的影響（如刺激），而大至 XNUMX 的安全係數可用於非常嚴重的影響（如癌症）。期限 安全要素 可以更好地替換為術語保護因素甚至， 不確定因素. 後一個術語的使用反映了科學上的不確定性，例如對於特定的化學物質、毒性作用或暴露情況，是否可以將確切的劑量反應數據從動物轉化為人類。

外推法 是從一個物種到另一個物種的數據轉換或從一組劑量反應數據（通常在高劑量範圍內）到沒有數據存在的劑量反應區域的毒性的理論定性或定量估計（風險外推）。通常必須進行外推以預測觀察範圍之外的毒性反應。數學模型用於基於對有機體中化學物質行為的理解（毒代動力學模型）或基於對特定生物事件發生的統計概率的理解（基於生物學或機械學的模型）的推斷。一些國家機構已經開發出複雜的外推模型作為一種正式的方法來預測監管目的的風險。（參見本章後面對風險評估的討論。）

系統性影響 是遠離吸收途徑的組織中的毒性作用。

靶器官 是暴露後受影響的主要或最敏感的器官。同一種化學物質通過不同的接觸途徑、劑量率、性別和物種進入人體，可能影響不同的靶器官。化學物質之間或化學物質與其他因素之間的相互作用也可能影響不同的靶器官。

急性影響 在有限暴露後和暴露後不久（幾小時、幾天）發生，可能是可逆的或不可逆的。

慢性影響 在長時間接觸（數月、數年、數十年）後發生和/或在接觸停止後持續存在。

急性曝光是短時間的曝光，而 慢性暴露 是長期（有時是終生）暴露。

公差當重複暴露導致的反應低於未經預處理的預期反應時，可能會發生對化學物質的反應。

吸收和處置

運輸過程

擴散. 為了進入生物體並到達產生損傷的部位，外來物質必須通過數道屏障，包括細胞及其細胞膜。大多數有毒物質通過擴散被動地穿過膜。對於小的水溶性分子，這可能通過水通道發生，或者對於脂溶性分子，通過溶解並擴散通過膜的脂質部分發生。乙醇是一種水溶性和脂溶性的小分子，可快速擴散穿過細胞膜。

弱酸和弱鹼的擴散. 弱酸和弱鹼可以很容易地以非離子化、脂溶性形式通過膜，而電離形式的極性太強而無法通過。這些物質的電離程度取決於 pH 值。如果跨膜存在 pH 梯度，它們將因此積聚在一側。弱酸和弱鹼的尿液排泄高度依賴於尿液 pH 值。胎兒或胚胎的 pH 值略高於母體的 pH 值，導致胎兒或胚胎中略微積累弱酸。

促進擴散. 膜中的載體可以促進物質的通過。促進擴散類似於酶過程，因為它是蛋白質介導的、高度選擇性的和可飽和的。其他物質可能會抑制異生素的促進運輸。

主動運輸. 一些物質主動跨細胞膜轉運。這種運輸由載體蛋白介導，過程類似於酶。主動運輸類似於促進擴散，但它可能會在濃度梯度下發生。它需要能量輸入，代謝抑製劑可以阻斷該過程。大多數環境污染物不是主動運輸的。一個例外是腎臟中酸性代謝物的活躍腎小管分泌和重吸收。

吞噬作用 是一個過程，其中巨噬細胞等特殊細胞吞噬顆粒以進行後續消化。這種運輸過程很重要，例如，對於去除肺泡中的顆粒。

大流量. 物質也隨著呼吸時呼吸系統中空氣的運動，以及血液、淋巴液或尿液的運動在體內運輸。

過濾。 由於靜水壓或滲透壓，水大量流過內皮細胞的孔隙。任何足夠小的溶質都會與水一起過濾。在所有組織的毛細血管床中都會發生一定程度的過濾，但在腎小球中原尿的形成中尤為重要。

吸收

吸收是將環境中的物質吸收到生物體中。該術語通常不僅包括進入屏障組織，還包括進一步轉運到循環血液中。

肺吸收. 肺部是空氣中的小顆粒、氣體、蒸汽和氣溶膠沉積和吸收的主要途徑。對於水溶性高的氣體和蒸氣，很大一部分吸收發生在鼻子和呼吸樹中，但對於水溶性較低的物質，它主要發生在肺泡中。肺泡的表面積很大（約 100m² 在人類中）。此外，擴散屏障極小，只有兩層薄薄的細胞層，從肺泡空氣到全身血液循環的距離在微米量級。這使得肺不僅在交換氧氣和二氧化碳方面非常有效，而且在交換其他氣體和蒸汽方面也非常有效。一般來說，穿過肺泡壁的擴散非常快，不會限制攝取。相反，吸收率取決於流量（肺通氣量、心輸出量）和溶解度（血液：空氣分配係數）。另一個重要因素是代謝消除。這些因素對肺部吸收的相對重要性因物質不同而有很大差異。體力活動會導致肺通氣量和心輸出量增加，並降低肝血流量（從而降低生物轉化率）。對於許多吸入物質，這會導致肺部吸收顯著增加。

經皮吸收. 皮膚是一個非常有效的屏障。除了其調節體溫的作用外，它還旨在保護機體免受微生物、紫外線輻射和其他有害物質的侵害，並防止水分過度流失。真皮中的擴散距離大約為十分之一毫米。此外，角蛋白層對大多數物質的擴散具有非常高的抵抗力。然而，某些物質可能會發生顯著的皮膚吸收而導致中毒，例如有機磷殺蟲劑和有機溶劑等高毒脂溶性物質。接觸液體物質後可能會發生明顯吸收。蒸氣的經皮吸收對於蒸氣壓極低且對水和皮膚具有高親和力的溶劑可能很重要。

胃腸吸收 意外或故意攝入後發生。最初吸入並沉積在呼吸道中的較大顆粒可能在粘膜纖毛運輸到咽部後被吞嚥。實際上，所有可溶性物質都能在胃腸道中有效吸收。腸道的低 pH 值可能有助於吸收，例如金屬。

其他路線. 在毒性測試和其他實驗中，為方便起見，通常會使用特殊的給藥途徑，儘管這些途徑很少見，而且通常與職業環境無關。這些途徑包括靜脈內 (IV)、皮下 (sc)、腹膜內 (ip) 和肌內 (im) 注射。通常，物質通過這些途徑以更高的速度和更完全地被吸收，尤其是在靜脈注射後。這會導致持續時間短但濃度高的峰值，可能會增加劑量的毒性。

分銷

物質在生物體內的分佈是一個動態過程，它取決於攝取和消除率，以及流向不同組織的血流及其對物質的親和力。水溶性、不帶電荷的小分子、單價陽離子和大多數陰離子很容易擴散，最終會在體內達到相對均勻的分佈。

分佈容積 是給定時間體內某種物質的量除以當時血液、血漿或血清中的濃度。該值作為物理體積沒有意義，因為許多物質在生物體中分佈不均勻。小於 XNUMX l/kg 體重的分佈容積表明優先分佈在血液（或血清或血漿）中，而高於 XNUMX 的值表明脂溶性物質優先分佈於外周組織，例如脂肪組織。

積累是一種物質在組織或器官中的積累，其水平高於血液或血漿中的水平。它也可以指隨著時間的推移在生物體中逐漸積累。許多異生素是高度脂溶性的，往往會積聚在脂肪組織中，而另一些則對骨骼具有特殊的親和力。例如，骨中的鈣可被鉛、鍶、鋇和鐳的陽離子交換，骨中的羥基可被氟化物交換。

障礙. 大腦、睾丸和胎盤中的血管具有特殊的解剖學特徵，可以抑制蛋白質等大分子的通過。這些功能通常被稱為血腦、血睾丸和血胎盤屏障，可能給人一種錯誤印象，即它們會阻止任何物質通過。這些屏障對於可以通過細胞膜擴散的異生素來說幾乎沒有重要性。

血液結合. 物質可能與紅細胞或血漿成分結合，或在血液中未結合。一氧化碳、砷、有機汞和六價鉻對紅細胞有很高的親和力，而無機汞和三價鉻則對血漿蛋白有較高的親和力。許多其他物質也與血漿蛋白結合。只有未結合的部分可用於過濾或擴散到消除器官中。因此，血液結合可能會增加在生物體中的停留時間，但會減少靶器官的吸收。

消除

消除是體內某種物質的消失。消除可能涉及從體內排泄或轉化為特定測量方法未捕獲的其他物質。消失率可用消除率常數、生物半衰期或清除率來表示。

濃度-時間曲線. 血液（或血漿）濃度隨時間變化的曲線是描述異生素攝取和處置的便捷方式。

曲線下面積 (AUC) 是血液（血漿）濃度隨時間的積分。當不存在代謝飽和和其他非線性過程時，AUC 與物質的吸收量成正比。

生物半場 (或半條命) 是暴露結束後將有機體中的量減少到一半所需的時間。由於通常難以評估物質的總量，因此使用血液（血漿）中的濃度等測量值。應謹慎使用半衰期，因為它可能會發生變化，例如，隨劑量和暴露時間長短而變化。此外，許多物質具有復雜的衰變曲線和多個半衰期。

生物利用度 是進入體循環的給藥劑量的分數。在沒有系統前清除的情況下，或 首過代謝，分數是一。在口服暴露中，系統前清除可能是由於胃腸道內容物、腸壁或肝臟內的新陳代謝。首過代謝會減少物質的全身吸收，反而增加代謝物的吸收。這可能會導致不同的毒性模式。

優惠促銷 是每單位時間完全清除某種物質的血液（血漿）體積。例如，為了與腎臟清除率區分開來，通常添加前綴 total、metabolic 或 blood（plasma）。

固有遊隙 是內源性酶轉化物質的能力，也以每單位時間的體積表示。如果器官的內在清除率遠低於血流量，則新陳代謝被認為是容量受限的。相反，如果內在清除率遠高於血流量，則代謝受流量限制。

排泄

排泄是物質及其生物轉化產物從生物體中排出。

在尿液和膽汁中排泄. 腎臟是最重要的排泄器官。有些物質，尤其是高分子量的酸，會隨膽汁排出體外。一小部分膽汁排泄物可能在腸中被重吸收。這個流程， 腸肝循環, 對於結合物在腸內水解後的結合物質來說很常見。

其他排泄途徑. 一些物質，如有機溶劑和分解產物，如丙酮，具有足夠的揮發性，以至於相當一部分可能會在吸入後通過呼氣排出體外。小的水溶性分子和脂溶性分子很容易通過胎盤分泌到胎兒體內，並分泌到哺乳動物的乳汁中。對於母親來說，哺乳可以是持久性脂溶性化學物質在數量上很重要的排泄途徑。後代可能在懷孕期間和哺乳期間通過母親二次接觸。水溶性化合物可能在一定程度上通過汗液和唾液排出體外。這些路線通常不太重要。然而，由於產生併吞咽了大量唾液，唾液排泄可能有助於化合物的重吸收。某些金屬（例如汞）通過與頭髮中角蛋白的巰基永久結合而排出體外。

毒代動力學模型

數學模型是理解和描述外來物質吸收和處置的重要工具。大多數模型是隔室的，即有機體由一個或多個隔室表示。隔室是化學和物理理論體積，其中假設物質均勻且瞬時分佈。簡單的模型可以表示為指數項的總和，而更複雜的模型需要計算機上的數值程序來求解。模型可以細分為兩類，描述性和生理性。

In 描述的 模型，通過改變模型參數甚至模型結構本身的數值來擬合測量數據。模型結構通常與有機體的結構關係不大。描述性方法的優點是所做的假設很少，並且不需要額外的數據。描述性模型的一個缺點是它們在外推方面的用處有限。

生理模型 由生理學、解剖學和其他獨立數據構成。然後通過與實驗數據的比較來改進和驗證該模型。生理模型的一個優點是它們可以用於外推目的。例如，身體活動對吸入物質的吸收和處置的影響可以根據通氣和心輸出量的已知生理調整來預測。生理模型的一個缺點是它們需要大量的獨立數據。

生物轉化

生物轉化 是導致體內外來化合物（異生素）代謝轉化的過程。這個過程通常被稱為異生素的代謝。作為一般規則，新陳代謝將脂溶性異生素轉化為可以有效排泄的大的水溶性代謝物。

肝臟是生物轉化的主要場所。從腸道攝取的所有異生素都通過單個血管運送到肝臟（門脈). 如果少量攝入，異物可能在到達全身循環和其他器官之前在肝臟中完全代謝（首過效應）。吸入的異生素通過全身循環分佈到肝臟。在那種情況下，只有一小部分劑量在到達其他器官之前在肝臟中被代謝。

肝細胞含有多種氧化異生素的酶。這種氧化通常會激活化合物——它變得比母體分子更具反應性。在大多數情況下，氧化代謝物在第二階段被其他酶進一步代謝。這些酶將代謝物與內源性底物結合，使分子變得更大、極性更強。這有利於排泄。

代謝異生素的酶也存在於肺和腎等其他器官中。在這些器官中，它們可能在某些異生素的代謝中發揮特定和重要的作用。在一個器官中形成的代謝物可能在第二個器官中進一步代謝。腸道中的細菌也可能參與生物轉化。

異生素的代謝物可以通過腎臟或膽汁排出體外。它們也可以通過肺部呼出，或與體內的內源性分子結合。

生物轉化和毒性之間的關係是複雜的。生物轉化可視為生存的必要過程。它通過防止有害物質在體內積累來保護機體免受毒性。然而，在生物轉化過程中可能會形成反應性中間代謝產物，這些產物具有潛在的危害性。這稱為代謝激活。因此，生物轉化也可能誘發毒性。未結合的氧化中間代謝物可以結合併破壞細胞結構。例如，如果異生代謝物與 DNA 結合，則可以誘導突變（參見“遺傳毒理學”）。如果生物轉化系統過載，可能會發生必需蛋白質或脂質膜的大量破壞。這會導致細胞死亡（參見“細胞損傷和細胞死亡”）。

代謝是一個經常與生物轉化互換使用的詞。它表示體內酶催化的化學分解或合成反應。來自食物的營養素、內源性化合物和異生素都在體內代謝。

代謝激活 是指反應性較低的化合物轉化為反應性較高的分子。這通常發生在第 1 階段反應期間。

代謝失活 是指活性或毒性分子轉化為活性較低的代謝物。這通常發生在第 2 階段反應期間。在某些情況下，失活的代謝物可能會被重新激活，例如通過酶促裂解。

第一階段反應 指異生物質代謝的第一步。它通常意味著化合物被氧化。氧化通常使化合物更易溶於水並促進進一步反應。

細胞色素P450酶 是一組在第一階段反應中優先氧化異生素的酶。不同的酶專門用於處理具有某些特徵的特定組的異生素。內源性分子也是底物。細胞色素 P1 酶由異生素以特定方式誘導。獲得細胞色素 P450 的誘導數據可以提供有關先前暴露性質的信息（參見“毒性反應的遺傳決定因素”）。

第一階段反應 指異生物質代謝的第二步。它通常意味著氧化化合物與內源性分子結合（偶聯）。該反應進一步增加了水溶性。許多共軛代謝物通過腎臟主動排泄。

轉移酶 是一組催化相 2 反應的酶。它們將異生素與穀胱甘肽、氨基酸、葡萄醣醛酸或硫酸鹽等內源性化合物結合。

穀胱甘肽 是一種內源性分子，一種三肽，在第 2 相反應中與異生素結合。它存在於所有細胞中（並以高濃度存在於肝細胞中），通常可以防止被激活的異生素。當穀胱甘肽耗盡時，活化的外源性代謝物與蛋白質、脂質或 DNA 之間可能會發生毒性反應。

感應表示參與生物轉化的酶作為對外來物暴露的反應而增加（在活性或數量上）。在某些情況下，酶活性可在幾天內增加幾倍。誘導通常是平衡的，因此第一階段和第二階段的反應同時增加。這可能導致更快速的生物轉化並可以解釋耐受性。相反，不平衡的誘導可能會增加毒性。

抑制如果兩種異生素被同一種酶代謝，就會發生生物轉化。兩種底物必須競爭，通常優選其中一種底物。在那種情況下，第二底物不被代謝，或僅被緩慢代謝。與誘導一樣，抑製作用可能會增加也可能會降低毒性。

氧氣活化 可以由某些異生素的代謝物觸發。它們可能會在活性氧的產生下自動氧化。這些氧衍生物質，包括超氧化物、過氧化氫和羥基自由基，可能會破壞細胞中的 DNA、脂質和蛋白質。氧活化也參與炎症過程。

遺傳變異性 在編碼第一階段和第二階段酶的許多基因中可以看到個體之間的差異。遺傳變異性可以解釋為什麼某些人比其他人更容易受到異生素的毒性影響。

出版於毒理學總則

週一，12月20 2010 19：18

毒代動力學

人類有機體代表了一個複雜的生物系統，在不同的組織層次上，從分子細胞水平到組織和器官。生物體是一個開放系統，在動態平衡中通過無數生化反應與環境進行物質和能量交換。環境可能被污染，或被各種有毒物質污染。

工作或生活環境中的毒物分子或離子滲透到如此強協調的生物系統中，可以可逆或不可逆地擾亂正常的細胞生化過程，甚至損傷和破壞細胞（參見“細胞損傷和細胞死亡”）。

毒物從環境滲透到其在生物體內產生毒性作用的部位可分為三個階段：

暴露階段包括各種毒物之間發生的所有過程和/或環境因素（光、溫度、濕度等）對它們的影響。可能會發生化學轉化、降解、生物降解（通過微生物）以及有毒物質的分解。
毒物動力學階段包括毒物吸收到生物體中，以及隨後通過體液運輸、在組織和器官中分佈和積累、生物轉化為代謝物以及毒物和/或代謝物從生物體中消除（排泄）的所有過程。
毒物動力學階段是指毒物（分子、離子、膠體）與細胞表面或細胞內的特定作用位點（受體）相互作用，最終產生毒性作用。

在這裡，我們將把注意力集中在暴露於環境中的有毒物質後人體內部的毒代動力學過程。

存在於環境中的毒物分子或離子會通過皮膚和粘膜，或呼吸道和胃腸道的上皮細胞滲入機體，具體取決於進入點。這意味著毒物的分子和離子必須穿透這些生物系統的細胞膜，以及細胞內復雜的內膜系統。

所有毒物動力學和毒物動力學過程都發生在分子細胞水平上。許多因素影響這些過程，這些因素可以分為兩個基本組：

毒物的化學組成和物理化學性質
細胞的結構，尤其是細胞周圍膜及其內部細胞器的特性和功能。

毒物的理化性質

1854年俄國毒理學家EV Pelikan開始研究物質的化學結構與其生物活性之間的關係——構效關係（SAR）。化學結構直接決定物理化學性質，其中一些與生物活性有關。

為了定義化學結構，可以選擇許多參數作為描述符，這些參數可以分為不同的組：

1. 物理化學：

一般——熔點、沸點、蒸氣壓、離解常數 (pK_a)
電——電離勢、介電常數、偶極矩、質荷比等。
量子化學——原子電荷、鍵能、共振能、電子密度、分子反應性等。

2. 立體： 分子體積、形狀和表面積、子結構形狀、分子反應性等。
3. 結構： 鍵數環數（在多環化合物中）、支化程度等。

對於每種毒物，有必要選擇一組與特定活動機制相關的描述符。然而，從毒代動力學的角度來看，有兩個參數對所有毒物都具有普遍重要性：

能斯特分配係數 (P) 確定了有毒分子在辛醇（油）-水兩相繫統中的溶解度，與其脂溶性或水溶性相關。該參數將極大地影響毒物分子在生物體中的分佈和積累。
解離常數 (pK_a) 定義了在特定 pH 值下毒物分子電離（電解解離）為帶電陽離子和陰離子的程度。該常數表示達到 50% 電離時的 pH 值。分子可以是親脂性或親水性的，但離子只溶於體液和組織的水中。了解 pK_a 可以使用 Henderson-Hasselbach 方程計算每個 pH 值下物質的電離度。

對於吸入的粉塵和氣溶膠，顆粒大小、形狀、表面積和密度也會影響它們的毒代動力學和毒理學動力學。

膜的結構和性能

人類和動物生物體的真核細胞被細胞質膜包圍，細胞質膜調節物質的運輸並維持細胞穩態。細胞器（細胞核、線粒體）也有膜。細胞質由複雜的膜結構、內質網和高爾基複合體（內膜）分隔。所有這些膜在結構上都相似，但脂質和蛋白質的含量不同。

膜的結構框架是雙層脂質分子（磷脂、鞘脂、膽固醇）。磷脂分子的主鍊是甘油，其兩個 -OH 基團被具有 16 至 18 個碳原子的脂肪族脂肪酸酯化，第三個基團被磷酸基團和含氮化合物（膽鹼、乙醇胺、絲氨酸）酯化。在鞘脂中，鞘氨醇是鹼基。

脂質分子是兩親性的，因為它由極性親水“頭”（氨基醇、磷酸鹽、甘油）和非極性雙“尾”（脂肪酸）組成。脂質雙分子層的排列使得親水頭構成膜的外表面和內表面，親脂尾部向膜內部伸展，膜內部含有水、各種離子和分子。

蛋白質和糖蛋白被插入脂質雙層（內在蛋白質）或附著在膜表面（外在蛋白質）。這些蛋白質有助於膜的結構完整性，但它們也可以作為酶、載體、孔壁或受體發揮作用。

膜代表一種動態結構，可以根據功能需要用不同比例的脂質和蛋白質分解和重建。

調節物質進出細胞的運輸是外膜和內膜的基本功能之一。

一些親脂性分子直接穿過脂質雙層。親水性分子和離子通過孔隙傳輸。膜通過打開或密封各種尺寸的某些孔來響應不斷變化的條件。

以下過程和機制涉及物質（包括有毒物質）通過膜的運輸：

通過脂質雙層擴散
通過孔隙擴散
通過載體運輸（促進擴散）。

活躍進程：

載體主動運輸
內吞作用（胞飲作用）。

擴散

這表示分子和離子通過脂質雙層或孔從高濃度或高電勢區域移動到低濃度或電勢區域（“下坡”）。濃度或電荷的差異是影響兩個方向通量強度的驅動力。在平衡狀態下，流入量將等於流出量。擴散速率遵循菲克定律，指出它與膜的可用表面積、濃度（電荷）梯度差和特徵擴散係數成正比，與膜厚度成反比。

根據能斯特分配係數，小的親脂性分子很容易穿過膜的脂質層。

大的親脂性分子、水溶性分子和離子將使用水性孔道來通過。大小和立體構型將影響分子的通過。對於離子，除了大小，電荷的類型也將是決定性的。孔壁的蛋白質分子可以獲得正電荷或負電荷。窄孔往往具有選擇性——帶負電荷的配體將只允許陽離子通過，而帶正電荷的配體將只允許陰離子通過。根據泊肅葉定律，隨著孔徑的增加，流體動力流動占主導地位，允許離子和分子自由通過。這種過濾是滲透梯度的結果。在某些情況下，離子可以穿透特定的複雜分子——離子載體—可以由具有抗生素作用的微生物（nonactin、valinomycin、gramacidin 等）產生。

促進或催化擴散

這需要膜中存在載體，通常是蛋白質分子（通透酶）。載體選擇性地結合物質，類似於底物-酶複合物。相似的分子（包括毒物）可以競爭特定的載體，直到達到其飽和點。有毒物質可以競爭載體，當它們不可逆地與其結合時，運輸就會受阻。運輸率是每種承運人的特徵。如果運輸是雙向進行的，則稱為交換擴散。

主動運輸

為了運輸某些對細胞至關重要的物質，使用了一種特殊類型的載體，逆著濃度梯度或電勢（“上坡”）運輸。載體是非常有立體特異性的，可以飽和。

對於上坡運輸，需要能量。必要的能量是通過三磷酸腺苷酶 (ATP-ase) 將 ATP 分子催化裂解為 ADP 獲得的。

毒物可以通過競爭性或非競爭性抑制載體或抑制 ATP 酶活性來干擾這種轉運。

內吞作用

內吞作用 被定義為一種轉運機制，在這種機制中，細胞膜通過折疊包圍物質，形成囊泡，將物質轉運通過細胞。當材料是液體時，這個過程被稱為 胞飲作用. 在某些情況下，材料與受體結合，並且該複合物通過膜囊泡運輸。這種類型的運輸尤其適用於胃腸道的上皮細胞以及肝臟和腎臟的細胞。

有毒物質的吸收

人們在工作和生活環境中接觸到大量有毒物質，這些有毒物質可以通過三個主要入口進入人體：

通過呼吸道吸入污染的空氣
通過胃腸道攝入受污染的食物、水和飲料
通過皮膚經真皮、皮膚滲透。

在工業接觸的情況下，吸入是有毒物質進入的主要方式，其次是皮膚滲透。在農業中，通過皮膚吸收接觸農藥的情況幾乎與吸入和皮膚滲透相結合的情況相當。一般人群主要通過攝入受污染的食物、水和飲料接觸，然後通過吸入接觸，較少通過皮膚滲透接觸。

通過呼吸道吸收

肺部的吸收是許多空氣傳播有毒物質（氣體、蒸汽、煙霧、薄霧、煙霧、灰塵、氣溶膠等）的主要吸收途徑。

呼吸道 (RT) 代表理想的氣體交換系統，擁有一個表面為 30m 的膜² (到期)到100m² （深深的靈感），其後方是一個約 2,000 公里的毛細血管網絡。該系統是通過進化發展起來的，被容納在一個由肋骨保護的相對較小的空間（胸腔）中。

在解剖學和生理學上，RT 可分為三個部分：

RT 的上部，或鼻咽部 (NP)，從鼻孔開始延伸到咽喉；這部分用作空調系統
氣管支氣管樹 (TB)，包括許多不同大小的管子，將空氣輸送到肺部
肺室 (P)，由數百萬個排列成葡萄狀簇狀的肺泡（氣囊）組成。

親水性毒物很容易被鼻咽區的上皮吸收。 NP 和 TB 區域的整個上皮被水膜覆蓋。親脂性毒物部分被 NP 和 TB 吸收，但大部分通過肺泡毛細血管膜擴散進入肺泡。吸收率取決於肺通氣量、心輸出量（通過肺部的血流量）、毒物在血液中的溶解度及其代謝率。

在肺泡中，進行氣體交換。肺泡壁由上皮細胞、基底膜間質框架、結締組織和毛細血管內皮組成。有毒物質通過這些層的擴散速度非常快，厚度約為 0.8 μm。在肺泡中，有毒物質從氣相轉移到液相（血液）中。毒物的吸收率（空氣到血液的分佈）取決於它在肺泡空氣中的濃度和血液的能斯特分配係數（溶解度係數）。

在血液中，毒物可以通過簡單的物理過程溶解在液相中，或者根據化學親和力或通過吸附與血細胞和/或血漿成分結合。血液的含水量為 75%，因此親水性氣體和蒸汽在血漿中具有高溶解度（例如酒精）。親脂性毒物（例如苯）通常與細胞或大分子（如蛋白）結合。

從一開始接觸肺部，就會發生兩個相反的過程：吸收和解吸。這些過程之間的平衡取決於肺泡空氣和血液中毒物的濃度。接觸開始時，血液中的毒物濃度為 0，血液中的滯留率幾乎為 100%。隨著暴露的繼續，吸收和解吸之間達到平衡。親水毒物會迅速達到平衡，吸收率取決於肺通氣而不是血流量。親脂性毒物需要更長的時間才能達到平衡，此時不飽和血液的流動控制著吸收率。

RT 中顆粒和氣溶膠的沉積取決於物理和生理因素以及顆粒大小。簡而言之，粒子越小，它就會越深地滲透到 RT 中。

高度暴露的人（例如，礦工）肺部的粉塵顆粒保持率相對較低，這表明存在一個非常有效的顆粒清除系統。在 RT（氣管-支氣管）的上部，粘膜纖毛毯負責清除。在肺部分，三種不同的機制在起作用：(1) 粘膜纖毛毯，(2) 吞噬作用和 (3) 顆粒直接穿透肺泡壁。

氣管支氣管樹的 17 個分支中的前 23 個具有纖毛上皮細胞。通過它們的運動，這些纖毛不斷地將粘液毯移向嘴巴。沉積在該粘液纖毛毯上的顆粒將被吞入口腔（攝入）。粘液毯也覆蓋肺泡上皮細胞的表面，向粘液纖毛毯移動。此外，專門的移動細胞——吞噬細胞——吞噬肺泡中的顆粒和微生物，並向兩個可能的方向遷移：

朝向粘液纖毛毯，將它們運送到嘴裡
通過肺泡壁的細胞間隙到達肺的淋巴系統；粒子也可以通過這條路線直接穿透。

通過胃腸道吸收

在意外吞嚥、攝入受污染的食物和飲料或吞嚥從 RT 清除的顆粒的情況下，可能會攝入有毒物質。

整個消化道，從食道到肛門，基本上都是以同樣的方式建造的。粘液層（上皮）由結締組織支撐，然後由毛細血管和平滑肌網絡支撐。胃的表面上皮非常皺紋以增加吸收/分泌表面積。腸道區域包含許多小突起（絨毛），它們能夠通過“泵入”來吸收物質。腸道吸收活性面積約100m².

在胃腸道 (GIT) 中，所有吸收過程都非常活躍：

通過擴散穿過脂質層和/或細胞膜的孔以及孔過濾進行跨細胞轉運
通過細胞間連接的細胞旁擴散
促進擴散和主動運輸
內吞作用和絨毛的泵送機制。

一些有毒金屬離子使用專門的基本元素運輸系統：鉈、鈷和錳使用鐵系統，而鉛似乎使用鈣系統。

許多因素會影響胃腸道不同部位對毒物的吸收率：

毒物的理化性質，尤其是能斯特分配係數和解離常數；對於顆粒，粒徑很重要——粒徑越小，溶解度越高
GIT 中存在的食物量（稀釋作用）
在 GIT 的每個部分的停留時間（從口腔中的幾分鐘到胃中的一小時到腸中的許多小時
上皮的吸收面積和吸收能力
局部 pH 值，它控制解離毒物的吸收；在胃的酸性 pH 值下，未解離的酸性化合物會更快被吸收
蠕動（肌肉移動腸道）和局部血流
胃和腸分泌物將有毒物質轉化為或多或少的可溶性產物；膽汁是一種乳化劑，可產生更多可溶性複合物（水養）
聯合暴露於其他有毒物質，在吸收過程中會產生協同或拮抗作用
存在絡合劑/螯合劑
RT 微生物群落的作用（約 1.5kg），約 60 種不同的細菌種類可以進行有毒物質的生物轉化。

還必須提到腸肝循環。極性毒物和/或代謝物（葡糖苷酸和其他結合物）隨膽汁排泄到十二指腸。在這裡，微生物群的酶進行水解，釋放的產物可以被門靜脈重新吸收並轉運到肝臟中。這種機制在肝毒性物質的情況下是非常危險的，可以使它們暫時積聚在肝臟中。

在有毒物質在肝臟中生物轉化為毒性較低或無毒代謝物的情況下，攝入可能代表危險性較低的進入途徑。在 GIT 吸收後，這些有毒物質將通過門靜脈輸送到肝臟，在那裡它們可以通過生物轉化進行部分解毒。

通過皮膚吸收（真皮、經皮）

皮膚（1.8 m² 成人的體表）與體孔的粘膜一起覆蓋在體表。它代表著對抗物理、化學和生物製劑的屏障，維持身體的完整性和體內平衡，並執行許多其他生理任務。

基本上，皮膚由三層組成：表皮、真皮（真皮）和皮下組織（皮下組織）。從毒理學的角度來看，表皮在這裡最受關注。它由多層細胞構成。表層是扁平死細胞（角質層）的角質表面，其下是連續的活細胞層（緻密角質層），接著是典型的脂質膜，然後是透明層、顆粒層和角質層粘膜。脂質膜代表了一個保護屏障，但在皮膚的毛髮部分，毛囊和汗腺通道都穿過它。因此，皮膚吸收可通過以下機制發生：

通過脂質膜（屏障）擴散經表皮吸收，主要是親脂性物質（有機溶劑、農藥等），少量親水性物質通過孔隙
繞過毛囊吸收進入毛囊，繞過膜屏障；這種吸收僅發生在皮膚的毛髮區域
通過汗腺導管吸收，汗腺導管的橫截面積約為皮膚總面積的0.1%至1%（相對吸收按此比例）
當受到機械、熱、化學或皮膚病的傷害時，通過皮膚吸收；在這裡，包括脂質屏障在內的皮膚層被破壞，有毒物質和有害物質進入。

通過皮膚的吸收率取決於許多因素：

有毒物質濃度、車輛類型（介質）、其他物質的存在
皮膚含水量、pH值、溫度、局部血流量、排汗、污染皮膚表面積、皮膚厚度
皮膚因性別、年齡、個體差異、不同民族、種族等而產生的解剖生理特徵。

通過血液和淋巴運輸有毒物質

在被這些入口中的任何一個吸收後，有毒物質將到達血液、淋巴液或其他體液。血液是運輸毒物及其代謝物的主要載體。

血液是一種液體循環器官，向細胞輸送必需的氧氣和重要物質，並清除新陳代謝產生的廢物。血液還含有細胞成分、激素和其他參與許多生理功能的分子。在心臟活動的推動下，血液在相對封閉的高壓血管循環系統內流動。由於高壓，會發生流體洩漏。淋巴系統代表引流系統，其形式為細小的薄壁淋巴毛細血管網，通過軟組織和器官分支。

血液是液相（血漿，55%）和固體血細胞（45%）的混合物。血漿含有蛋白質（白蛋白、球蛋白、纖維蛋白原）、有機酸（乳酸、谷氨酸、檸檬酸）和許多其他物質（脂質、脂蛋白、糖蛋白、酶、鹽、異生素等）。血細胞成分包括紅細胞（Er）、白細胞、網織紅細胞、單核細胞和血小板。

有毒物質以分子和離子的形式被吸收。血液 pH 值下的一些毒物會在該液體中形成膠體顆粒作為第三種形式。有毒物質的分子、離子和膠體在血液中有多種運輸方式：

與血液元素物理或化學結合，主要是 Er
以游離狀態物理溶解在血漿中
與一種或多種類型的血漿蛋白結合，與有機酸複合或附著於血漿的其他部分。

血液中的大多數毒物部分以游離狀態存在於血漿中，部分與紅細胞和血漿成分結合。分佈取決於毒物對這些成分的親和力。所有分數都處於動態平衡中。

一些有毒物質由血液元素運輸——主要由紅細胞運輸，很少由白細胞運輸。毒物可以吸附在Er的表面，也可以與基質的配體結合。如果它們滲入 Er，它們可以與血紅素（例如一氧化碳和硒）或球蛋白（Sb¹¹¹, 寶²¹⁰). Er 運輸的一些有毒物質是砷、銫、釷、氡、鉛和鈉。六價鉻專門與 Er 結合，三價鉻與血漿蛋白質結合。對於鋅，會發生 Er 和等離子體之間的競爭。大約 96% 的鉛由 Er 運輸。有機汞主要與 Er 結合，無機汞主要由血漿白蛋白攜帶。 Er 攜帶少量鈹、銅、碲和鈾。

大多數毒物通過血漿或血漿蛋白轉運。許多電解質以離子形式存在，與游離或結合到血漿部分的未解離分子處於平衡狀態。毒物的這種離子部分非常容易擴散，可以穿透毛細血管壁進入組織和器官。氣體和蒸汽可以溶解在等離子體中。

血漿蛋白的總表面積約為 600 至 800km² 提供有毒物質的吸收。白蛋白分子擁有約 109 個陽離子配體和 120 個陰離子配體供離子使用。許多離子部分由白蛋白攜帶（例如，銅、鋅和鎘），二硝基甲酚和鄰甲酚、芳烴的硝基和鹵代衍生物以及酚類化合物也是如此。

球蛋白分子（α 和β）運輸毒物的小分子以及一些金屬離子（銅、鋅和鐵）和膠體顆粒。纖維蛋白原對某些小分子表現出親和力。許多類型的鍵可參與毒物與血漿蛋白的結合：范德華力、電荷吸引力、極性和非極性基團之間的締合、氫橋、共價鍵。

血漿脂蛋白運輸 PCB 等親脂性毒物。其他血漿部分也用作運輸工具。毒物對血漿蛋白的親和力表明它們在分佈過程中對組織和器官中的蛋白質具有親和力。

有機酸（乳酸、谷氨酰胺、檸檬酸）與某些有毒物質形成複合物。鹼土和稀土，以及一些陽離子形式的重元素，也與有機含氧酸和氨基酸絡合。所有這些複合物通常都是可擴散的，很容易分佈在組織和器官中。

血漿中的生理螯合劑如轉鐵蛋白和金屬硫蛋白與有機酸和氨基酸競爭陽離子形成穩定的螯合物。

可擴散的自由離子、一些複合物和一些自由分子很容易從血液中清除到組織和器官中。離子和分子的自由部分與結合部分處於動態平衡。血液中毒物的濃度將決定其分佈到組織和器官中的速度，或從組織和器官中轉移到血液中的速度。

有毒物質在機體中的分佈

人體可分為以下幾類車廂. (1) 內臟，(2) 皮膚和肌肉，(3) 脂肪組織，(4) 結締組織和骨骼。這種分類主要是根據血管（血液）灌注的程度按降序排列。例如，僅佔總體重 12% 的內臟器官（包括大腦）吸收了約 75% 的總血容量。另一方面，結締組織和骨骼（佔總體重的 15%）僅吸收總血量的 XNUMX%。

灌注良好的內部器官通常會在最短的時間內達到最高濃度的毒物，以及血液與該隔室之間的平衡。灌注較少的組織吸收毒物的速度要慢得多，但由於灌注低，滯留率更高，停留時間更長（蓄積）。

三種成分對於毒物的細胞內分佈具有重要意義：各種組織和器官的細胞中水、脂質和蛋白質的含量。上述隔室順序也緊隨其細胞中水含量的減少。親水性毒物會更快地分佈到體液和含水量高的細胞，而親脂性毒物會分佈到脂質含量較高的細胞（脂肪組織）。

生物體具有一些屏障，這些屏障會削弱某些有毒物質（主要是親水性物質）對某些器官和組織的滲透，例如：

血腦屏障（腦脊髓屏障），它限制大分子和親水性毒物滲透到大腦和中樞神經系統；該屏障由緊密結合的內皮細胞層組成；因此，親脂性毒物可以穿透它
胎盤屏障，它對毒物從母親的血液滲透到胎兒有類似的作用
毛細血管壁中的組織血液屏障，可滲透中小型分子，以及一些較大的分子和離子。

如前所述，血漿中只有游離形式的有毒物質（分子、離子、膠體）可用於滲透參與分佈的毛細血管壁。該游離部分與結合部分處於動態平衡。血液中有毒物質的濃度與其在器官和組織中的濃度處於動態平衡狀態，控制著它們的滯留（積累）或動員。

生物體的狀況、器官的功能狀態（特別是神經體液調節）、激素平衡和其他因素在分佈中發揮作用。

毒物在特定隔室中的滯留通常是暫時的，可能會重新分佈到其他組織中。保留和積累是基於吸收率和消除率之間的差異。在隔室中保留的持續時間由生物半衰期表示。這是 50% 的毒物從組織或器官中清除並從生物體中重新分佈、轉移或消除的時間間隔。

生物轉化過程發生在分佈和保留在各種器官和組織中的過程中。生物轉化產生更多極性、更親水的代謝物，這些代謝物更容易被消除。親脂性毒物的低生物轉化率通常會導致其在隔室中積聚。

根據毒物在特定隔室中的親和力、主要保留和積累，可將毒物分為四大類：

可溶於體液的毒物根據各室的含水量均勻分佈。許多單價陽離子（如鋰、鈉、鉀、銣）和一些陰離子（如氯、溴）按照這種模式分佈。
親脂性毒物對富含脂質的器官 (CNS) 和組織（脂肪、脂肪）表現出高親和力。
形成膠體顆粒的毒物隨後被器官和組織的網狀內皮系統 (RES) 的特化細胞捕獲。三價和四價陽離子（鑭、銫、鉿）分佈在組織和器官的 RES 中。
對骨骼和結締組織表現出高親和力的毒物（向骨性元素、骨尋求者）包括二價陽離子（例如，鈣、鋇、鍶、氡、鈹、鋁、鎘、鉛）。

在富含脂質的組織中積累

70公斤體重的“標准人”體內脂肪組織約佔體重的15%，隨著肥胖增加到50%。然而，這種脂質部分分佈不均勻。大腦 (CNS) 是一個富含脂質的器官，周圍神經被富含脂質的髓鞘和雪旺細胞包裹著。所有這些組織都為親脂性毒物的積累提供了可能性。

許多具有合適能斯特分配係數的非電解質和非極性毒物將被分配到該隔間，以及許多有機溶劑（醇、醛、酮等）、氯代烴（包括有機氯殺蟲劑如滴滴涕）、一些惰性氣體（氡）等

脂肪組織由於其低血管化和較低的生物轉化率，會積累有毒物質。由於缺乏毒性作用的靶標，這裡毒物的積累可能代表一種暫時的“中和”。然而，由於有毒物質可能從該隔間動員回循環中，因此始終存在對生物體的潛在危險。

毒物在大腦 (CNS) 或周圍神經系統髓鞘富含脂質的組織中沉積是非常危險的。神經毒物直接沉積在它們的目標旁邊。保留在內分泌腺富含脂質的組織中的有毒物質會導致荷爾蒙失調。儘管有血腦屏障，許多親脂性神經毒物仍會到達大腦 (CNS)：麻醉劑、有機溶劑、殺蟲劑、四乙基鉛、有機汞等。

保留在網狀內皮系統中

在每個組織和器官中，一定比例的細胞專門從事吞噬活動，吞噬微生物、顆粒、膠體顆粒等。該系統稱為網狀內皮系統 (RES)，包括固定細胞和移動細胞（吞噬細胞）。這些細胞以非活性形式存在。上述微生物和顆粒的增加將激活細胞直至飽和點。

膠體形式的毒物將被器官和組織的 RES 捕獲。分佈取決於膠體粒徑。對於較大的顆粒，有利於在肝臟中的滯留。對於較小的膠體顆粒，脾臟、骨髓和肝臟之間或多或少會出現均勻分佈。從 RES 中清除膠體非常緩慢，儘管小顆粒的清除速度相對較快。

骨骼中的積累

大約有 60 種元素可被確定為促骨質元素或骨尋求者。

向骨性元素可分為三組：

代表或替代骨骼生理成分的元素。二十種這樣的元素以更高的數量存在。其他的以痕量出現。在長期暴露的條件下，鉛、鋁和汞等有毒金屬也會進入骨細胞的礦物質基質。
在骨礦物質中，鹼土金屬和其他形成離子直徑與鈣相似的陽離子的元素可與其交換。此外，一些陰離子可與骨礦物質的陰離子（磷酸鹽、羥基）交換。
形成微膠體的元素（稀土）可能會吸附在骨礦物質的表面。

一個標准人的骨骼佔總體重的 10% 到 15%，代表了一個巨大的潛在骨毒性物質儲存庫。骨骼是一種高度專業化的組織，由 54% 的礦物質和 38% 的有機基質組成。骨骼的礦物質基質是羥基磷灰石，Ca₁₀（PO₄)₆（哦）₂ ，其中 Ca 與 P 的比例約為 1.5 比 100。可供吸附的礦物表面積約為XNUMXm² 每克骨。

骨骼骨骼的代謝活動可分為兩類：

活躍的代謝骨，其中再吸收和新骨形成或現有骨的重塑過程非常廣泛
具有低重塑或生長速度的穩定骨骼。

在胎兒中，嬰幼兒的代謝骨（見“可用骨骼”）幾乎佔骨骼的 100%。隨著年齡的增長，這個代謝骨的百分比會降低。暴露期間毒物的摻入出現在代謝骨和更緩慢的周轉隔室中。

有毒物質以兩種方式進入骨骼：

對於離子，與生理存在的鈣陽離子或陰離子（磷酸鹽、羥基）發生離子交換。
對於形成膠體顆粒的毒物，吸附在礦物表面上。

離子交換反應

骨礦物質羥基磷灰石代表了一個複雜的離子交換系統。鈣陽離子可以被各種陽離子交換。骨中存在的陰離子也可以被陰離子交換：磷酸鹽與檸檬酸鹽和碳酸鹽，羥基與氟。不可交換的離子可以吸附在礦物表面。當礦物質中含有有毒離子時，一層新的礦物質會覆蓋礦物質表面，將有毒物質埋入骨骼結構中。離子交換是一個可逆過程，取決於離子濃度、pH 值和流體體積。因此，例如，膳食鈣的增加可能會減少有毒離子在礦物質晶格中的沉積。已經提到，儘管離子交換仍在繼續，但隨著年齡的增長，代謝骨的百分比會降低。隨著年齡的增長，會發生骨礦物質吸收，骨密度實際上會降低。此時，骨骼中的有毒物質可能會釋放出來（例如，鉛）。

骨礦物質中約有30%的離子結合鬆散，可以交換，被天然螯合劑捕獲並排出體外，生物半衰期為15天。另外 70% 的綁定更牢固。該部分的動員和排泄顯示生物半衰期為 2.5 年或更長，具體取決於骨骼類型（重塑過程）。

螯合劑（Ca-EDTA、青黴胺、BAL等）可以調動相當數量的一些重金屬，使其在尿液中的排泄量大大增加。

膠體吸附

膠體顆粒以薄膜形式吸附在礦物表面（100m² 每克）通過范德華力或化學吸附。礦物質表面的這層膠體被下一層形成的礦物質所覆蓋，毒物更多地埋藏在骨骼結構中。動員和消除的速度取決於重塑過程。

堆積在頭髮和指甲中

頭髮和指甲含有角蛋白，其巰基能夠螯合金屬陽離子，如汞和鉛。

毒物在細胞內的分佈

最近，有毒物質，尤其是一些重金屬，在組織和器官細胞內的分佈變得很重要。使用超速離心技術，可以分離細胞的各個部分以確定它們的金屬離子和其他毒物的含量。

動物研究表明，一些金屬離子在滲入細胞後會與一種特定的蛋白質金屬硫蛋白結合。這種低分子量蛋白質存在於肝臟、腎臟和其他器官和組織的細胞中。它的巰基每個分子可以結合六個離子。增加金屬離子的存在會誘導這種蛋白質的生物合成。鎘離子是最有效的誘導劑。金屬硫蛋白還用於維持重要銅離子和鋅離子的穩態。金屬硫蛋白可以結合鋅、銅、鎘、汞、鉍、金、鈷等陽離子。

生物轉化和消除有毒物質

毒物在各種組織和器官的細胞中滯留期間，暴露於可以生物轉化（代謝）它們的酶，產生代謝物。有許多途徑可消除毒物和/或代謝物：通過肺部呼出的空氣、通過腎臟通過尿液、通過胃腸道通過膽汁、通過皮膚通過汗液、通過口腔粘膜通過唾液、通過乳汁通過口腔乳腺，以及通過正常生長和細胞更新的頭髮和指甲。

吸收毒物的消除取決於進入的門戶。在肺部，吸收/解吸過程立即開始，有毒物質通過呼出的空氣部分消除。經其他進入途徑吸收的毒物的消除時間較長，經血液運輸後開始，最終經分佈和生物轉化完成。在吸收過程中，血液中和組織器官中的毒物濃度之間存在平衡。排泄降低了有毒物質的血液濃度，並可能導致有毒物質從組織轉移到血液中。

許多因素會影響有毒物質及其代謝物從體內的消除速度：

毒物的理化性質，特別是能斯特分配係數（P）、解離常數（pK_a)、極性、分子結構、形狀和重量
暴露水平和暴露後消除時間
入口門戶
分佈在身體隔室中，與血液和血液灌注的交換率不同
親脂性毒物向更親水性代謝物的生物轉化率
生物體的整體健康狀況，尤其是排泄器官（肺、腎、GIT、皮膚等）
存在會干擾消除的其他毒物。

在這裡，我們區分兩組隔間：(1) 快速交換系統— 在這些隔室中，毒物的組織濃度與血液中的濃度相似； (2) 的 慢交換系統，由於結合和積累，組織中的毒物濃度高於血液——脂肪組織、骨骼和腎臟可以暫時保留一些毒物，例如砷和鋅。

一種毒物可以通過兩種或多種排泄途徑同時排泄。然而，通常一條路線占主導地位。

科學家們正在開發描述特定毒物排泄的數學模型。這些模型基於一個或兩個隔室（交換系統）、生物轉化等的運動。

通過肺部呼出的空氣消除

對於具有高揮發性的有毒物質（例如，有機溶劑），通過肺部消除（解吸）是典型的。在血液中溶解度低的氣體和蒸汽將通過這種方式快速消除，而血液溶解度高的毒物將通過其他途徑消除。

被 GIT 或皮膚吸收的有機溶劑如果具有足夠的蒸氣壓，則在每次血液通過肺部時通過呼出的空氣部分排出體外。用於疑似醉酒司機的酒精測試就是基於這一事實。呼出空氣中的 CO 濃度與 CO-Hb 血液含量處於平衡狀態。放射性氣體氡由於累積在骨骼中的鐳衰變而出現在呼出的空氣中。

與暴露後時間相關的呼出氣體消除有毒物質通常用三相曲線表示。第一階段代表從血液中消除毒物，顯示出較短的半衰期。第二個較慢的階段表示由於血液與組織和器官的交換（快速交換系統）而導致的消除。第三，非常緩慢的階段是由於血液與脂肪組織和骨骼的交換。如果此類隔間中未積聚有毒物質，則曲線將為兩相。在某些情況下，四相曲線也是可能的。

暴露後時期呼出空氣中氣體和蒸汽的測定有時用於評估工人的暴露情況。

腎排泄

腎臟是專門排泄大量水溶性毒物和代謝物的器官，維持機體的穩態。每個腎臟擁有大約一百萬個能夠進行排泄的腎單位。腎臟排泄是一個非常複雜的事件，包含三種不同的機制：

Bowman 囊的腎小球濾過
近端小管的主動運輸
遠曲小管的被動運輸。

毒物通過腎臟排泄到尿液取決於能斯特分配係數、解離常數和尿液 pH 值、分子大小和形狀、代謝為更親水的代謝物的速率以及腎臟的健康狀況。

毒物或其代謝物的腎排泄動力學可以用兩相、三相或四相排泄曲線表示，這取決於特定毒物在不同身體隔室中的分佈，與血液的交換率不同。

唾液

一些藥物和金屬離子可以通過唾液從口腔粘膜排出體外——例如，鉛（“鉛線”）、汞、砷、銅，以及溴化物、碘化物、乙醇、生物鹼等。然後有毒物質被吞嚥，到達胃腸道，在那裡它們可以被糞便重新吸收或消除。

汗

許多非電解質可以通過汗液通過皮膚部分排出：乙醇、丙酮、酚類、二硫化碳和氯化碳氫化合物。

奶

許多金屬、有機溶劑和一些有機氯殺蟲劑 (DDT) 通過乳腺分泌到母乳中。該途徑可能對哺乳嬰兒構成危險。

美髮護理

毛髮分析可用作某些生理物質體內平衡的指標。也可以通過這種生物測定來評估對某些有毒物質的暴露，尤其是重金屬。

可以通過以下方式增加體內有毒物質的消除：

通過洗胃、輸血或透析進行機械移位
創造通過飲食調動毒物的生理條件，改變荷爾蒙平衡，通過應用利尿劑改善腎功能
施用絡合劑（檸檬酸鹽、草酸鹽、水楊酸鹽、磷酸鹽）或螯合劑（Ca-EDTA、BAL、ATA、DMSA、青黴胺）；這種方法僅適用於受到嚴格醫療控制的人。螯合劑的應用常被用於消除接觸工人在醫療過程中體內的重金屬。該方法也用於評估全身負荷和過去接觸水平。

曝光測定

血液、呼出氣體、尿液、汗液、糞便和毛髮中毒物和代謝物的測定越來越多地用於評估人體暴露（暴露試驗）和/或評估中毒程度。因此，最近建立了生物暴露限值（生物 MAC 值、生物暴露指數 - BEI）。這些生物測定顯示生物體的“內部暴露”，即身體在工作和生活環境中通過所有入口的總暴露（參見“毒理學測試方法：生物標誌物”）。

多重曝光的綜合效應

人們在工作和/或生活環境中通常同時或連續暴露於各種物理和化學因素。還要考慮到一些人使用藥物、吸煙、飲酒和含有添加劑的食物等。這意味著通常會發生多重曝光。物理和化學試劑可以在毒物動力學和/或毒物動力學過程的每個步驟中相互作用，產生三種可能的影響：

獨立. 每種藥劑因作用機制不同而產生不同的效果，
協同. 聯合作用大於單個試劑的作用。在這裡，我們區分兩種類型：(a) 加法，其中綜合效果等於每個代理單獨產生的效果的總和，以及 (b) 增強，其中綜合效果大於加法。
拮抗的. 綜合效果低於加法。

然而，關於聯合效應的研究很少。由於各種因素和代理的結合，這種研究非常複雜。

我們可以得出結論，當人體同時或連續接觸兩種或多種毒物時，有必要考慮某些聯合效應的可能性，這些效應可以增加或減少毒代動力學過程的速率。

出版於毒理學總則

週一，12月20 2010 19：21

目標器官和關鍵影響

職業和環境毒理學的首要目標是改進在一般和職業環境中接觸有害物質對健康影響的預防或實質性限制。為此，已經開發了與給定暴露相關的定量風險評估系統（參見“監管毒理學”部分）。

化學品對特定係統和器官的影響與接觸程度以及接觸是急性還是慢性有關。鑑於即使在一個系統或器官內毒性作用的多樣性，已經提出了關於關鍵器官和關鍵效應的統一理念，用於風險評估和製定基於健康的不同環境介質中有毒物質的推薦濃度限值.

從預防醫學的角度來看，基於預防或限制早期影響可能會阻止更嚴重的健康影響發生的一般假設，識別早期不良反應尤為重要。

這種方法已應用於重金屬。雖然鉛、鎘和汞等重金屬屬於一組特定的有毒物質，其活動的慢性影響取決於它們在器官中的積累，但下面給出的定義是由金屬毒性工作組 (Nordberg 1976).

金屬毒性工作組提出的關鍵器官定義稍作修改後被採納：金屬已替換為表達式 潛在有毒物質 （達弗斯 1993）。

一個給定的器官或系統是否被認為是關鍵的不僅取決於有害物質的毒性力學，而且還取決於吸收途徑和暴露人群。

細胞的臨界濃度: 在細胞中發生可逆或不可逆的不利功能變化時的濃度。
臨界器官濃度：器官中最敏感的細胞類型達到臨界濃度時器官中的平均濃度。
關鍵器官：在特定的暴露環境下和特定人群中首先達到金屬臨界濃度的特定器官。
暴擊效果：個體劑量和效應之間關係的確定點，即對關鍵器官的細胞功能產生不利影響的點。在低於關鍵器官中金屬臨界濃度的暴露水平下，可能會發生一些影響，這些影響本身不會損害細胞功能，但可以通過生化和其他測試檢測到。這種影響被定義為 亞臨界效應.

亞臨界效應的生物學意義有時是未知的；它可能代表暴露生物標誌物、適應指數或關鍵效應前體（參見“毒理學測試方法：生物標誌物”）。考慮到預防活動，後一種可能性可能特別重要。

表 1 顯示了不同化學品的關鍵器官和影響示例。在長期接觸鎘的環境中，吸收途徑不太重要（鎘空氣濃度範圍為 10 至 20μg/m³ 在城市和 1 至 2 微克/立方米³ 在農村地區），關鍵器官是腎臟。在TLV達到50μg/m的職業環境中³ 吸入是主要的接觸途徑，肺和腎這兩個器官被認為是至關重要的。

表 1. 關鍵器官和關鍵影響示例

物質	慢性暴露的重要器官	暴擊效果
鎘	肺	無門檻: 肺癌（單位風險 4.6 x 10^-³)
	腎	門檻: 增加低分子蛋白的排泄（β₂ ^-M, RBP) 在尿液中
	肺	肺氣腫輕微功能改變
鉛	成人造血系統	尿液中 δ-氨基乙酰丙酸排泄增加 (ALA-U); 紅細胞中游離紅細胞原卟啉 (FEP) 濃度增加
	外周神經系統	減慢較慢的神經纖維的傳導速度
汞（元素）	小孩子中樞神經系統	智商下降和其他微妙的影響；水銀性震顫（手指、嘴唇、眼瞼）
汞（水銀）	腎	蛋白尿
錳	成人中樞神經系統	精神運動功能受損
	兒童肺	呼吸道症狀
	中樞神經系統	精神運動功能受損
甲苯	粘膜	刺激
氯乙烯	肝	癌症（血管肉瘤單位風險 1 x 10^-6 )
乙酸乙酯	黏膜	刺激

對於鉛，成人的關鍵器官是造血系統和周圍神經系統，其中的關鍵影響（例如，游離紅細胞原卟啉濃度 (FEP) 升高、尿液中 δ-氨基乙酰丙酸排泄增加或周圍神經傳導受損）在以下情況下顯現血鉛水平（系統中鉛吸收的指標）接近 200 至 300μg/l。在幼兒中，關鍵器官是中樞神經系統 (CNS)，即使在濃度約為 100μg/l Pb 的情況下，已發現使用心理測試電池檢測到的功能障礙症狀出現在受檢人群中在血液中。

已經制定了許多其他定義，它們可能更好地反映了該概念的含義。根據 WHO（1989），臨界效應被定義為“當臨界器官達到閾值（臨界）濃度或劑量時出現的第一個不良反應。沒有定義閾值濃度的副作用，例如癌症，通常被認為是嚴重的。決定影響是否關鍵是專家判斷的問題。” 在國際化學品安全規劃署 (IPCS) 制定的指南中 環境衛生標准文件，臨界效應被描述為“被判斷為最適合確定可耐受攝入量的不利效應”。後一個定義直接用於評估一般環境中基於健康的暴露限值。在這種情況下，最重要的似乎是確定哪些影響可以被視為不利影響。按照目前的術語，不利影響是“生物體形態、生理、生長、發育或壽命的變化，導致補償額外壓力的能力受損或增加對其他環境影響有害影響的敏感性。任何影響是否不利的決定需要專家判斷。”

圖 1 顯示了不同效應的假設劑量反應曲線。在接觸鉛的情況下， A 可以代表亞臨界效應（抑制紅細胞丙氨酸脫水酶）， B 關鍵作用（紅細胞原卟啉鋅增加或 δ-氨基乙酰丙酸排泄增加， C 臨床效果（貧血）和 D 致命的影響（死亡）。對於鉛暴露，有大量證據表明暴露的特定影響如何取決於血液中的鉛濃度（劑量的實際對應物），無論是劑量反應關係的形式還是與不同變量（性別、年齡等）的關係.). 確定人體中此類效應的關鍵效應和劑量反應關係，可以預測特定人群中給定劑量或其對應物（生物材料中的濃度）的給定效應的頻率。

圖 1. 各種效應的假設劑量反應曲線

關鍵影響可以分為兩種類型：被認為具有閾值的那些和在任何暴露水平下都可能存在風險的那些（非閾值、基因毒性致癌物和細菌誘變劑）。只要有可能，應使用適當的人類數據作為風險評估的基礎。為了確定對一般人群的閾值效應，必須做出關於暴露水平（可耐受攝入量、暴露生物標誌物）的假設，使得暴露於給定有害物質的人群中的臨界效應頻率對應於頻率在普通人群中的這種影響。在鉛暴露中，一般人群的最大推薦血鉛濃度（200μg/l，中值低於 100μg/l）（WHO 1987）實際上低於假設的關鍵效應的閾值——游離紅細胞原卟啉水平升高，儘管它不低於對兒童中樞神經系統或成人血壓產生影響的相關水平。一般來說，如果來自良好進行的人群研究的數據定義了一個沒有觀察到的不利影響水平是安全評估的基礎，那麼不確定因素 10 被認為是合適的。在職業暴露的情況下，關鍵影響可能指的是人口的某一部分（例如 400%）。因此，在職業性鉛暴露中，基於健康的推薦血鉛濃度已被採納為男性 10 毫克/升，其中 ALA-U 的 5% 響應水平為 300 毫克/升，而 PbB 濃度約為 400 至 200 毫克/升. 對於鎘的職業暴露（假設增加低重量蛋白質的尿液排泄是關鍵影響），腎皮質中 10ppm 的鎘水平已被視為允許值，因為這種影響已在 1996% 的人中觀察到暴露人群。目前（即 XNUMX 年），許多國家正在考慮降低這兩個值。

對於關鍵影響可能沒有閾值的化學品（例如遺傳毒性致癌物）的風險評估的適當方法，目前還沒有明確的共識。許多主要基於劑量反應關係特徵的方法已被用於評估此類影響。由於在諸如 歐洲空氣質量指南 (WHO 1987)，只有單位生命週期風險（即與生命週期暴露於 1μg/m³ 危險劑）呈現為非閾值效應（參見“監管毒理學”）。

目前，開展風險評估活動的基本步驟是確定關鍵器官和關鍵效應。關鍵和不利影響的定義反映了決定給定器官或系統中哪些影響應被視為關鍵的責任，這與隨後確定給定化學品在一般環境中的推薦值直接相關-例如， 歐洲空氣質量指南 （WHO 1987）或基於健康的職業暴露限制（WHO 1980）。從亞臨界效應範圍內確定臨界效應可能會導致這樣一種情況，即一般或職業環境中有毒化學品濃度的建議限值實際上可能無法維持。將可能與早期臨床效果重疊的效果視為關鍵可能會導致採用可能在某些部分人群中產生不良影響的值。特定影響是否應被視為關鍵的決定仍然是專門從事毒性和風險評估的專家組的責任。

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週一，12月20 2010 19：23

年齡、性別和其他因素的影響

人與人之間對有毒化學物質的反應強度通常存在很大差異，並且個體在一生中的易感性也存在差異。這些可歸因於能夠影響特定化學物質的吸收率、體內分佈、生物轉化和/或排泄率的多種因素。除了已明確證明與人類對化學毒性的易感性增加有關的已知遺傳因素外（參見“毒性反應的遺傳決定因素”），其他因素包括：與年齡和性別相關的體質特徵；預先存在的疾病狀態或器官功能下降（非遺傳性，即後天性）；飲食習慣、吸煙、飲酒和藥物使用；伴隨暴露於生物毒素（各種微生物）和物理因素（輻射、濕度、極低或高溫或與氣體分壓特別相關的大氣壓力），以及伴隨的體育鍛煉或心理壓力情況；以前對特定化學品的職業和/或環境接觸，特別是對其他化學品的伴隨接觸， 任何監管機構都不批准 必然有毒（例如，必需金屬）。上述因素對增加或減少對不良健康影響的敏感性及其作用機制的可能貢獻對於特定化學品而言是特定的。因此這裡只介紹最常見的因素、基本機制和一些典型的例子，而關於每種特定化學品的具體信息可以在本文的其他地方找到 百科全書.

根據這些因素作用的階段（特定化學物質的吸收、分佈、生物轉化或排泄），這些機制可以根據相互作用的兩個基本結果粗略地分類：(1)目標器官，即在其在生物體中產生作用的部位（毒代動力學相互作用），或 (2) 對目標器官中化學物質數量的特定反應強度的變化（毒代動力學相互作用） . 任何一種相互作用的最常見機制都與與其他化學物質競爭以結合參與其在生物體中運輸的相同化合物（例如，特定血清蛋白）和/或相同的生物轉化途徑（例如，特定的酶）導致初始反應和最終不利健康影響之間的速度或順序發生變化。然而，毒物動力學和毒物動力學相互作用都可能影響個體對特定化學品的敏感性。幾個伴隨因素的影響可能導致：(a) 附加效應——綜合效應的強度等於各因素分別產生的效應之和，(b) 協同效應— 綜合效應的強度大於每個因素單獨產生的效應之和，或 (c) 拮抗作用——綜合效應的強度小於各因素單獨產生的效應之和。

某種特定的有毒化學物質或特征代謝物在其對人體產生影響的部位的數量或多或少可以通過生物監測來評估，即通過選擇正確的生物標本和最佳的標本取樣時間，採取考慮到特定化學物質在關鍵器官和測量的生物區室中的生物半衰期。然而，關於可能影響人類個體易感性的其他可能因素的可靠信息普遍缺乏，因此關於各種因素影響的大部分知識都是基於實驗動物數據。

應該強調的是，在某些情況下，人類和其他哺乳動物在對同等水平的反應強度和/或接觸許多有毒化學品的持續時間方面存在相對較大的差異；例如，人類似乎比老鼠（常用於實驗動物研究）對幾種有毒金屬對健康的不利影響更為敏感。其中一些差異可歸因於以下事實：各種化學物質的運輸、分佈和生物轉化途徑在很大程度上取決於組織 pH 值的細微變化和生物體中的氧化還原平衡（各種酶的活性也是如此），並且人類的氧化還原系統與大鼠的氧化還原系統有很大不同。

維生素 C 和穀胱甘肽 (GSH) 等重要的抗氧化劑顯然就是這種情況，它們對於維持氧化還原平衡至關重要，並且具有保護作用，可抵禦參與氧化還原反應的氧或外源性自由基的不利影響。各種病理狀況（Kehrer 1993）。與大鼠相反，人類不能自動合成維生素 C，並且人類紅細胞 GSH 的水平和周轉率大大低於大鼠。與大鼠或其他哺乳動物相比，人類還缺乏一些保護性抗氧化酶（例如，GSH-過氧化物酶被認為在人類精子中活性很差）。這些例子說明了人類對氧化應激的潛在更大的脆弱性（特別是在敏感細胞中，例如，人類精子顯然比老鼠更容易受到毒性影響），這可能導致不同的反應或對影響的更大敏感性與其他哺乳動物相比，人類的各種因素 (Telišman 1995)。

年齡的影響

與成人相比，年幼的兒童往往更容易受到化學毒性的影響，因為他們的吸入量和胃腸道吸收率相對較大，這是由於腸道上皮細胞的通透性較大，解毒酶系統不成熟，有毒化學物質的排泄率相對較小. 中樞神經系統在發育的早期階段似乎特別容易受到各種化學物質（例如鉛和甲基汞）的神經毒性的影響。另一方面，年長者可能易感，因為有化學品接觸史和體內某些外來物質的儲存量增加，或目標器官和/或相關酶的功能已受損，導致解毒和排泄率降低。這些因素中的每一個都會導致身體防禦能力的減弱——儲備能力的下降，導致對隨後暴露於其他危害的敏感性增加。例如，細胞色素 P450 酶（參與幾乎所有有毒化學物質的生物轉化途徑）可能會由於一生中各種因素（包括飲食習慣、吸煙、飲酒、使用藥物和暴露於環境異生素）。

性別的影響

已經描述了大量有毒化學品（大約 200 種）在易感性方面的性別差異，並且在許多哺乳動物物種中發現了這種差異。似乎男性通常更容易受到腎臟毒素的影響，而女性則更容易受到肝臟毒素的影響。男性和女性之間反應不同的原因與各種生理過程的差異有關（例如，女性能夠通過月經失血、母乳和/或轉移給胎兒來額外排泄一些有毒化學物質，但她們在懷孕、分娩和哺乳期間經歷額外的壓力）、酶活性、基因修復機制、荷爾蒙因素，或女性體內存在相對較大的脂肪庫，導致一些親脂性有毒化學物質（如有機溶劑和某些藥物）的積累更多.

飲食習慣的影響

飲食習慣對化學毒性的易感性有重要影響，主要是因為充足的營養對於身體化學防禦系統的功能保持良好健康至關重要。攝入足夠的必需金屬（包括準金屬）和蛋白質，尤其是含硫氨基酸，對於各種解毒酶的生物合成以及提供甘氨酸和穀胱甘肽以與內源性和外源性化合物發生結合反應是必需的。脂質，尤其是磷脂，和脂質體（甲基供體）是生物膜合成所必需的。碳水化合物提供各種解毒過程所需的能量，並為有毒化學物質及其代謝物的結合提供葡萄醣醛酸。硒（一種必需類金屬）、穀胱甘肽和維生素，例如維生素 C（水溶性）、維生素 E 和維生素 A（脂溶性），作為抗氧化劑具有重要作用（例如，控制脂質過氧化和維持細胞膜的完整性）和自由基清除劑以防止有毒化學品。此外，各種膳食成分（蛋白質和纖維含量、礦物質、磷酸鹽、檸檬酸等）以及食用的食物量會極大地影響許多有毒化學物質的胃腸道吸收率（例如，可溶性物質的平均吸收率進餐時攝入的鉛鹽約為 60%，而禁食受試者則約為 XNUMX%）。然而，飲食本身可能是個體接觸各種有毒化學物質的額外來源（例如，食用受污染海產品的受試者每日攝入量顯著增加，砷、汞、鎘和/或鉛的積累增加）。

吸煙的影響

吸煙習慣會影響個體對許多有毒化學物質的易感性，因為香煙煙霧中存在的大量化合物（尤其是多環芳烴、一氧化碳、苯、尼古丁、丙烯醛、某些殺蟲劑、鎘和，在較小程度上，鉛和其他有毒金屬等），其中一些能夠在人體內累積一生，包括產前生命（例如，鉛和鎘）。相互作用的發生主要是因為各種有毒化學物質競爭相同的結合位點以便在生物體中運輸和分佈和/或競爭涉及特定酶的相同生物轉化途徑。例如，幾種香煙煙霧成分可以誘導細胞色素 P450 酶，而其他成分可以抑制其活性，從而影響許多其他有毒化學物質（如有機溶劑和某些藥物）的常見生物轉化途徑。長期大量吸煙會降低身體應對其他生活方式因素不利影響的儲備能力，從而大大降低身體的防禦機制。

酒精的影響

飲酒（乙醇）會以多種方式影響對許多有毒化學物質的敏感性。它可以影響某些化學物質在體內的吸收率和分佈——例如，增加鉛的胃腸道吸收率，或通過抑制氧化作用來降低汞蒸氣的肺部吸收率，而氧化是保留吸入汞蒸氣所必需的。乙醇還可以通過組織 pH 的短期變化和乙醇代謝引起的氧化還原電位的增加來影響對各種化學物質的敏感性，因為乙醇氧化成乙醛和乙醛氧化成乙酸鹽都會產生等量的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和氫（H⁺). 由於必需金屬和有毒金屬以及類金屬與各種化合物和組織結合的親和力受 pH 值和氧化還原電位變化的影響 (Telišman 1995)，即使適量攝入乙醇也可能導致一系列後果，例如：( 1) 人體長期積累的鉛重新分佈，有利於生物活性鉛部分，(2) 含鋅酶中的必需鋅被鉛替代，從而影響酶活性，或影響移動-化鉛對機體中其他必需金屬和準金屬的分佈，如鈣、鐵、銅和硒，（3）增加鋅的尿排泄等。由於酒精飲料可能含有大量來自容器或加工過程的鉛，上述可能事件的影響可能會增加（Prpic-Majic 等人，1984 年；Telišman 等人，1984 年；1993 年）。

乙醇相關敏感性變化的另一個常見原因是許多有毒化學品，例如各種有機溶劑，共享涉及細胞色素 P450 酶的相同生物轉化途徑。根據接觸有機溶劑的強度以及攝入乙醇的數量和頻率（即急性或慢性酒精消耗），乙醇可以降低或增加各種有機溶劑的生物轉化率，從而影響它們的毒性（Sato 1991） .

藥物的影響

多種藥物的共同使用會影響對有毒化學物質的敏感性，主要是因為許多藥物與血清蛋白結合，從而影響各種有毒化學物質的轉運、分佈或排泄率，或因為許多藥物能夠誘導相關的解毒酶或抑制其活性（例如，細胞色素 P450 酶），從而影響具有相同生物轉化途徑的化學物質的毒性。這兩種機制的特徵是當使用水楊酸鹽、磺胺或保泰鬆時增加三氯乙酸（幾種氯代烴的代謝產物）的尿排泄，以及當使用苯巴比妥時增加四氯化碳的肝腎毒性。此外，一些藥物含有相當數量的潛在毒性化學物質，例如，含鋁抗酸劑或用於治療慢性腎功能衰竭引起的高磷酸鹽血症的製劑。

伴隨暴露於其他化學品的影響

由於各種化學物質的相互作用（即，可能的疊加、協同或拮抗作用），對不良健康影響的易感性的變化幾乎完全在實驗動物中進行了研究，主要是在大鼠中。缺乏相關的流行病學和臨床研究。與大鼠和其他哺乳動物相比，考慮到幾種有毒化學物質對人類的反應強度相對較大或對健康的不利影響的多樣性，這一點尤其令人擔憂。除了藥理學領域已發表的數據外，大多數數據僅與特定類別中兩種不同化學品的組合有關，例如各種殺蟲劑、有機溶劑或必需和/或有毒金屬和類金屬。

多種有機溶劑的組合暴露可導致各種疊加、協同或拮抗效應（取決於某些有機溶劑的組合、它們的強度和暴露持續時間），主要是由於相互影響生物轉化的能力（Sato 1991）。

另一個典型的例子是必需的和/或有毒的金屬和類金屬的相互作用，因為這些可能會影響年齡（例如，環境鉛和鎘的終生體內積累）、性別（例如，女性常見的缺鐵症） )、飲食習慣（例如，有毒金屬和準金屬的膳食攝入量增加和/或必需金屬和準金屬的膳食攝入不足）、吸煙習慣和飲酒（例如，額外接觸鎘、鉛和其他有毒金屬）和使用藥物（例如，單劑量的抗酸劑可導致通過食物攝入的鋁的平均每日攝入量增加 50 倍）。與主要有毒元素相關的基本示例（見表 1）可以說明人類接觸各種金屬和類金屬可能產生的各種疊加、協同或拮抗作用，除此之外還可能發生進一步的相互作用，因為必需元素也可能影響彼此（例如，銅對胃腸道吸收率以及鋅的代謝具有眾所周知的拮抗作用，反之亦然）。所有這些相互作用的主要原因是各種金屬和準金屬在各種酶、金屬蛋白（尤其是金屬硫蛋白）和組織（例如細胞膜和器官屏障）中競爭相同的結合位點（尤其是巰基，-SH）。這些相互作用可能在通過自由基和氧化應激的作用介導的幾種慢性疾病的發展中發揮相關作用 (Telišman 1995)。

表 1. 哺乳動物中主要有毒和/或必需金屬和類金屬可能的多重相互作用的基本影響

有毒金屬或準金屬	與其他金屬或類金屬相互作用的基本效應
鋁 (Al)	降低鈣的吸收率，損害鈣的代謝；膳食鈣不足會增加鋁的吸收率。損害磷酸鹽代謝。與 Fe、Zn 和 Cu 相互作用的數據是模棱兩可的（即另一種金屬作為介體的可能作用）。
砷（As）	影響銅的分佈（腎臟中銅增加，肝臟、血清和尿液中銅減少）。損害鐵的代謝（肝臟中鐵的增加伴隨著血細胞比容的降低）。 Zn降低無機As的吸收率並降低As的毒性。 Se 降低 As 的毒性，反之亦然。
鎘（Cd）	降低鈣的吸收率，損害鈣的代謝；膳食鈣不足會增加鎘的吸收率。損害磷酸鹽代謝，即增加磷酸鹽的尿排泄。損害鐵的代謝; 膳食鐵缺乏會增加鎘的吸收率。影響 Zn 的分佈； Zn 降低了 Cd 的毒性，而它對 Cd 吸收率的影響是模棱兩可的。 Se降低了Cd的毒性。 Mn 在 Cd 的低水平暴露下降低 Cd 的毒性。關於與 Cu 相互作用的數據是模棱兩可的（即 Zn 或另一種金屬作為介體的可能作用）。高膳食水平的 Pb、Ni、Sr、Mg 或 Cr(III) 會降低 Cd 的吸收率。
汞（Hg）	影響銅的分佈（肝臟中銅的增加）。 Zn降低無機Hg的吸收率並降低Hg的毒性。 Se 降低了 Hg 的毒性。 Cd增加了腎臟中Hg的濃度，但同時降低了Hg在腎臟中的毒性（Cd誘導的金屬硫蛋白合成的影響）。
鉛（Pb）	損害 Ca 的代謝; 膳食鈣不足會增加無機鉛的吸收率，增加鉛的毒性。損害鐵的代謝; 膳食鐵缺乏會增加鉛的毒性，而它對鉛的吸收率的影響是模棱兩可的。損害鋅的代謝，增加鋅的尿排泄；膳食Zn缺乏會增加無機Pb的吸收率，增加Pb的毒性。 Se 降低了 Pb 的毒性。與 Cu 和 Mg 相互作用的數據是模棱兩可的（即 Zn 或另一種金屬作為介體的可能作用）。

注意：數據主要與大鼠的實驗研究有關，而相關的臨床和流行病學數據（特別是關於定量劑量反應關係）通常缺乏（Elsenhans 等人 1991 年；Fergusson 1990 年；Telišman 等人 1993 年）。

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週一，12月20 2010 19：25

毒性反應的遺傳決定因素

人們早就認識到，每個人對環境化學品的反應是不同的。最近分子生物學和遺傳學的爆炸式增長使人們對這種變異性的分子基礎有了更清晰的認識。個體對化學品反應的主要決定因素包括十幾個酶超家族之間的重要差異，統稱為 異生素- （身體異物）或 藥物代謝 酵素。雖然這些酶的作用傳統上被認為是解毒，但這些相同的酶也會將許多惰性化合物轉化為劇毒中間體。最近，已經確定了編碼這些酶的基因的許多細微和明顯的差異，這些差異已被證明會導致酶活性的顯著變化。現在很清楚，每個個體都擁有獨特的異生素代謝酶活性；這種多樣性可能被認為是“代謝指紋”。正是這些許多不同的酶超家族之間複雜的相互作用最終不僅決定了化學品在任何給定個體中的命運和潛在毒性，而且還決定了對暴露的評估。在這篇文章中，我們選擇使用細胞色素 P450 酶超家族來說明在理解個體對化學品的反應方面取得的顯著進步。旨在識別這些酶中特定基因改變的相對簡單的基於 DNA 的測試的開發，現在可以更準確地預測個體對化學暴露的反應。我們希望結果將是預防性毒理學。換句話說，每個人都可以了解他或她特別敏感的那些化學物質，從而避免以前無法預測的毒性或癌症。

儘管人們普遍不理解，但人類每天都會接觸到無數種不同的化學物質。這些化學物質中有許多是劇毒的，它們來自各種各樣的環境和飲食來源。這種暴露與人類健康之間的關係一直並將繼續成為全球生物醫學研究工作的主要焦點。

這種化學轟擊有哪些例子？超過 400 種來自紅酒的化學物質已被分離和表徵。據估計，一根點燃的香煙至少會產生 1,000 種化學物質。化妝品和香皂中含有無數化學物質。接觸化學品的另一個主要來源是農業：僅在美國，農田每年就會收到超過 75,000 種農藥、除草劑和肥料形式的化學品；在被植物和食草動物以及附近水道中的魚類吸收後，人類（處於食物鏈的末端）攝入這些化學物質。攝入體內高濃度化學物質的其他兩個來源包括 (a) 長期服用藥物和 (b) 在整個職業生涯中接觸工作場所的有害物質。

現在已經確定，化學品接觸可能對人類健康的許多方面產生不利影響，導致慢性疾病和許多癌症的發展。在過去十年左右的時間裡，許多這些關係的分子基礎已經開始被闡明。此外，人們已經認識到，人類對接觸化學品有害影響的敏感性存在顯著差異。

目前預測人類對化學暴露反應的努力結合了兩種基本方法（圖 1）：通過生物標記物（生物標誌物）監測人類暴露的程度，以及預測個體對給定暴露水平的可能反應。儘管這兩種方法都非常重要，但應該強調的是，這兩種方法截然不同。本文將重點介紹 遺傳因素 潛在的個體對任何特定化學品暴露的易感性。這個研究領域被廣泛稱為 生態遺傳學，或者 藥物遺傳學 （參見 Kalow 1962 和 1992）。許多最近在確定個體對化學毒性的易感性方面的進展源於對人類和其他哺乳動物對化學物質解毒的過程以及所涉及的酶系統的顯著複雜性的更深入了解。

圖 1. 暴露評估、種族差異、年齡、飲食、營養和遺傳易感性評估之間的相互關係——所有這些都在個體中毒和癌症風險中發揮作用

我們將首先描述人類毒性反應的可變性。然後，我們將介紹一些由於外來化學物質的代謝差異而導致響應變化的酶。接下來，將詳細介紹細胞色素 P450 超家族的歷史和命名法。將簡要描述五種人類 P450 多態性以及幾種非 P450 多態性；這些是造成人類毒性反應差異的原因。然後我們將討論一個例子來強調這一點，即個體的遺傳差異會影響暴露評估，這是由環境監測確定的。最後，我們將討論這些異生素代謝酶在關鍵生命功能中的作用。

人群中毒性反應的變化

毒理學家和藥理學家通常談論 50% 人口的平均致死劑量 (LD₅₀), 50% 人群的平均最大耐受劑量 (MTD₅₀)，以及特定藥物對 50% 人口的平均有效劑量 (ED₅₀). 然而，這些劑量如何影響我們每個人的個人基礎？換句話說，一個高度敏感的人可能比人群中抵抗力最強的人受影響 500 倍或受影響的可能性高 500 倍；對於這些人，LD₅₀ （和MTD₅₀ 和艾德₅₀) 值沒有什麼意義。低密度脂蛋白₅₀, 最大傳輸距離₅₀ 和艾德₅₀ 只有在提及整個人口時，價值觀才有意義。

圖2 說明了任何給定人群中個體對毒性反應的假設劑量反應關係。這個通用圖表可能表示支氣管癌與吸煙數量的關係，氯痤瘡與工作場所二噁英水平的關係，哮喘與空氣中臭氧或醛濃度的關係，曬傷與紫外線的關係，凝血時間縮短作為阿司匹林攝入量的函數，或胃腸道不適對服用次數的反應辣椒辣椒消耗。通常，在這些情況中的每一種情況下，接觸越多，毒性反應就越大。大多數人群將表現出作為劑量函數的毒性反應的平均值和標準偏差。 “耐藥異常值”（圖 2 右下角）是指在較高劑量或暴露條件下反應較少的個體。 “敏感異常值”（左上角）是對相對較小的劑量或暴露有誇大反應的個體。這些異常值與人群中的大多數個體相比反應存在極大差異，可能代表重要的遺傳變異，可以幫助科學家試圖了解毒性反應的潛在分子機制。

圖 2. 任何毒性反應與任何環境、化學或物理因素劑量之間的一般關係

在家庭研究中使用這些異常值，許多實驗室的科學家已經開始認識到孟德爾遺傳對於給定毒性反應的重要性。隨後，人們可以轉向分子生物學和遺傳學研究，以查明基因水平的潛在機制（基因型）負責環境引起的疾病（表型).

異生素或藥物代謝酶

身體如何應對我們接觸到的無數外源性化學物質？人類和其他哺乳動物已經進化出高度複雜的代謝酶系統，包括十幾個不同的酶超家族。幾乎人類接觸到的每一種化學物質都會被這些酶修飾，以促進異物從體內清除。這些酶通常統稱為 藥物代謝酶 or 異生素代謝酶. 實際上，這兩個術語都是用詞不當。首先，許多這些酶不僅代謝藥物，還代謝數十萬種環境和膳食化學物質。其次，所有這些酶也有正常的身體化合物作為底物；這些酶中沒有一種只代謝外來化學物質。

四十多年來，這些酶介導的代謝過程通常被歸類為 I 期或 II 期反應（圖 3). I 階段（“功能化”）反應通常涉及通過氧化、還原或水解對母體化學物質進行相對較小的結構修飾，以產生更易溶於水的代謝物。通常，I 期反應為隨後的 II 期反應進一步修飾化合物提供了“把手”。 I 期反應主要由高度通用的酶超家族介導，統稱為細胞色素 P450，但也可能涉及其他酶超家族（圖 4）。

圖 3. I 期和 II 期異生素或藥物代謝酶的經典名稱

圖 4. 藥物代謝酶的例子

II 期反應涉及將水溶性內源性分子與化學物質（母體化學物質或 I 期代謝物）偶聯以促進排泄。 II 期反應通常稱為“偶聯”或“衍生化”反應。催化 II 期反應的酶超家族通常根據所涉及的內源性結合部分命名：例如，N-乙酰轉移酶的乙酰化、磺基轉移酶的硫酸化、穀胱甘肽轉移酶的穀胱甘肽結合以及 UDP 葡萄醣醛酸轉移酶的葡萄醣醛酸化（圖 4） . 雖然藥物代謝的主要器官是肝臟，但某些藥物代謝酶在胃腸道、性腺、肺、腦和腎中的含量相當高，而這些酶無疑在某種程度上存在於每個活細胞中。

異生代謝酶代表雙刃劍 劍

隨著我們更多地了解導致人類健康異常的生物和化學過程，越來越明顯的是，藥物代謝酶以矛盾的方式發揮作用（圖 3）。在大多數情況下，脂溶性化學物質會轉化為更容易排出體外的水溶性代謝物。然而，很明顯，在許多情況下，相同的酶能夠將其他惰性化學物質轉化為高反應性分子。然後這些中間體可以與細胞大分子如蛋白質和 DNA 相互作用。因此，對於人類接觸的每一種化學物質，都可能存在以下競爭途徑： 代謝激活 排毒.

遺傳學簡述

在人類遺傳學中，每個基因（座位) 位於 23 對染色體之一。他們倆 等位基因 （存在於一對染色體上的一個）可以相同，也可以彼此不同。例如， B b 等位基因，其中 B （棕色眼睛）占主導地位 b （藍眼睛）：棕色眼睛表型的個體可以有 BB or Bb 基因型，而藍眼睛表型的個體只能具有 bb 基因型。

A 多態性 被定義為兩種或更多種穩定遺傳的表型（性狀）——源自相同的基因——在人群中得以維持，通常原因不一定明顯。對於具有多態性的基因，基因產物必須不是發育、繁殖活力或其他關鍵生命過程所必需的。事實上，“平衡多態性”，其中雜合子比純合子具有明顯的生存優勢（例如，抗瘧疾和鐮狀細胞血紅蛋白等位基因）是將人群中的等位基因維持在其他無法解釋的高水平的常見解釋頻率（見岡薩雷斯和內伯特 1990 年）。

異生素代謝酶的人類多態性

四十多年來，人們已經知道各種藥物和環境化學物質代謝的遺傳差異（Kalow 1962 和 1992）。這些差異通常被稱為 遺傳藥理學 或者，更廣泛地說， 生態遺傳多態性. 這些多態性代表在人群中以相對高的頻率出現並且通常與酶表達或功能的異常相關的變異等位基因。從歷史上看，多態性通常是在對治療藥物產生意外反應後被發現的。最近，重組 DNA 技術使科學家能夠確定導致其中一些多態性的基因的精確改變。多態性現已在許多藥物代謝酶中得到表徵——包括 I 期和 II 期酶。隨著越來越多的多態性被鑑定出來，越來越明顯的是每個個體可能擁有不同的藥物代謝酶。這種多樣性可以描述為“代謝指紋”。任何個體體內各種藥物代謝酶超家族的複雜相互作用最終將決定他或她對特定化學物質的特定反應（Kalow 1962 和 1992；Nebert 1988；Gonzalez 和 Nebert 1990；Nebert 和 Weber 1990）。

在細胞中表達人類異種代謝酶 文化活動

我們如何才能更好地預測人類對化學品的毒性反應？在定義藥物代謝酶的多樣性方面取得的進展必須伴隨著關於哪些酶決定單個化學物質的代謝命運的精確知識。從實驗室囓齒動物研究中收集的數據無疑提供了有用的信息。然而，異生素代謝酶的種間差異顯著，因此在將數據外推到人群時必須謹慎。為了克服這一困難，許多實驗室開發了系統，在這些系統中，可以對培養的各種細胞系進行工程改造，以產生穩定且高濃度的功能性人類酶（Gonzalez、Crespi 和 Gelboin 1991）。已經在來自細菌、酵母、昆蟲和哺乳動物等來源的各種不同細胞系中成功生產了人類酶。

為了更準確地定義化學物質的新陳代謝， 多種酶 也已在單細胞系中成功生產（Gonzalez、Crespi 和 Gelboin 1991）。這些細胞係為了解參與任何給定化合物和可能有毒代謝物的代謝過程的精確酶提供了寶貴的見解。如果此信息可以與有關人體組織中酶的存在和水平的知識相結合，則這些數據應該可以提供有價值的反應預測因子。

細胞色素P450

歷史和命名

細胞色素 P450 超家族是研究最多的藥物代謝酶超家族之一，對化學物質的反應具有很大的個體差異。細胞色素 P450 是一個方便的通用術語，用於描述在無數內源性和外源性底物的代謝中起關鍵作用的大型酶超家族。期限 細胞色素P450 於 1962 年首次創造，用於描述未知的事物顏料在細胞中，當還原並與一氧化碳結合時，會在 450 nm 處產生特徵吸收峰。自 1980 世紀 450 年代初以來，cDNA 克隆技術已經對細胞色素 P400 酶的多樣性有了顯著的了解。迄今為止，已在動物、植物、細菌和酵母中鑑定出 450 多種不同的細胞色素 P60 基因。據估計，任何一種哺乳動物，例如人類，可能擁有 450 種或更多不同的 P1991 基因（Nebert 和 Nelson 450）。 P1987 基因的多樣性要求開發標準化的命名系統（Nebert 等人 1993 年；Nelson 等人 1987 年）。命名系統於 450 年首次提出並每半年更新一次，其基於 P450 蛋白之間氨基酸序列比較的發散進化。 P40 基因分為家族和亞家族：家族內的酶顯示出大於 55% 的氨基酸相似性，而同一亞家族內的酶顯示出 450% 的相似性。 PXNUMX基因以根符號命名 CYP 後面跟著一個阿拉伯數字表示 P450 家族，一個字母表示亞家族，另一個阿拉伯數字表示單個基因（Nelson et al. 1993；Nebert et al. 1991）。因此， CYP1A1 代表家族 450 和亞家族 A 中的 P1 基因 1。

截至 1995 年 403 月，共有 XNUMX CYP 數據庫中的基因，由 59 個家族和 105 個亞家族組成。其中包括 15 個低等真核生物科、19 個植物科和 15 個細菌科。 450 個人類 P26 基因家族包含 22 個亞家族，其中 XNUMX 個已被定位到整個基因組的大部分染色體位置。一些序列在許多物種中顯然是同源的——例如，只有一個 CYP17 （類固醇 17α-羥化酶）基因已在迄今為止檢查的所有脊椎動物中發現；一個亞家族中的其他序列高度重複，使得不可能識別直系同源對（例如， CYP2C 亞科）。有趣的是，人類和酵母在 CYP51 家庭。為尋求 P450 超家族更多信息的讀者提供了大量綜合評論（Nelson 等人 1993 年；Nebert 等人 1991 年；Nebert 和 McKinnon 1994 年；Guengerich 1993 年；Gonzalez 1992 年）。

P450 命名系統的成功導致為 UDP 葡萄醣醛酸轉移酶（Burchell 等人，1991 年）和含黃素的單加氧酶（Lawton 等人，1994 年）開發了類似的術語系統。其他幾個藥物代謝酶超家族（例如，磺基轉移酶、環氧化物水解酶和醛脫氫酶）也正在開發基於發散進化的類似命名系統。

最近，我們將哺乳動物 P450 基因超家族分為三組（Nebert 和 McKinnon 1994）——主要涉及外來化學代謝的組、參與各種類固醇激素合成的組以及參與其他重要內源性功能的組。外源代謝 P450 酶對毒性預測最重要。

異生素代謝 P450 酶

參與外來化合物和藥物代謝的 P450 酶幾乎總是在家族中發現 CYP1、CYP2、CYP3 CYP4. 這些 P450 酶催化多種代謝反應，單個 P450 通常能夠代謝許多不同的化合物。此外，多種 P450 酶可能會在不同位點代謝單一化合物。此外，一種化合物可能在同一個位點被多個 P450 代謝，儘管速率不同。

藥物代謝 P450 酶的一個最重要的特性是這些基因中的許多都可以被用作其底物的物質誘導。另一方面，其他 P450 基因是由非底物誘導的。這種酶誘導現像是許多具有治療重要性的藥物相互作用的基礎。

儘管存在於許多組織中，但這些特殊的 P450 酶在肝臟（藥物代謝的主要部位）中含量相對較高。一些代謝外源性物質的 P450 酶對某些內源性底物（例如花生四烯酸）表現出活性。然而，人們普遍認為，這些代謝外源性物質的 P450 酶中的大多數並不發揮重要的生理作用——儘管這尚未通過實驗確定。通過基因打靶方法在小鼠中選擇性純合子破壞或“敲除”單個異源代謝 P450 基因可能會很快提供關於異源代謝 P450 的生理作用的明確信息（用於回顧基因打靶，參見 Capecchi 1994）。

與編碼主要參與生理過程的酶的 P450 家族相比，編碼異生物質代謝 P450 酶的家族顯示出顯著的物種特異性，並且每個亞家族通常包含許多活性基因（Nelson 等人，1993 年；Nebert 等人，1991 年）。鑑於明顯缺乏生理底物，家族中的 P450 酶可能 CYP1、CYP2、CYP3 CYP4 在過去數億年中出現的化學物質已經進化為一種對環境和飲食中遇到的外來化學物質進行解毒的方法。顯然，異生素代謝 P450 的進化發生的時間遠遠早於人類現在接觸的大多數合成化學物質的合成。這四個基因家族中的基因可能由於動物在過去 1.2 億年中接觸植物代謝物而進化和分化——這一過程被描述為“動植物戰爭”（Gonzalez 和 Nebert，1990 年）。動植物戰爭是一種現象，其中植物開發出新的化學物質（植物抗毒素）作為防禦機制以防止被動物攝入，而動物反過來又通過開發新的 P450 基因來適應多樣化的底物。最近描述的涉及 P450 有毒底物解毒的植物-昆蟲和植物-真菌化學戰的例子進一步推動了該提議（Nebert 1994）。

以下是對幾種人類異源代謝 P450 酶多態性的簡要介紹，其中毒性反應的遺傳決定因素被認為具有重要意義。直到最近，P450 多態性通常是由患者對所用治療劑的反應出乎意料的差異所暗示的。確實有幾個 P450 多態性是根據首次鑑定該多態性的藥物命名的。最近，研究工作的重點是鑑定參與化學物質代謝的精確 P450 酶，觀察到這些酶存在差異，並精確表徵所涉及的 P450 基因。如前所述，P450 酶對模型化學物質的可測量活性可稱為表型。每個個體的 P450 基因的等位基因差異稱為 P450 基因型。隨著越來越多的審查應用於 P450 基因的分析，先前記錄的表型變異的精確分子基礎變得更加清晰。

CYP1A亞家族

CYP1A 亞家族包含人類和所有其他哺乳動物中的兩種酶：這些酶在標準 P1 命名法下被命名為 CYP1A1 和 CYP2A450。這些酶很受關注，因為它們參與許多致癌物的代謝活化，並且還被包括二噁英在內的幾種具有毒理學關注的化合物誘導。例如，CYP1A1 代謝激活香煙煙霧中發現的許多化合物。 CYP1A2 代謝激活化學染料工業中發現的許多與膀胱癌相關的芳基胺。 CYP1A2 還通過代謝激活 4-(甲基亞硝胺)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮 (NNK)，一種源自煙草的亞硝胺。由於菸霧中存在的多環碳氫化合物的誘導，CYP1A1 和 CYP1A2 在吸煙者肺部的含量也較高。因此，CYP1A1 和 CYP1A2 活性水平被認為是個體對許多潛在有毒化學品反應的重要決定因素。

毒理學興趣 CYP1A 1973 年的一份報告將吸煙者的 CYP1A1 誘導水平與個人對肺癌的易感性相關聯（Kellermann、Shaw 和 Luyten-Kellermann 1973）。 CYP1A1 和 CYP1A2 誘導的分子基礎一直是眾多實驗室關注的焦點。誘導過程由一種稱為 Ah 受體的蛋白質介導，二噁英和結構相關的化學物質與其結合。名字 Ah 源自 a瑞爾 h許多 CYP1A 誘導劑的碳氫化合物性質。有趣的是，小鼠品系之間編碼 Ah 受體的基因的差異導致化學反應和毒性的顯著差異。 Ah 受體基因的多態性似乎也發生在人類身上：大約十分之一的人群表現出 CYP1A1 的高誘導性，並且可能比其他十分之九的人群更容易患某些化學誘發的癌症。 Ah 受體在酶控制中的作用 CYP1A 亞家族及其作為人類對化學暴露反應的決定因素的作用，一直是最近幾篇評論的主題（Nebert、Petersen 和 Puga 1991；Nebert、Puga 和 Vasiliou 1993）。

是否有其他多態性可能控制細胞中 CYP1A 蛋白的水平？中的多態性 CYP1A1 基因也已被確定，這似乎會影響日本吸煙者的肺癌風險，儘管這種相同的多態性似乎不會影響其他種族群體的風險（Nebert 和 McKinnon 1994）。

CYP2C19

多年來，人們對抗驚厥藥物 (S)-美芬妥英的代謝率存在差異已有詳細記載 (Guengerich 1989)。 2% 至 5% 的白種人和多達 25% 的亞洲人缺乏這種活性，並且可能面臨更大的藥物毒性風險。人們早就知道這種酶缺陷涉及人類的一個成員 CYP2C 亞家族，但這種缺陷的精確分子基礎一直是相當大的爭議主題。造成這種困難的主要原因是人類的六個或更多基因 CYP2C 亞科。然而，最近證明，在 CYP2C19 基因是造成這種缺陷的主要原因 (Goldstein and de Morais 1994)。還開發了一種基於聚合酶鍊式反應 (PCR) 的簡單 DNA 測試，以快速識別人群中的這種突變（Goldstein 和 de Morais 1994）。

CYP2D6

也許 P450 基因中最廣泛表徵的變異是涉及 CYP2D6 基因。已經描述了十多個影響該基因的突變、重排和缺失的例子 (Meyer 1994)。 20 年前，患者對抗高血壓藥物異喹啉的反應存在臨床差異，首次提出了這種多態性。的改變 CYP2D6 因此，引起酶活性改變的基因統稱為 異喹多態性.

在基於 DNA 的研究出現之前，根據尿液樣本中的代謝物濃度，個體被歸類為異喹啉的弱代謝者或強代謝者（PM、EM）。現在很清楚 CYP2D6 基因可能導致個體不僅表現出不良或廣泛的異喹啉代謝，而且表現出超快的代謝。大多數改動在 CYP2D6 基因與酶功能的部分或全部缺陷有關；然而，最近描述了兩個家庭中的個體擁有多個功能副本 CYP2D6 基因，引起 CYP2D6 底物的超快速代謝（Meyer 1994）。這一非凡的觀察為以前在人口研究中觀察到的廣泛的 CYP2D6 活性提供了新的見解。 CYP2D6 功能的改變具有特別重要的意義，因為該酶可代謝 30 多種常用處方藥。因此，個體的 CYP2D6 功能是對給藥治療的治療反應和毒性反應的主要決定因素。事實上，最近有人認為，考慮患者的 CYP2D6 狀態對於安全使用精神科和心血管藥物是必要的。

的作用 CYP2D6 多態性作為個體對人類疾病如肺癌和帕金森病的易感性的決定因素也一直是深入研究的主題（Nebert 和 McKinnon 1994 年；Meyer 1994 年）。雖然鑑於所用研究方案的多樣性，很難得出結論，但大多數研究似乎表明異喹啉的廣泛代謝者（EM 表型）與肺癌之間存在關聯。這種關聯的原因目前尚不清楚。然而，CYP2D6 酶已顯示可代謝 NNK，一種源自煙草的亞硝胺。

隨著基於 DNA 的檢測方法的改進——能夠更準確地評估 CYP2D6 狀態——預計 CYP2D6 與疾病風險的確切關係將得到闡明。強代謝者可能與肺癌易感性有關，而弱代謝者（PM 表型）似乎與原因不明的帕金森病有關。儘管這些研究也難以比較，但似乎代謝 CYP2D6 底物（例如，異喹啉）能力降低的 PM 個體患帕金森病的風險增加 2 至 2.5 倍。

CYP2E1

CYP2E1 基因編碼的酶可以代謝許多化學物質，包括藥物和許多低分子量致癌物。這種酶也很受關注，因為它可被酒精高度誘導，並且可能在氯仿、氯乙烯和四氯化碳等化學物質引起的肝損傷中發揮作用。這種酶主要存在於肝臟中，酶的水平因人而異。仔細檢查 CYP2E1 基因導致了幾種多態性的鑑定（Nebert 和 McKinnon 1994）。據報導，某些結構變異的存在之間存在關係 CYP2E1 一些研究中的基因和明顯降低的肺癌風險；然而，種族間存在明顯差異，需要澄清這種可能的關係。

CYP3A亞家族

在人類中，四種酶已被確定為 CYP3A 亞科是因為它們在氨基酸序列上的相似性。 CYP3A 酶代謝許多常用處方藥，例如紅黴素和環孢菌素。致癌食品污染物黃曲霉毒素 B₁ 也是 CYP3A 底物。人類的一員 CYP3A 亞科，指定 CYP3A4, 是人類肝臟中的主要 P450，也存在於胃腸道中。與許多其他 P450 酶一樣，CYP3A4 的水平在個體之間差異很大。第二種酶，命名為 CYP3A5，僅存在於大約 25% 的肝臟中；這一發現的遺傳基礎尚未闡明。 CYP3A4 或 CYP3A5 變異性作為毒性反應遺傳決定因素的重要性尚未確定（Nebert 和 McKinnon 1994）。

非 P450 多態性

許多多態性也存在於其他異源代謝酶超家族中（例如，穀胱甘肽轉移酶、UDP 葡萄醣醛酸轉移酶、對氧磷酶、脫氫酶、N-乙酰轉移酶和含黃素的單加氧酶）。由於任何 P450 生成的中間體的最終毒性取決於隨後的 II 期解毒反應的效率，因此多種酶多態性的綜合作用對於確定對化學誘發疾病的易感性很重要。因此，I 期和 II 期反應之間的代謝平衡（圖 3）可能是化學誘發的人類疾病和毒性反應的遺傳決定因素的主要因素。

GSTM1基因多態性

II 期酶多態性的一個充分研究的例子是涉及穀胱甘肽 S-轉移酶超家族的成員，指定為 GST mu 或 GSTM1。這種特殊的酶具有相當大的毒理學意義，因為它似乎參與了 CYP1A1 酶對香煙煙霧中化學物質產生的有毒代謝物的後續解毒。這種穀胱甘肽轉移酶基因的多態性涉及在多達一半的所有研究的白種人中完全缺乏功能性酶。這種 II 相酶的缺乏似乎與肺癌易感性增加有關。通過基於兩種變體對個體進行分組 CYP1A1 基因和功能缺失或存在 GSTM1 基因，已證明患吸煙誘發肺癌的風險存在顯著差異（Kawajiri、Watanabe 和 Hayashi 1994）。特別是，個人展示了一種罕見的 CYP1A1 基因改變，結合缺乏 GSTM1 基因，當暴露於相對低水平的香煙煙霧時，患肺癌的風險更高（高達九倍）。有趣的是，變異基因的重要性似乎存在種族間差異，這需要進一步研究以闡明此類改變在疾病易感性中的確切作用（Kalow 1962；Nebert 和 McKinnon 1994；Kawajiri、Watanabe 和 Hayashi 1994）。

兩種或多種多態性對毒性的協同作用 響應

對環境因素的毒性反應可能會因同一個體中兩種藥物遺傳學缺陷的組合而大大加劇，例如，N-乙酰轉移酶 (NAT2) 多態性和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (G6PD) 多態性的聯合作用.

職業性接觸芳基胺是患膀胱癌的嚴重風險。自 1954 年 Cartwright 的優雅研究以來，很明顯 N-乙酰基狀態是偶氮染料誘發膀胱癌的決定因素。慢乙酰化表型與膀胱癌的發生以及這種癌症在膀胱壁的侵襲程度之間存在高度顯著的相關性。相反，快速乙酰表型與結直腸癌的發病率之間存在顯著關聯。 N-乙酰轉移酶（NAT1、NAT2) 基因已被克隆和測序，基於 DNA 的分析現在能夠檢測出十多種等位基因變異，這些變異是慢乙酰化表型的原因。這 NAT2 基因是多態性的，並且造成對環境化學物質的毒性反應的大部分變異性（Weber 1987；Grant 1993）。

6-磷酸葡萄糖脫氫酶 (G6PD) 是一種對 NADPH 的生成和維持至關重要的酶。由於紅細胞中缺乏正常水平的還原型穀胱甘肽 (GSH)，G6PD 活性低或不存在可導致嚴重的藥物或異物誘導的溶血。 G6PD 缺乏症影響著全世界至少 300 億人。超過 10% 的非裔美國男性表現出不太嚴重的表型，而某些撒丁島社區表現出更嚴重的“地中海型”，頻率高達每三個人中就有一個。這 G6PD 基因已被克隆並定位於 X 染色體，大量不同的點突變導致了 G6PD 缺陷個體中出現的大量表型異質性 (Beutler 1992)。

Thiozalsulphone 是一種芳胺磺胺藥物，被發現會在接受治療的人群中引起溶血性貧血的雙峰分佈。當用某些藥物治療時，同時具有 G6PD 缺乏症和慢乙酰化表型的個體比僅具有 G6PD 缺乏症或僅具有慢乙酰化表型的個體受到的影響更大。 G6PD 缺陷型慢速乙酰化器對硫唑砜誘導的溶血的敏感性至少是正常 G40PD 快速乙酰化器的 6 倍。

遺傳多態性對暴露評估的影響

暴露評估和生物監測（圖 1）也需要每個人的基因構成信息。鑑於相同的危險化學品暴露，血紅蛋白加合物（或其他生物標誌物）的水平可能在個體之間相差兩到三個數量級，這取決於每個人的代謝指紋。

在德國的化工廠工人中研究了相同的組合遺傳藥理學（表 1）。與其他可能的組合藥物遺傳學表型相比，暴露於苯胺和乙酰苯胺的工人中的血紅蛋白加合物在 G6PD 缺陷型慢乙酰化器中是迄今為止最高的。這項研究對暴露評估具有重要意義。這些數據表明，儘管兩個人可能在工作場所暴露於相同環境水平的危險化學品，但暴露量（通過血紅蛋白加合物等生物標誌物）可能估計要低兩個或更多數量級，因為與個體潛在的遺傳易感性有關。同樣，由此產生的不利健康影響的風險可能相差兩個或更多數量級。

表 1：接觸苯胺和乙酰苯胺的工人的血紅蛋白加合物

乙酰化狀態		G6PD缺乏症
快	放慢	沒有	充足	血紅蛋白加合物
+		+		2
+			+	30
	+	+		20
	+		+	100

資料來源：改編自 Lewalter 和 Korallus 1985。

結合和代謝的遺傳差異

應該強調的是，此處針對新陳代謝提出的相同案例也適用於結合。環境因素結合的遺傳差異將極大地影響毒性反應。例如，鼠標的差異 清潔劑 基因可以深刻地影響個體對鎘誘導的睾丸壞死的敏感性（Taylor、Heiniger 和 Meier 1973）。 Ah 受體結合親和力的差異可能會影響二噁英誘導的毒性和癌症（Nebert、Petersen 和 Puga 1991 年；Nebert、Puga 和 Vasiliou 1993 年）。

圖 5 總結了代謝和結合在毒性和癌症中的作用。有毒物質，當它們存在於環境中或在代謝或結合後，通過基因毒性途徑（其中發生 DNA 損傷）或非基因毒性途徑（其中不需要發生 DNA 損傷和誘變）引起它們的作用。有趣的是，最近很明顯，“經典”DNA 損傷劑可以通過還原型穀胱甘肽 (GSH) 依賴性非遺傳毒性信號轉導通路發揮作用，該通路在沒有 DNA 的情況下在細胞核外的細胞表面或附近啟動（Devary 等人，1993 年）。然而，代謝和結合的遺傳差異仍然是控制不同個體毒性反應的主要決定因素。

圖 5. 發生毒性的一般方式

藥物代謝酶在細胞功能中的作用

藥物代謝酶功能的遺傳變異對於確定個體對化學品的反應至關重要。這些酶對於確定接觸外來化學物質後的命運和時間過程至關重要。

如圖 5 所示，藥物代謝酶在個體對化學暴露的易感性中的重要性實際上可能提出了一個比從這個簡單的異生物質代謝討論中顯而易見的問題複雜得多的問題。換句話說，在過去的二十年中，基因毒性機制（DNA 加合物和蛋白質加合物的測量）得到了極大的強調。然而，如果非基因毒性機制在引起毒性反應方面至少與基因毒性機制一樣重要呢？

如前所述，許多參與異生素代謝的藥物代謝酶的生理作用尚未準確定義。 Nebert (1994) 提出，由於藥物代謝酶在這個星球上存在超過 3.5 億年，它們最初（現在仍然主要）負責調節許多對轉錄激活很重要的非肽配體的細胞水平影響生長、分化、凋亡、穩態和神經內分泌功能的基因。此外，大多數（如果不是全部的話）環境因素的毒性是通過 激動劑 or 對手對這些信號轉導通路的作用 (Nebert 1994)。基於這一假設，藥物代謝酶的遺傳變異性可能對細胞內的許多關鍵生化過程產生相當顯著的影響，從而導致毒性反應的重要差異。這種情況確實有可能也是使用常用處方藥的患者遇到的許多特殊不良反應的基礎。

結論

在過去的十年裡，我們對藥物、食品和環境污染物中化學物質的不同反應的遺傳基礎的理解取得了顯著進步。藥物代謝酶對人類對化學品的反應方式有著深遠的影響。隨著我們對藥物代謝酶多樣性的認識不斷發展，我們越來越能夠改進許多藥物和環境化學品的毒性風險評估。這可能在 CYP2D6 細胞色素 P450 酶的情況下得到了最清楚的說明。使用相對簡單的基於 DNA 的測試，可以預測主要由這種酶代謝的任何藥物的可能反應；這一預測將確保更安全地使用有價值但可能有毒的藥物。

未來無疑會看到涉及藥物代謝酶的進一步多態性（表型）鑑定的爆炸式增長。這些信息將伴隨改進的、微創的基於 DNA 的測試來識別人群中的基因型。

這些研究在評估化學品在目前未知來源的許多環境疾病中的作用方面應該特別有用。綜合考慮多種藥物代謝酶多態性（如表 1），也可能代表一個特別豐富的研究領域。這些研究將闡明化學物質在致癌中的作用。總的來說，這些信息應該有助於製定越來越個性化的建議，避免可能引起個人關注的化學品。這是預防性毒理學領域。這樣的建議無疑將極大地幫助所有人應對我們所面臨的不斷增加的化學負擔。

出版於毒理學總則

週日，一月16 2011：16 18

簡介和概念

機械毒理學是研究化學或物理試劑如何與活生物體相互作用以引起毒性的學科。了解一種物質的毒性機理可以增強防止毒性和設計更理想的化學品的能力；它構成了過度暴露治療的基礎，並經常有助於進一步了解基本的生物過程。為此目的 百科全書 重點將放在預測人類毒性的動物身上。毒理學的不同領域包括機械毒理學、描述性毒理學、監管毒理學、法醫毒理學和環境毒理學（Klaassen、Amdur 和 Doull，1991 年）。所有這些都得益於了解毒性的基本機制。

為什麼要了解毒性機制？

了解一種物質引起毒性的機制可以以不同的方式增強毒理學的不同領域。對機理的理解有助於政府監管機構為人體接觸建立具有法律約束力的安全限值。它可以幫助毒理學家推薦有關清理或修復受污染場地的行動方案，並結合物質或混合物的物理和化學特性，可用於選擇所需防護設備的等級。機械知識在形成治療基礎和設計治療人類疾病的新藥方面也很有用。對於法醫毒理學家來說，毒性機制通常可以提供有關化學或物理試劑如何導致死亡或喪失能力的見解。

如果了解了毒性機制，描述性毒理學就可用於預測相關化學品的毒性作用。然而，重要的是要了解，缺乏機械信息不會阻止衛生專業人員保護人類健康。基於動物研究和人類經驗的審慎決定用於建立安全暴露水平。傳統上，安全邊際是通過使用動物研究（使用重複暴露設計）的“無不良影響水平”或“最低不良影響水平”並將該水平除以職業暴露因子 100 或職業暴露因子 1,000 來確定的。其他人類環境暴露。這一過程的成功從過去已設定並遵守適當接觸限值的工人因接觸化學品而導致健康不良影響的少數事件中可見一斑。此外，人類的壽命不斷延長，生活質量也在不斷提高。總體而言，毒性數據的使用導致了有效的監管和自願控制。毒性機制的詳細知識將增強目前正在開發的新風險模型的可預測性，並將導致持續改進。

了解環境機制是複雜的，並且需要了解生態系統破壞和體內平衡（平衡）。雖然本文沒有討論，但加深對毒性機制及其在生態系統中的最終後果的理解將有助於科學家在處理城市和工業廢料方面做出審慎的決定。廢物管理是一個不斷發展的研究領域，並將在未來繼續發揮重要作用。

毒性機制研究技術

大多數機理研究都是從動物的描述性毒理學研究或人類的臨床觀察開始的。理想情況下，動物研究包括仔細的行為和臨床觀察，對血液和尿液成分進行仔細的生化檢查以發現體內主要生物系統功能不良的跡象，以及通過顯微鏡檢查對所有器官系統進行屍檢評估以檢查傷害（參見 OECD 測試指南；EC 化學品評估指令；美國 EPA 測試規則；日本化學品法規）。這類似於在兩到三天的時間段內在醫院進行的全面人體體檢，除了驗屍檢查。

理解毒性機制是觀察的藝術和科學，是選擇檢驗各種假設的技術的創造力，也是將體徵和症狀創新性地整合到因果關係中的科學。機理研究從暴露開始，遵循與時間相關的分佈和在體內的歸宿（藥代動力學），並測量在系統的某個水平和某個劑量水平下產生的毒性作用。不同的物質可以在生物系統的不同水平上起作用而引起毒性。

曝光

機理研究中的接觸途徑通常與人體接觸相同。途徑很重要，因為除了在化學物質被吸收到血液並分佈到全身後的全身效應之外，還可能在接觸部位產生局部效應。局部影響的一個簡單但有說服力的例子是在使用專為清潔硬表面設計的強酸或強鹼溶液後刺激和最終腐蝕皮膚。類似地，在暴露於刺激性蒸汽或氣體（例如氮氧化物或臭氧）後，鼻子和/或肺部的細胞會發生刺激和細胞死亡。（兩者都是空氣污染或煙霧的成分）。化學物質通過皮膚、肺或胃腸道吸收到血液中後，任何器官或組織中的濃度都受到許多因素的控制，這些因素決定了化學物質在體內的藥代動力學。如下所述，身體具有激活和解毒各種化學物質的能力。

藥代動力學在毒性中的作用

藥代動力學描述了化學吸收、分佈、新陳代謝（體內生化變化）和從體內消除或排泄的時間關係。相對於毒性機制，這些藥代動力學變量可能非常重要，在某些情況下決定是否會發生毒性。例如，如果一種物質沒有被充分吸收，就不會發生全身毒性（在體內）。相反，被消化酶或肝酶快速（幾秒或幾分鐘）解毒的高反應性化學物質可能沒有時間引起毒性。一些多環鹵化物和混合物以及某些金屬如鉛如果排泄迅速則不會引起明顯的毒性；但積累到足夠高的水平決定了它們的毒性，因為排泄速度不快（有時以年為單位）。幸運的是，大多數化學物質在體內的滯留時間不會這麼長。無害物質的積累仍然不會引起毒性。從體內消除和解毒的速度通常被稱為化學物質的半衰期，即 50% 的化學物質被排出或轉變為無毒形式的時間。

然而，如果一種化學物質在特定細胞或器官中積累，這可能表明有理由進一步檢查其在該器官中的潛在毒性。最近，已經開發出數學模型來將藥代動力學變量從動物外推到人類。這些藥代動力學模型在生成假設和測試實驗動物是否可以很好地代表人類方面非常有用。關於這個主題已經寫了許多章節和文本（Gehring 等人 1976 年；Reitz 等人 1987 年；Nolan 等人 1995 年）。圖 1 描繪了生理模型的簡化示例。

圖 1. 簡化的藥代動力學模型

不同級別和系統可能會受到不利影響

毒性可以在不同的生物學水平上進行描述。可以評估整個人（或動物）、器官系統、細胞或分子的損傷。器官系統包括免疫系統、呼吸系統、心血管系統、腎臟系統、內分泌系統、消化系統、肌肉骨骼系統、血液系統、生殖系統和中樞神經系統。一些關鍵器官包括肝、腎、肺、腦、皮膚、眼睛、心臟、睾丸或卵巢，以及其他主要器官。在細胞/生化水平上，不利影響包括干擾正常蛋白質功能、內分泌受體功能、代謝能量抑製或異生（外來物質）酶抑製或誘導。分子水平的不利影響包括 DNA-RNA 轉錄、特定細胞質和核受體結合以及基因或基因產物的正常功能的改變。最終，主要器官系統的功能障礙可能是由該器官內特定靶細胞的分子改變引起的。然而，並不總是可以將機制追溯到因果關係的分子起源，也沒有必要。可以在不完全了解分子靶標的情況下設計干預和治療。然而，關於毒性具體機制的知識增加了外推到其他化學品的預測價值和準確性。圖 2 是可以檢測到正常生理過程干擾的各個級別的圖示。箭頭表示可以自上而下（暴露、對系統/器官毒性的藥代動力學）或自下而上（分子變化、對系統/器官毒性的細胞/生化效應）確定對個體的後果。

圖 2. 毒性機制的重新表述

毒性機制的例子

毒性機制可以很簡單也可以很複雜。通常，毒性類型、毒性機制和影響程度之間存在差異，這與不良反應是由於單一的急性高劑量（如意外中毒）還是較低劑量有關反復接觸（來自職業或環境接觸）。傳統上，出於測試目的，通過直接插管到囓齒動物的胃中或暴露於氣體或蒸氣的氣氛中兩到四個小時（以最類似於人類暴露的方式）給予急性單次高劑量。在接觸後兩週內觀察動物，然後檢查主要的外部和內部器官是否受傷。重複劑量測試的時間從幾個月到幾年不等。對於囓齒類動物，兩年被認為是足以評估毒性和致癌性的慢性（終生）研究，而對於非人類靈長類動物，兩年將被視為亞慢性（小於終生）研究以評估重複劑量毒性。暴露後，將對所有組織、器官和體液進行全面檢查，以確定任何不利影響。

急性毒性機制

以下示例特定於可導致死亡或嚴重失能的高劑量、急性效應。然而，在某些情況下，干預會導致短暫且完全可逆的影響。暴露的劑量或嚴重程度將決定結果。

簡單的窒息劑. 惰性氣體和一些其他非反應性物質的毒性機制是缺氧（缺氧）。這些導致中樞神經系統 (CNS) 缺氧的化學物質被稱為 單純窒息劑. 如果一個人進入一個含有氮氣但氧氣不足的封閉空間，大腦會立即缺氧，如果不迅速將人移開，則會導致失去知覺並最終死亡。在極端情況下（接近零氧）可能會在幾秒鐘內失去知覺。營救取決於迅速轉移到含氧環境中。由於無法再生的神經元死亡，延遲救援可能會導致不可逆轉的腦損傷。

化學窒息劑. 一氧化碳 (CO) 與氧氣競爭與血紅蛋白（在紅細胞中）的結合，因此剝奪組織的能量代謝所需的氧氣；可能導致細胞死亡。干預措施包括從 CO 源去除和用氧氣處理。氧氣的直接使用是基於 CO 的毒性作用。另一種強效化學窒息劑是氰化物。氰化物離子會干擾細胞的新陳代謝和氧氣對能量的利用。用亞硝酸鈉處理會導致紅細胞中的血紅蛋白變為高鐵血紅蛋白。與氰化物的細胞靶標相比，高鐵血紅蛋白對氰化物離子具有更大的結合親和力。因此，高鐵血紅蛋白結合氰化物並使氰化物遠離靶細胞。這形成了解毒治療的基礎。

中樞神經系統 (CNS) 抑製劑. 急性毒性的特徵是對許多材料（如非反應性或轉化為反應性中間體的溶劑）產生鎮靜或失去知覺。據推測，鎮靜/麻醉是由於溶劑與中樞神經系統細胞膜的相互作用，這削弱了它們傳遞電信號和化學信號的能力。雖然鎮靜似乎是一種溫和的毒性形式，並且是早期麻醉劑發展的基礎，但“劑量仍然會產生毒藥”。如果通過攝入或吸入給予足夠的劑量，動物可能會因呼吸停止而死亡。如果沒有發生麻醉死亡，當受試者離開環境或化學物質重新分佈或從體內消除時，這種類型的毒性通常很容易逆轉。

皮膚效應. 對皮膚的不利影響範圍從刺激到腐蝕，具體取決於遇到的物質。強酸和強鹼溶液與活組織不相容且具有腐蝕性，會導致化學灼傷並可能留下疤痕。疤痕是由於負責再生的真皮深層皮膚細胞的死亡。較低的濃度可能只會刺激第一層皮膚。

皮膚的另一種特定毒性機制是化學致敏作用。例如，當 2,4-二硝基氯苯與皮膚中的天然蛋白質結合併且免疫系統將改變的蛋白質結合複合物識別為異物時，就會發生過敏。在應對這種異物時，免疫系統會激活特殊細胞，通過釋放引起皮疹或皮炎的介質（細胞因子）來消除異物（參見“免疫毒理學”）。這與接觸毒藤時免疫系統的反應相同。免疫致敏對特定化學物質非常特異，並且在引起反應之前至少需要兩次暴露。第一次接觸會致敏（使細胞識別化學物質），隨後的接觸會觸發免疫系統反應。遠離接觸和使用含類固醇的抗炎藥膏進行對症治療通常可有效治療致敏個體。在嚴重或難治性病例中，全身作用免疫抑製劑如潑尼鬆與局部治療結合使用。

肺致敏. 甲苯二異氰酸酯 (TDI) 會引發免疫致敏反應，但目標部位是肺部。易感個體過度接觸 TDI 會導致肺水腫（液體積聚）、支氣管收縮和呼吸受損。這是一種嚴重的情況，需要將此人從潛在的後續暴露中移除。治療主要是對症治療。皮膚和肺部過敏遵循劑量反應。超過為職業暴露設定的水平會導致不良影響。

眼睛效果. 眼睛受傷的範圍從外層發紅（游泳池發紅）到角膜白內障形成再到虹膜（眼睛的有色部分）受損。當認為不會發生嚴重傷害時，會進行眼睛刺激測試。許多導致皮膚腐蝕的機制也會對眼睛造成傷害。對皮膚有腐蝕性的物質，如強酸（pH 值小於 2）和鹼（pH 值大於 11.5），未在動物眼中進行測試，因為大多數物質會因類似於導致皮膚腐蝕的機製而導致腐蝕和失明. 此外，清潔劑和表面活性劑等表面活性劑會導致眼睛受傷，範圍從刺激到腐蝕。一組需要小心的材料是帶正電（陽離子）的表面活性劑，它會導致灼傷、角膜永久性混濁和血管形成（血管形成）。另一種化學物質二硝基苯酚對白內障形成具有特殊作用。這似乎與眼睛中這種化學物質的濃度有關，這是藥代動力學分佈特異性的一個例子。

雖然上面的清單遠非詳盡無遺，但它旨在讓讀者了解各種急性毒性機制。

亞慢性和慢性毒性機制

當以單次高劑量給藥時，某些化學物質的毒性機制與以較低但仍然有毒的劑量重複給藥時的毒性機制不同。當給予單次高劑量時，總是有可能超過人的解毒或排泄化學物質的能力，這可能導致與給予較低重複劑量時不同的毒性反應。酒精就是一個很好的例子。高劑量的酒精會導致主要的中樞神經系統影響，而較低的重複劑量會導致肝損傷。

抗膽鹼酯酶抑制. 例如，大多數有機磷殺蟲劑在主要在肝臟中被代謝激活之前，對哺乳動物幾乎沒有毒性。有機磷酸酯的主要作用機制是抑制大腦和周圍神經系統中的乙酰膽鹼酯酶 (AChE)。 AChE 是終止神經遞質乙酰膽鹼刺激的正常酶。長期輕微抑制 AChE 與不良反應無關。在高水平暴露下，無法終止這種神經元刺激會導致膽鹼能神經系統過度刺激。膽鹼能過度刺激最終會導致一系列症狀，包括呼吸停止，如果不及時治療會導致死亡。主要治療是給予阿托品，它阻斷乙酰膽鹼的作用，以及給予解磷定，它重新激活被抑制的 AChE。因此，通過了解毒性的生化基礎來解決有機磷毒性的原因和治療。

代謝激活. 許多化學物質，包括四氯化碳、氯仿、乙酰氨基芴、亞硝胺和百草枯，都會被代謝活化為自由基或其他活性中間體，從而抑制和乾擾正常的細胞功能。在高水平暴露下，這會導致細胞死亡（參見“細胞損傷和細胞死亡”）。雖然具體的相互作用和細胞目標仍然未知，但能夠激活這些化學物質的器官系統，如肝臟、腎臟和肺，都是潛在的傷害目標。具體而言，器官內的特定細胞具有或多或少的激活或解毒這些中間體的能力，並且這種能力決定了器官內的細胞內易感性。新陳代謝是理解藥代動力學（描述這些類型的轉化以及這些中間體的分佈和消除）對於認識這些化學物質的作用機制很重要的原因之一。

癌症機制. 癌症是多種疾病，雖然由於自 1980 年以來開發的許多分子生物學技術，對某些類型癌症的了解正在迅速增加，但仍有很多東西需要學習。然而，很明顯癌症的發展是一個多階段的過程，關鍵基因是不同類型癌症的關鍵。許多這些關鍵基因的 DNA 改變（體細胞突變）會導致易感性增加或癌性病變（參見“遺傳毒理學”）。暴露於天然化學物質（在牛肉和魚等熟食中）或合成化學物質（如聯苯胺，用作染料）或物理因素（來自太陽的紫外線、來自土壤的氡、來自醫療程序或工業活動的伽馬輻射）都是體細胞基因突變的貢獻者。然而，有天然和合成物質（如抗氧化劑）和 DNA 修復過程可以保護和維持體內平衡。很明顯，遺傳學是癌症的一個重要因素，因為缺乏正常 DNA 修復的色素乾皮病等遺傳疾病綜合症會因暴露於太陽紫外線而顯著增加患皮膚癌的易感性。

生殖機制. 與癌症類似，許多生殖和/或發育毒性的機制是已知的，但還有很多有待了解。眾所周知，某些病毒（如風疹）、細菌感染和藥物（如沙利度胺和維生素 A）會對發育產生不利影響。最近，Khera (1991) 的工作以及 Carney (1994) 的評論顯示了很好的證據，表明在動物試驗中使用乙二醇的異常發育影響可歸因於母體代謝酸性代謝物。當乙二醇被代謝為包括乙醇酸和草酸在內的酸性代謝物時，就會發生這種情況。對胎盤和胎兒的後續影響似乎是由於這種代謝中毒過程。

結論

本文的目的是對幾種已知的毒性機制和未來研究的必要性給出一個觀點。重要的是要了解機械知識對於保護人類或環境健康並非絕對必要。這些知識將提高專業人員更好地預測和管理毒性的能力。用於闡明任何特定機制的實際技術取決於科學家的集體知識和那些就人類健康做出決定的人的想法。

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週日，一月16 2011：16 29

細胞損傷和細胞死亡

幾乎所有的醫學都致力於預防細胞死亡，如心肌梗塞、中風、外傷和休克等疾病，或引起細胞死亡，如傳染病和癌症。因此，必須了解所涉及的性質和機制。細胞死亡被歸類為“意外”，即由有毒物質、局部缺血等引起，或“程序性”，發生在胚胎髮育過程中，包括手指的形成和蝌蚪尾巴的吸收。

因此，細胞損傷和細胞死亡在生理學和病理生理學中都很重要。生理細胞死亡在胚胎髮生和胚胎髮育過程中極為重要。對發育過程中細胞死亡的研究導致了有關分子遺傳學的重要和新信息，特別是通過對無脊椎動物發育的研究。在這些動物中，已經仔細研究了注定要經歷細胞死亡的細胞的精確位置和重要性，並且通過使用經典的誘變技術，現在已經確定了幾個相關基因。在成人器官中，細胞死亡和細胞增殖之間的平衡控制著器官的大小。在一些器官中，例如皮膚和腸道，細胞不斷更新。例如，在皮膚中，細胞在到達表面時會分化，並最終隨著角質化的進行以及交聯包膜的形成而經歷終末分化和細胞死亡。

許多類別的有毒化學品都能夠誘導急性細胞損傷，然後導致死亡。這些包括缺氧和局部缺血及其化學類似物，例如氰化鉀；化學致癌物，形成與核酸中蛋白質共價結合的親電體；氧化劑化學品，導致自由基形成和氧化損傷；激活補體；和多種鈣離子載體。細胞死亡也是化學致癌作用的重要組成部分；許多完全的化學致癌物在致癌劑量下會產生急性壞死和炎症，然後是再生和癌前病變。

定義

細胞損傷

細胞損傷被定義為擾亂細胞正常穩態的事件或刺激，例如有毒化學物質，從而導致許多事件的發生（圖 1）。所示致死性損傷的主要目標是 ATP 合成的抑制、質膜完整性的破壞或必需生長因子的撤回。

圖 1. 細胞損傷

致命傷害會導致細胞在一段不同的時間後死亡，這取決於溫度、細胞類型和刺激；或者它們可能是亞致死性或慢性的——也就是說，損傷會導致體內平衡狀態改變，雖然不正常，但不會導致細胞死亡（Trump 和 Arstila 1971；Trump 和 Berezesky 1992；Trump 和 Berezesky 1995；Trump、Berezesky 和Osornio-Vargas 1981）。在致命傷害的情況下，在細胞死亡之前有一個階段

在此期間，細胞會恢復；然而，在特定的時間點（“不歸路點”或細胞死亡點）之後，損傷的消除並不會導致恢復，而是細胞會發生降解和水解，最終與細胞達到物理化學平衡環境。這是稱為壞死的階段。在致死前階段，會發生幾種主要類型的變化，具體取決於細胞和損傷類型。這些被稱為細胞凋亡和腫瘤。

細胞凋亡

Apoptosis 源自希臘語 載脂蛋白，意思是遠離，並且下垂，跌倒的意思。期限遠離源於這樣一個事實，即在這種類型的致死前變化期間，細胞會收縮並在外圍經歷明顯的起泡。然後氣泡分離並漂浮。細胞凋亡發生在各種類型的中毒性損傷後的各種細胞類型中（Wyllie、Kerr 和 Currie 1980）。它在淋巴細胞中尤為突出，它是淋巴細胞克隆周轉的主要機制。由此產生的片段導致在淋巴結中的巨噬細胞內看到嗜鹼性體。在其他器官中，細胞凋亡通常發生在單個細胞中，這些細胞在死亡前後被鄰近的實質細胞或巨噬細胞的片段吞噬作用迅速清除。在單細胞中發生的細胞凋亡以及隨後的吞噬作用通常不會導致炎症。在死亡之前，凋亡細胞顯示出非常緻密的胞質溶膠和正常或濃縮的線粒體。內質網 (ER) 正常或僅輕微擴張。核染色質沿著核膜和核仁周圍明顯聚集。核輪廓也不規則，發生核碎裂。染色質濃縮與 DNA 片段化有關，在許多情況下，DNA 片段化發生在核小體之間，在電泳中呈現出特徵性的階梯狀外觀。

在細胞凋亡中，[Ca²⁺]_i 可能刺激 K⁺ 流出導致細胞收縮，這可能需要 ATP。因此，完全抑制 ATP 合成的損傷更有可能導致細胞凋亡。 [Ca 的持續增加²⁺]_i 具有許多有害作用，包括激活蛋白酶、核酸內切酶和磷脂酶。核酸內切酶激活導致單鍊和雙鏈 DNA 斷裂，進而刺激 p53 和多聚 ADP 核糖基化以及 DNA 修復所必需的核蛋白水平升高。蛋白酶的激活會改變許多底物，包括肌動蛋白和導致水泡形成的相關蛋白質。另一個重要的底物是聚（ADP-核糖）聚合酶 (PARP)，它會抑制 DNA 修復。增加 [Ca²⁺]_i 也與許多蛋白激酶的激活有關，例如 MAP 激酶、鈣調蛋白激酶等。此類激酶參與啟動立即早期基因轉錄的轉錄因子的激活，例如，c-fos、c-jun 和 c-myc，以及磷脂酶 A 的激活₂ 這導致質膜和細胞內膜（例如線粒體內膜）的透化。

腫瘤病

Oncosis，源自希臘詞 昂科斯腫脹之所以如此命名，是因為在這種類型的致死前變化中，細胞在受傷後幾乎立即開始腫脹（Majno 和 Joris 1995）。膨脹的原因是細胞內水中陽離子的增加。負責的主要陽離子是鈉，它通常被調節以維持細胞體積。然而，在沒有 ATP 的情況下或如果質膜的 Na-ATPase 受到抑制，由於細胞內蛋白質和水中的鈉繼續增加，體積控制失去。因此，在腫瘤病的早期事件中，[Na⁺]_i 這導致細胞腫脹和增加 [Ca²⁺]_i 由細胞外空間流入或細胞內儲存釋放引起。這導致胞質溶膠腫脹、內質網和高爾基體腫脹，以及在細胞表面周圍形成水泡。線粒體最初經歷濃縮，但後來由於線粒體內膜受損，它們也表現出高幅度的腫脹。在這種致死前的變化中，染色質經歷濃縮並最終降解；然而，沒有看到細胞凋亡的特徵階梯模式。

壞疽

壞死是指細胞死亡後發生的一系列變化，當細胞轉化為通常通過炎症反應去除的碎片時。可以區分兩種類型：膨脹性壞死和凋亡性壞死。腫瘤性壞死通常發生在大面積區域，例如，心肌梗塞或化學中毒後的局部器官，例如施用 HgCl 後的腎近端小管₂. 涉及器官的廣泛區域，壞死細胞迅速引發炎症反應，首先是急性的，然後是慢性的。在生物體存活的情況下，在許多器官壞死之後會清除死細胞並再生，例如，在化學毒性後的肝臟或腎臟中。相反，凋亡性壞死通常發生在單個細胞的基礎上，壞死碎片在巨噬細胞的吞噬細胞或鄰近的實質細胞內形成。壞死細胞的最早特徵包括質膜連續性中斷和絮狀密度的出現，代表線粒體基質內的變性蛋白質。在最初不干擾線粒體鈣積累的某些形式的損傷中，可以在線粒體中看到磷酸鈣沉積物。其他膜系統也有類似的碎片化，例如內質網、溶酶體和高爾基體。最終，由於溶酶體水解酶的攻擊，核染色質發生裂解。細胞死亡後，溶酶體水解酶在與組織蛋白酶、核糖酶和脂肪酶一起清除碎片中發揮重要作用，因為它們具有最佳酸性 pH 值，並且可以在壞死細胞的低 pH 值下存活，而其他細胞酶則變性和失活。

機制

初始刺激

在致命傷害的情況下，最常見的導致細胞死亡的傷害的初始相互作用是乾擾能量代謝，例如缺氧、局部缺血或呼吸抑制，以及糖酵解，例如氰化鉀、一氧化碳、碘乙酸鹽和很快。如上所述，抑制能量代謝的高劑量化合物通常會導致腫瘤。導致急性細胞死亡的另一種常見初始損傷類型是質膜功能的改變（Trump 和 Arstila 1971；Trump、Berezesky 和 Osornio-Vargas 1981）。這可能是直接損傷和透化作用，如外傷或補體 C5b-C9 複合物激活、細胞膜機械損傷或鈉鉀 (Na⁺-K⁺) 與哇巴因等苷類一起泵送。鈣離子載體，如離子黴素或 A23187，可快速攜帶 [Ca²⁺] 向下梯度進入細胞，也會造成急性致死性損傷。在某些情況下，致死前變化的模式是細胞凋亡；在其他情況下，它是腫瘤。

信號通路

對於多種類型的損傷，線粒體呼吸和氧化磷酸化會迅速受到影響。在某些細胞中，這會刺激能夠維持 ATP 的無氧糖酵解，但在許多損傷中，這會受到抑制。缺乏 ATP 會導致無法激活許多重要的穩態過程，特別是細胞內離子穩態的控制（Trump 和 Berezesky 1992；Trump、Berezesky 和 Osornio-Vargas 1981）。這導致 [Ca²⁺]_i, 並增加 [Na⁺] 和 [Cl^-]導致細胞腫脹。 [Ca 增加²⁺]_i 導致下面討論的許多其他信號機制的激活，包括一系列激酶，這可能導致立即早期基因轉錄增加。增加 [Ca²⁺]_i 還改變細胞骨架功能，部分導致氣泡形成和核酸內切酶、蛋白酶和磷脂酶的激活。這些似乎觸發了上面討論的許多重要影響，例如通過蛋白酶和脂肪酶激活引起的膜損傷，核酸內切酶激活導致的 DNA 直接降解，以及作為轉錄因子的 MAP 激酶和鈣調蛋白激酶等激酶的激活。

通過對無脊椎動物發育的廣泛研究 秀麗隱桿線蟲 果蠅以及人類和動物細胞，已經確定了一系列促死亡基因。已發現其中一些無脊椎動物基因具有哺乳動物對應物。例如，ced-3 基因，它對細胞程序性死亡至關重要 秀麗隱桿線蟲， 具有蛋白酶活性並與哺乳動物白細胞介素轉化酶 (ICE) 具有很強的同源性。最近已鑑定出一種密切相關的基因，稱為 apopain 或 prICE，具有更緊密的同源性 (Nicholson et al. 1995)。在果蠅，收割者基因似乎參與了導致程序性細胞死亡的信號。其他促死亡基因包括 Fas 膜蛋白和重要的腫瘤抑制基因 p53，後者被廣泛保存。 p53 在 DNA 損傷後在蛋白質水平上被誘導，當磷酸化作為其他基因（如 gadd45 和 waf-1）的轉錄因子時，這些基因參與細胞死亡信號傳導。其他直接早期基因如 c-fos、c-jun 和 c-myc 似乎也參與某些系統。

同時，還有一些抗死亡基因似乎可以抵消促死亡基因。其中第一個被識別的是 ced-9，來自 秀麗隱桿線蟲，與人類的 bcl-2 同源。這些基因以一種未知的方式起作用，以防止細胞被遺傳或化學毒素殺死。最近的一些證據表明 bcl-2 可以作為一種抗氧化劑。目前，人們正在努力加深對相關基因的了解，並根據情況開發激活或抑制這些基因的方法。

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週日，一月16 2011：16 34

遺傳毒理學

根據定義，遺傳毒理學是研究化學或物理因素如何影響複雜的遺傳過程。基因毒性化學品被定義為能夠改變活細胞遺傳物質的化合物。特定化學物質造成遺傳損害的可能性不可避免地取決於幾個變量，包括生物體接觸化學物質的水平、化學物質一旦進入體內後的分佈和保留、代謝激活和/或解毒系統的效率靶組織，以及化學物質或其代謝物與細胞內關鍵大分子的反應性。遺傳損傷導致疾病的可能性最終取決於損傷的性質、細胞修復或放大遺傳損傷的能力、表達任何已誘導改變的機會，以及身體識別和抑制基因增殖的能力。異常細胞。

在高等生物中，遺傳信息組織在染色體中。染色體由緊密濃縮的蛋白質相關 DNA 鏈組成。在單個染色體中，每個 DNA 分子都以一對長的、無支鏈的核苷酸亞基鏈的形式存在，這些核苷酸亞基通過磷酸二酯鍵連接在一起，磷酸二酯鍵將一個脫氧核糖部分的第 5 個碳原子連接到下一個脫氧核糖部分的第 3 個碳原子（圖 1）。此外，四種不同核苷酸鹼基（腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤或胸腺嘧啶）中的一種與每個脫氧核糖亞基相連，就像串珠一樣。在三維空間中，每對 DNA 鏈形成一個雙螺旋結構，所有鹼基都朝向螺旋內部。在螺旋內，每個鹼基都與其在相反 DNA 鏈上的互補鹼基相關聯；氫鍵決定了腺嘌呤與胸腺嘧啶和鳥嘌呤與胞嘧啶的強非共價配對（圖 1）。由於核苷酸鹼基序列在雙鏈 DNA 分子的整個長度上是互補的，因此兩條鏈攜帶基本相同的遺傳信息。事實上，在 DNA 複製過程中，每條鏈都充當生成新夥伴鏈的模板。

圖 1. 人類遺傳信息的 (a) 初級、(b) 二級和 (c) 三級組織

使用 RNA 和一系列不同的蛋白質，細胞最終破譯由 DNA（基因）特定區域內鹼基線性序列編碼的信息，並產生對基本細胞存活以及正常生長和分化至關重要的蛋白質。從本質上講，核苷酸的功能就像一個生物字母表，用於編碼氨基酸，蛋白質的組成部分。

當插入不正確的核苷酸或丟失核苷酸，或在 DNA 合成過程中添加不必要的核苷酸時，這種錯誤稱為突變。據估計，每 10 人中發生的突變不到一個⁹ 細胞正常複製過程中摻入的核苷酸。雖然突變不一定有害，但導致重要基因失活或過度表達的改變可導致多種疾病，包括癌症、遺傳性疾病、發育異常、不孕症以及胚胎或圍產期死亡。在極少數情況下，突變可以提高生存率；這種情況是自然選擇的基礎。

雖然一些化學物質直接與 DNA 反應，但大多數需要代謝活化。在後一種情況下，環氧化物或碳正離子等親電子中間體最終會導致遺傳物質中各種親核位點發生損傷（圖 2）。在其他情況下，基因毒性是由化合物與細胞內脂質、蛋白質或氧氣相互作用的副產物介導的。

圖 2. 生物活化：a) 苯並 (a) 芘； b) N-亞硝基二甲胺

由於它們在細胞中的相對豐度，蛋白質是毒物相互作用的最常見目標。然而，由於該分子在調節多代細胞的生長和分化中的核心作用，DNA 的修飾更受關注。

在分子水平上，親電子化合物傾向於攻擊 DNA 中的氧和氮。最容易發生修飾的位點如圖 3 所示。儘管 DNA 主鏈磷酸基團中的氧也是化學修飾的目標，但鹼基損傷被認為在生物學上更相關，因為這些基團被認為是主要的信息來源DNA 分子中的元素。

圖 3. 化學誘導的 DNA 損傷的主要部位

含有一個親電部分的化合物通常通過在 DNA 中產生單加合物來發揮遺傳毒性。同樣，包含兩個或多個反應性部分的化合物可以與兩個不同的親核中心反應，從而在遺傳物質中產生分子內或分子間交聯（圖 4）。鏈間 DNA-DNA 和 DNA-蛋白質交聯可能特別具有細胞毒性，因為它們可以形成 DNA 複製的完整塊。出於顯而易見的原因，細胞的死亡消除了它發生突變或腫瘤轉化的可能性。基因毒劑還可以通過誘導磷酸二酯主鏈斷裂或 DNA 中鹼基和糖（產生無鹼基位點）之間的斷裂而發揮作用。這種斷裂可能是損傷部位化學反應的直接結果，或者可能發生在上述 DNA 損傷類型之一的修復過程中。

圖 4. 蛋白質-DNA 複合物的各種損傷類型

在過去的三十到四十年裡，已經開發出多種技術來監測由各種化學品引起的遺傳損傷類型。此類檢測在本章其他地方有詳細描述， 百科全書.

諸如單加合物、脫鹼基位點或單鏈斷裂等“微損傷”的錯誤複製可能最終導致核苷酸鹼基對替換，或染色體 DNA 中短多核苷酸片段的插入或缺失。相反，“大損傷”，如大體積加合物、交聯或雙鏈斷裂，可能會引發相對較大的染色體片段的增加、丟失或重排。在任何情況下，後果都可能對生物體造成毀滅性影響，因為這些事件中的任何一個都可能導致細胞死亡、功能喪失或細胞惡性轉化。 DNA 損傷究竟如何導致癌症在很大程度上是未知的。目前認為該過程可能涉及原癌基因的不當激活，例如 我的C RAS，和/或最近發現的腫瘤抑制基因如 p53 的失活。任何一種基因的異常表達都會破壞控制細胞增殖和/或分化的正常細胞機制。

大量實驗證據表明，接觸親電子化合物後發生癌症是一種相對罕見的事件。這可以部分解釋為細胞具有識別和修復受損 DNA 的內在能力，或者 DNA 受損的細胞無法存活。在修復過程中，損壞的鹼基、核苷酸或損壞部位周圍的短核苷酸鏈被移除，並且（使用相反的鏈作為模板）合成一段新的 DNA 並將其剪接到位。為了有效，DNA 修復必須在細胞分裂之前非常準確地發生，在突變傳播的機會之前。

臨床研究表明，在修復受損 DNA 的能力方面存在遺傳性缺陷的人經常會在幼年時患上癌症和/或發育異常（表 1）。這些例子提供了將 DNA 損傷的積累與人類疾病聯繫起來的有力證據。同樣，促進細胞增殖的藥物（如乙酸十四烷酰佛波醇）通常會增強致癌作用。對於這些化合物，腫瘤轉化的可能性增加可能是細胞進行充分 DNA 修復的可用時間減少的直接結果。

表 1. 似乎涉及 DNA 修復缺陷的遺傳性、易患癌症的疾病

綜合徵	症狀	細胞表型
共濟失調毛細血管擴張	神經功能惡化免疫缺陷淋巴瘤發病率高	對電離輻射和某些烷化劑過敏。受損 DNA 的複制失調（可能表明 DNA 修復時間縮短）
布魯姆綜合症	發育異常裸露皮膚上的損傷免疫系統和胃腸道腫瘤的高發率	染色體畸變頻率高與 DNA 修復相關的斷裂連接缺陷
範可尼的貧血症	生長遲緩白血病高發	對交聯劑過敏染色體畸變頻率高 DNA 交聯修復缺陷
遺傳性非息肉病性結腸癌	結腸癌發病率高	DNA 錯配修復缺陷（在復製過程中插入錯誤的核苷酸）
著色性乾皮病	皮膚暴露區域的上皮瘤發病率高神經功能障礙（在許多情況下）	對紫外線和許多化學致癌物過敏受損 DNA 的切除修復和/或複制缺陷

關於化學物質如何與 DNA 相互作用的最早理論可以追溯到開髮用於戰爭的芥子氣期間進行的研究。進一步的理解源於對抗癌劑的努力，這些抗癌劑可以選擇性地阻止快速分裂的腫瘤細胞的複制。公眾對我們環境中危害的日益關注促使人們進一步研究化學與遺傳物質相互作用的機制和後果。表 2 列出了具有遺傳毒性的各類化學品的示例。

表 2. 在人體細胞中表現出遺傳毒性的化學品示例

化學品類別	例	接觸源	可能的遺傳毒性病變
黃曲霉毒素	黃曲霉毒素B1	受污染的食物	大量 DNA 加合物
芳香胺	2-乙酰氨基芴	環境建議	大量 DNA 加合物
氮丙啶醌	絲裂黴素C	癌症化療	DNA 中的單加合物、鏈間交聯和單鏈斷裂。
氯化烴	氯乙烯	環境建議	DNA 中的單加合物
金屬和金屬化合物	順鉑	癌症化療	DNA 鏈內和鏈間交聯
	鎳化合物	環境建議	DNA 中的單加合物和單鏈斷裂
氮芥	環磷酰胺	癌症化療	DNA 中的單加合物和鏈間交聯
亞硝胺	N-亞硝基二甲胺	受污染的食物	DNA 中的單加合物
多環芳烴	苯並(a)芘	環境建議	大量 DNA 加合物

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免疫毒理學

免疫系統的功能是保護身體免受感染因子的侵襲，並對產生的腫瘤細胞進行免疫監視。它有一個非特異性的第一道防線，它本身可以啟動效應反應，還有一個獲得性特異性分支，其中淋巴細胞和抗體攜帶特異性識別和隨後對抗原的反應性。

免疫毒理學被定義為“研究由於異生素與免疫系統的相互作用而可能導致不良影響的事件的學科。這些不良事件可能是由於 (1) 異生素（和/或其生物轉化產物）對免疫系統的直接和/或間接影響，或 (2) 基於免疫學的宿主對化合物的反應和/或它的代謝物，或被化合物或其代謝物修飾的宿主抗原”（Berlin et al. 1987）。

當免疫系統充當化學損傷的被動目標時，結果可能會降低對感染和某些形式的腫瘤形成的抵抗力，或者會加劇過敏或自身免疫的免疫失調/刺激。在免疫系統對化合物修飾的外源性抗原或宿主抗原的抗原特異性作出反應的情況下，毒性可能表現為過敏或自身免疫性疾病。

研究化學誘導的免疫抑制的動物模型已經開發出來，其中一些方法已經過驗證（Burleson、Munson 和 Dean 1995 年；IPCS 1996 年）。出於測試目的，採用分層方法從大量可用的檢測中做出充分的選擇。一般來說，第一層的目標是識別潛在的免疫毒物。如果識別出潛在的免疫毒性，則進行第二層測試以進一步確認和表徵觀察到的變化。第三層調查包括對化合物作用機制的專門研究。在對實驗室動物進行的此類研究中，幾種異生素已被確定為免疫毒物，可引起免疫抑制。

關於環境化學品對人類免疫功能干擾的數據庫是有限的（Descotes 1986 年；NRC 免疫毒理學小組委員會 1992 年）。在研究這些化學物質對人類健康的影響的臨床和流行病學研究中，免疫毒性標記物的使用很少受到關注。此類研究並未經常進行，並且由於例如暴露的不受控制的性質，它們的解釋通常不允許得出明確的結論。因此，目前，囓齒類動物的免疫毒性評估，以及隨後對人類的外推，構成了有關危害和風險的決策基礎。

超敏反應，尤其是過敏性哮喘和接觸性皮炎，是工業化國家的重要職業健康問題（Vos、Younes 和 Smith，1995 年）。接觸致敏現象首先在豚鼠身上進行了研究（Andersen 和 Maibach 1985）。直到最近，這一直是預測測試的首選物種。有許多豚鼠試驗方法可用，最常用的是豚鼠最大化試驗和 Buehler 的封閉斑貼試驗。豚鼠試驗和在小鼠身上開發的新方法，如耳腫脹試驗和局部淋巴結試驗，為毒理學家提供了評估皮膚致敏危害的工具。關於呼吸道致敏的情況非常不同。儘管在豚鼠和小鼠身上研究化學呼吸道過敏的動物模型開發取得了進展，但目前還沒有經過充分驗證或廣泛接受的方法來鑑定化學呼吸道過敏原。

人類數據表明，化學試劑，尤其是藥物，會導致自身免疫性疾病（Kammüller、Bloksma 和 Seinen 1989）。有許多人類自身免疫性疾病的實驗動物模型。這包括自發性病理學（例如新西蘭黑小鼠的系統性紅斑狼瘡）和通過用交叉反應性自身抗原進行實驗免疫誘導的自身免疫現象（例如 Lewis 品系大鼠中的 H37Ra 佐劑誘導的關節炎）。這些模型應用於免疫抑製藥物的臨床前評價。很少有研究涉及這些模型在評估外源性物質是否會加劇誘導性或先天性自身免疫的潛力。實際上缺乏適合研究化學品誘發自身免疫性疾病能力的動物模型。一種在一定程度上使用的模型是小鼠膕窩淋巴結檢測。與人類的情況一樣，遺傳因素在實驗室動物自身免疫性疾病 (AD) 的發展中起著至關重要的作用，這將限制此類測試的預測價值。

免疫系統

免疫系統的主要功能是防禦細菌、病毒、寄生蟲、真菌和腫瘤細胞。這是通過各種細胞類型及其可溶性介質在微調音樂會中的作用來實現的。宿主防禦可大致分為非特異性或先天性抵抗和由淋巴細胞介導的特異性或獲得性免疫（Roitt、Brostoff 和 Male 1989）。

免疫系統的成分遍布全身（Jones 等人，1990 年）。淋巴細胞區室位於淋巴器官內（圖 1）。骨髓和胸腺被歸類為初級或中樞淋巴器官；次級或外周淋巴器官包括淋巴結、脾臟和分泌表面的淋巴組織，如胃腸道和呼吸道，即所謂的粘膜相關淋巴組織 (MALT)。人體大約一半的淋巴細胞在任何時候都位於 MALT 中。此外，皮膚是誘導對存在於皮膚上的抗原的免疫反應的重要器官。在此過程中重要的是具有抗原呈遞功能的表皮朗格漢斯細胞。

圖 1. 初級和次級淋巴器官和組織

單核細胞/巨噬細胞譜系的吞噬細胞，稱為單核吞噬細胞系統 (MPS)，存在於淋巴器官和結外部位；結外吞噬細胞包括肝臟中的枯否細胞、肺中的肺泡巨噬細胞、腎臟中的系膜巨噬細胞和腦中的神經膠質細胞。多形核白細胞 (PMN) 主要存在於血液和骨髓中，但會積聚在炎症部位。

非特異性防禦

抵禦微生物的第一道防線是物理和化學屏障，例如皮膚、呼吸道和消化道。這種屏障得到非特異性保護機制的幫助，包括吞噬細胞，例如能夠殺死病原體的巨噬細胞和多形核白細胞，以及能夠裂解腫瘤細胞和病毒感染細胞的自然殺傷細胞。補體系統和某些微生物抑製劑（如溶菌酶）也參與非特異性反應。

特異性免疫

宿主與病原體初次接觸後，會引發特異性免疫反應。第二道防線的標誌是 B 淋巴細胞和 T 淋巴細胞表面的受體對病原體的決定簇（所謂的抗原或表位）進行特異性識別。在與特定抗原相互作用後，攜帶受體的細胞被刺激進行增殖和分化，產生對引發抗原具有特異性的後代細胞克隆。特異性免疫反應通過刺激非特異性反應的功效來幫助對病原體進行非特異性防禦。特異性免疫的一個基本特徵是記憶的發展。與相同抗原的二次接觸會引發更快、更強烈但調節良好的反應。

基因組沒有能力攜帶足以識別可能遇到的抗原數量的抗原受體陣列的代碼。特異性庫通過基因重排的過程而發展。這是一個隨機的過程，在這個過程中會產生各種特殊性。這包括自我組件的特殊性，這是不希望的。在胸腺（T 細胞）或骨髓（B 細胞）中發生的選擇過程會刪除這些不需要的特異性。

正常的免疫效應子功能和免疫反應的穩態調節取決於多種可溶性產物，統稱為細胞因子，由淋巴細胞和其他細胞類型合成和分泌。細胞因子對免疫和炎症反應具有多效性。免疫反應需要不同細胞群之間的合作——抗體反應的調節、免疫細胞和分子在炎症部位的積累、急性期反應的啟動、巨噬細胞細胞毒性功能的控制以及許多其他對宿主抵抗至關重要的過程. 這些受到單獨或協同作用的細胞因子的影響，並且在許多情況下依賴於這些細胞因子。

識別特異性免疫的兩個分支——體液免疫和細胞介導或細胞免疫：

體液免疫. 在體液臂中，B 淋巴細胞在細胞表面受體識別抗原後受到刺激。 B 淋巴細胞上的抗原受體是免疫球蛋白 (Ig)。成熟的 B 細胞（漿細胞）開始產生抗原特異性免疫球蛋白，這些免疫球蛋白在血清或粘膜表面充當抗體。免疫球蛋白主要有五類：（1）IgM，具有最佳凝集能力的五聚體Ig，在抗原刺激後首先產生； (2) IgG，循環中的主要Ig，可通過胎盤； (3) IgA，用於保護粘膜表面的分泌型Ig； (4) IgE，固定在參與速髮型超敏反應的肥大細胞或嗜鹼性粒細胞的 Ig 和 (5) IgD，其主要功能是作為 B 淋巴細胞上的受體。

細胞免疫. 特定免疫系統的細胞臂由 T 淋巴細胞介導。這些細胞的膜上也有抗原受體。如果抗原呈遞細胞在組織相容性抗原的背景下呈遞，它們就會識別抗原。因此，這些細胞除了抗原特異性外還有限制。 T 細胞作為各種（包括體液）免疫反應的輔助細胞，介導炎症細胞的募集，並且可以作為細胞毒性 T 細胞，在抗原特異性識別後殺死靶細胞。

免疫毒性機制

免疫抑制

有效的宿主抵抗力取決於免疫系統的功能完整性，這反過來又要求協調免疫反應的組成細胞和分子有足夠的數量和可操作的形式。人類先天性免疫缺陷通常以某些幹細胞系缺陷為特徵，導致免疫細胞生成受損或缺失。與先天性和後天性人類免疫缺陷病類比，化學誘導的免疫抑制可能僅由功能細胞數量減少引起（國際化學品安全方案，1996 年）。淋巴細胞的缺失或數量減少可能或多或少對免疫狀態產生深遠影響。一些免疫缺陷狀態和嚴重的免疫抑制，如可能發生在移植或細胞抑制治療中，特別與機會性感染和某些腫瘤疾病的發病率增加有關。感染可以是細菌、病毒、真菌或原生動物，主要的感染類型取決於相關的免疫缺陷。暴露於免疫抑制環境化學物質可能會導致更微妙的免疫抑制形式，這可能難以檢測。例如，這些可能導致流感或普通感冒等感染的發生率增加。

鑑於免疫系統的複雜性，種類繁多的細胞、介質和功能形成了一個複雜且相互作用的網絡，免疫毒性化合物有無數機會發揮作用。雖然許多免疫毒性化學物質引起的初始損傷的性質尚未闡明，但有關導致免疫功能抑制的免疫生物學變化的可用信息越來越多，主要來自實驗室動物研究（Dean 等人，1994 年） . 毒性作用可能發生在以下關鍵功能上（並且給出了一些影響這些功能的免疫毒性化合物的例子）：

不同幹細胞群的發育和擴增（苯在幹細胞水平發揮免疫毒性作用，導致淋巴細胞減少）
各種淋巴細胞和骨髓細胞以及這些細胞在其中成熟和發揮作用的支持組織的增殖（免疫毒性有機錫化合物通過直接細胞毒性抑制胸腺皮質中淋巴細胞的增殖活性；2,3,7,8-四氯的胸腺毒性作用-二苯並二噁英 (TCDD) 和相關化合物可能是由於胸腺上皮細胞的功能受損，而不是對胸腺細胞的直接毒性）
巨噬細胞和其他抗原呈遞細胞對抗原的攝取、加工和呈遞（7,12-二甲基苯並（a）蒽 (DMBA) 和鉛的目標之一是巨噬細胞的抗原呈遞；紫外線輻射的目標是抗原-呈現朗格漢斯細胞）
T 輔助細胞和 T 抑制細胞的調節功能（有機錫、涕滅威、多氯聯苯 (PCB)、TCDD 和 DMBA 會損害 T 輔助細胞功能；低劑量環磷酰胺治療會降低 T 抑制細胞功能）
各種細胞因子或白細胞介素的產生（苯並 (a) 芘 (BP) 抑制白細胞介素 1 的產生；紫外線輻射改變角質形成細胞細胞因子的產生）
多氯聯苯和氧化三丁基錫 (TBT) 處理後，各類免疫球蛋白 IgM 和 IgG 的合成受到抑制，而暴露於六氯苯 (HCB) 後則增加）。
補體調節和激活（受 TCDD 影響）
細胞毒性 T 細胞功能（3-甲基膽蒽 (3-MC)、DMBA 和 TCDD 抑制細胞毒性 T 細胞活性）
自然殺傷 (NK) 細胞功能（肺部 NK 活性受臭氧抑制；脾臟 NK 活性受鎳影響）
巨噬細胞和多形核白細胞的趨化性和細胞毒性功能（臭氧和二氧化氮會損害肺泡巨噬細胞的吞噬活性）。

過敏

過敏可定義為由特定免疫反應的誘導和引發引起的不良健康影響。當超敏反應在沒有免疫系統參與的情況下發生時，術語 假性過敏 用來。在免疫毒理學的背景下，過敏是由對感興趣的化學品和藥物的特定免疫反應引起的。化學物質使個體致敏的能力通常與其與身體蛋白質共價結合的能力有關。過敏反應可能有多種形式，這些形式在潛在的免疫機制和反應速度方面各不相同。四種主要類型的變態反應已被確認： I 型超敏反應，由 IgE 抗體引起，並且在接觸致敏個體後數分鐘內出現症狀。 II 型超敏反應是由抗體對宿主細胞的損傷或破壞引起的。在這種情況下，症狀會在數小時內變得明顯。 III 型超敏反應或 Arthus 反應也是抗體介導的，但針對可溶性抗原，由免疫複合物的局部或全身作用引起。 IV 型或遲髮型超敏反應受 T 淋巴細胞影響，通常症狀會在致敏個體接觸後 24 至 48 小時出現。

與職業健康最相關的兩種化學過敏是接觸敏感性或皮膚過敏和呼吸道過敏。

接觸超敏反應. 大量化學物質能夠引起皮膚過敏。在易感個體局部接觸化學過敏原後，在引流淋巴結中誘導 T 淋巴細胞反應。在皮膚中，過敏原直接或間接與表皮朗格漢斯細胞相互作用，後者將化學物質輸送到淋巴結，並將其以免疫原性形式呈遞給反應性 T 淋巴細胞。過敏原激活的 T 淋巴細胞增殖，導致克隆擴增。個人現在已經變得敏感，並且會對第二次皮膚接觸相同的化學物質產生更積極的免疫反應，從而導致過敏性接觸性皮炎。以過敏性接觸性皮炎為特徵的皮膚炎症反應繼發於特定 T 淋巴細胞對皮膚中過敏原的識別。這些淋巴細胞被激活，釋放細胞因子並引起其他單核白細胞的局部積聚。過敏個體在暴露後約 24 至 48 小時出現症狀，因此過敏性接觸性皮炎代表一種遲髮型超敏反應。過敏性接觸性皮炎的常見原因包括有機化學品（如 2,4-二硝基氯苯）、金屬（如鎳和鉻）和植物產品（如毒藤中的漆酚）。

呼吸過敏. 呼吸超敏反應通常被認為是 I 型超敏反應。然而，晚期反應和與哮喘相關的更慢性症狀可能涉及細胞介導的（IV 型）免疫過程。與呼吸道變態反應相關的急性症狀受 IgE 抗體的影響，IgE 抗體的產生是在易感個體暴露於誘導性化學變應原後引起的。 IgE 抗體全身分佈並通過膜受體結合到血管化組織（包括呼吸道）中的肥大細胞。吸入相同的化學物質後會引起呼吸超敏反應。過敏原與蛋白質結合，並與結合肥大細胞的 IgE 抗體結合併交聯。這反過來會導致肥大細胞脫顆粒和炎症介質（如組胺和白三烯）的釋放。此類介質引起支氣管收縮和血管擴張，導致呼吸道過敏症狀；哮喘和/或鼻炎。已知會引起人類呼吸過敏的化學物質包括酸酐（如偏苯三酸酐）、一些二異氰酸酯（如甲苯二異氰酸酯）、鉑鹽和一些活性染料。此外，已知長期接觸鈹會導致過敏性肺病。

自身免疫

自身免疫 可以定義為針對內源性“自身”抗原的特定免疫反應的刺激。誘導性自身免疫可由調節性 T 淋巴細胞平衡的改變或由異生素與正常組織成分的結合引起，例如使它們具有免疫原性（“改變的自我”）。已知會在易感個體中偶然誘發或加劇自身免疫性疾病 (AD) 等影響的藥物和化學品是低分子量化合物（分子量 100 至 500），通常認為它們本身不具有免疫原性。化學暴露導致 AD 的機制大多是未知的。疾病可以通過循環抗體直接產生，通過免疫複合物的形成間接產生，或作為細胞介導免疫的結果，但很可能通過多種機制的組合發生。發病機制在藥物引起的免疫性溶血病症中最為人所知：

該藥物可以附著在紅細胞膜上並與藥物特異性抗體相互作用。
該藥物可以改變紅細胞膜，使免疫系統將細胞視為外來細胞。
該藥物及其特異性抗體形成免疫複合物，粘附在紅細胞膜上產生損傷。
紅細胞致敏是由於紅細胞自身抗體的產生而發生的。

已發現多種化學品和藥物，尤其是後者，可誘導自身免疫樣反應（Kamüller、Bloksma 和 Seinen 1989）。職業接觸化學品可能會偶然導致 AD 樣綜合症。接觸單體氯乙烯、三氯乙烯、全氯乙烯、環氧樹脂和二氧化矽粉塵可能會誘發硬皮病樣綜合症。在接觸肼後，描述了一種類似於系統性紅斑狼瘡 (SLE) 的綜合徵。接觸甲苯二異氰酸酯與血小板減少性紫癜的誘發有關。某些免疫複合物腎小球腎炎病例與汞等重金屬有關。

人力風險評估

人體免疫狀態的評估主要使用外周血來分析免疫球蛋白和補體等體液物質，以及血液白細胞的亞群組成和功能。這些方法通常與用於研究疑似先天性免疫缺陷病患者的體液免疫和細胞免疫以及非特異性耐藥性的方法相同。對於流行病學研究（例如，職業暴露人群），應根據其在人群中的預測價值、經過驗證的動物模型和標記物的基礎生物學來選擇參數（見表 1）。在（意外）接觸環境污染物或其他有毒物質後篩查免疫毒性作用的策略在很大程度上取決於情況，例如預期的免疫缺陷類型、接觸和免疫狀態評估之間的時間、接觸程度和接觸個體的數量。評估人類特定異種生物的免疫毒性風險的過程極其困難，而且通常是不可能的，這主要是由於存在影響個體對毒性損傷反應的內源性或外源性各種混雜因素。對於調查化學暴露在自身免疫性疾病中的作用的研究尤其如此，在這些疾病中，遺傳因素起著至關重要的作用。

表 1. 免疫標誌物檢測分類

測試類別	特徵：	具體測試
基本-一般應包含在通用面板中	一般健康和器官系統狀態指標	血尿素氮、血糖等
基礎免疫應包含在通用面板中	免疫狀態的一般指標成本相對較低化驗方法在實驗室之間標準化超出參考範圍的結果具有臨床可解釋性	全血細胞計數血清 IgG、IgA、IgM 水平主要淋巴細胞亞群的表面標記表型
專注/反射當臨床發現、疑似暴露或先前測試結果表明需要時，應包括在內	特定免疫功能/事件的指標成本各不相同化驗方法在實驗室之間標準化超出參考範圍的結果具有臨床可解釋性	組織相容性基因型傳染性病原體抗體血清總 IgE 過敏原特異性 IgE 自身抗體超敏反應的皮膚測試粒細胞氧化爆發組織病理學（組織活檢）
詳細介紹應僅包含在對照人群和仔細的研究設計中	一般或特定免疫功能/事件的指標成本各不相同；通常很貴化驗方法在實驗室之間通常沒有標準化超出參考範圍的結果通常無法進行臨床解釋	體外刺激試驗細胞活化表面標誌物細胞因子血清濃度克隆性測定（抗體、細胞、遺傳）細胞毒性試驗

由於很少有足夠的人類數據，因此在大多數情況下，對人類化學誘導的免疫抑制風險的評估是基於動物研究。潛在的免疫毒性異生素的鑑定主要是在囓齒動物的對照研究中進行的。在這方面，體內暴露研究提出了估計化合物免疫毒性潛力的最佳方法。這是由於免疫系統和免疫反應的多因素和復雜性質。體外研究在闡明免疫毒性機制方面具有越來越大的價值。此外，通過使用動物和人類來源的細胞研究化合物的作用，可以生成用於物種比較的數據，這些數據可用於“平行四邊形”方法以改進風險評估過程。如果平行四邊形的三個基石（體內動物、體外動物和人類）的數據可用，則可能更容易預測剩餘基石的結果，即人類的風險。

當化學誘導的免疫抑制風險評估必須完全依賴動物研究的數據時，可以通過將不確定因素應用於未觀察到的不良反應水平（NOAEL）來推斷人類的方法。該水平可以基於相關模型中確定的參數，例如宿主抗性測定和超敏反應和抗體產生的體內評估。理想情況下，這種方法與風險評估的相關性需要通過人體研究來確認。此類研究應結合毒物的鑑定和測量、流行病學數據和免疫狀態評估。

為了預測接觸性超敏反應，可以使用豚鼠模型，並且自 1970 年代以來一直用於風險評估。儘管敏感且可重複，但這些測試有局限性，因為它們依賴於主觀評估；這可以通過在鼠標中開發的更新和更定量的方法來克服。關於吸入或攝入過敏原引起的化學過敏，應根據其在人體中的預測價值開發和評估測試。在設定潛在過敏原的安全職業暴露水平時，必須考慮過敏的雙相性質：致敏階段和誘發階段。在先前致敏的個體中引起過敏反應所需的濃度遠低於在未免疫但易感的個體中引起致敏所需的濃度。

由於幾乎缺乏預測化學誘導的自身免疫的動物模型，因此應重點開發此類模型。為了開發此類模型，我們應該提高對化學誘導的人類自身免疫的了解，包括研究遺傳和免疫系統標記以識別易感個體。暴露於誘導自身免疫的藥物的人類提供了這樣的機會。

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週日，一月16 2011：18 43

靶器官毒理學

化學品和其他試劑的毒性研究和表徵通常是在特定器官和器官系統的基礎上進行的。在本章中，選擇了兩個目標進行深入討論：免疫系統和基因。選擇這些示例來代表複雜的目標器官系統和細胞內的分子目標。對於目標器官毒理學的更全面討論，讀者可以參考標準毒理學教科書，例如 Casarett 和 Doull，以及 Hayes。國際化學品安全計劃 (IPCS) 還發布了若干關於器官系統目標器官毒理學的標准文件。

目標器官毒理學研究通常根據表明物質特定毒性作用的潛在信息進行，這些信息來自流行病學數據或一般急性或慢性毒性研究，或基於保護某些器官功能的特殊關注，例如作為生殖或胎兒發育。在某些情況下，法定機構明確要求進行特定目標器官毒性試驗，例如根據美國農藥法進行的神經毒性試驗（參見“美國對生殖毒物和神經毒劑進行風險評估的方法”，以及根據日本化學品法進行的致突變性試驗物質控制法（參見“危害識別原則：日本方法”）。

正如“靶器官和關鍵效應”中所討論的，關鍵器官的識別是基於對首先產生不良反應或對最低劑量或暴露有不良反應的器官或器官系統的檢測。然後，此信息用於設計特定的毒理學研究或更明確的毒性測試，這些測試旨在引發目標器官中更敏感的中毒跡象。靶器官毒理學研究也可用於確定作用機制，用於風險評估（參見“美國對生殖毒物和神經毒劑進行風險評估的方法”）。

靶器官毒性研究方法

可以通過暴露完整的生物體並詳細分析目標器官的功能和組織病理學，或通過體外暴露細胞、組織切片或短期或長期培養的整個器官來研究目標器官（參見“Mechanisms of毒理學：簡介和概念”）。在某些情況下，人類受試者的組織也可用於靶器官毒性研究，這些可能提供驗證跨物種外推假設的機會。但是，必須記住，此類研究不提供有關毒代動力學的相關信息。

一般而言，靶器官毒性研究具有以下共同特徵：對靶器官進行詳細的組織病理學檢查，包括屍檢、組織重量和固定組織檢查；目標器官中關鍵通路的生化研究，例如重要的酶系統；器官和細胞成分執行預期代謝和其他功能的能力的功能研究；目標器官細胞暴露和早期影響的生物標誌物分析。

目標器官生理學、生物化學和分子生物學的詳細知識可以納入目標器官研究。例如，由於小分子量蛋白質的合成和分泌是腎功能的一個重要方面，腎毒性研究通常包括對這些參數的特別關注（IPCS 1991）。因為細胞間通訊是神經系統功能的一個基本過程，神經毒性的靶器官研究可能包括神經遞質合成、攝取、儲存、釋放和受體結合的詳細神經化學和生物物理測量，以及膜變化的電生理測量與這些事件相關的潛力。

高度重視靶器官毒性的體外方法的開發，以替代或減少對整隻動物的使用。這些方法在處理生殖毒物方面取得了實質性進展（Heindel 和 Chapin，1993 年）。

總之，靶器官毒性研究通常作為確定毒性的高級試驗進行。進一步評估的具體目標器官的選擇取決於篩選水平測試的結果，例如經合組織和歐盟使用的急性或亞慢性測試；出於對防止某些類型的不利健康影響的考慮，一些目標器官和器官系統可能是特別調查的先驗候選對象。

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生物標誌物

字 生物標誌物 是 biological marker 的縮寫，該術語指的是發生在生物系統（例如人體）中的可測量事件。然後，該事件被解釋為有機體或預期壽命的更一般狀態的反映或標記。在職業健康中，生物標誌物通常被用作健康狀況或疾病風險的指標。

生物標誌物用於可能包括人類的體外和體內研究。通常，確定了三種特定類型的生物標記。儘管一些生物標誌物可能難以分類，但通常將它們分為暴露生物標誌物、效應生物標誌物或易感性生物標誌物（見表 1）。

表 1. 職業健康毒理學研究中使用的暴露生物標誌物或影響生物標誌物示例

樣本	測量	目的
暴露生物標誌物
脂肪組織	二噁英	二噁英暴露
血	鉛	鉛接觸
骨	鋁	鋁暴露
呼出一口氣	甲苯	接觸甲苯
美髮護理	水星	甲基汞暴露
精華	苯	苯暴露
尿	苯酚	苯暴露
效應生物標誌物
血	碳氧血紅蛋白	一氧化碳暴露
紅細胞	鋅原卟啉	鉛接觸
精華	膽鹼酯酶	接觸有機磷
尿	微球蛋白	腎毒性暴露
白血細胞	DNA加合物	誘變劑暴露

給定可接受的有效性程度，生物標誌物可用於多種目的。在個體基礎上，生物標誌物可用於支持或反駁特定類型的中毒或其他化學引起的不良反應的診斷。在健康受試者中，生物標誌物還可以反映個體對特定化學物質暴露的過敏性，因此可以作為風險預測和諮詢的基礎。在暴露的工人群體中，可以應用一些暴露生物標誌物來評估對污染減排法規的遵守程度或一般預防工作的有效性。

暴露的生物標誌物

暴露生物標誌物可以是體內的外源性化合物（或代謝物）、化合物（或代謝物）與內源性成分之間的相互作用產物，或與暴露相關的其他事件。最常見的是，暴露於穩定化合物（例如金屬）的生物標誌物包括對適當樣品（例如血液、血清或尿液）中金屬濃度的測量。對於揮發性化學品，可以評估它們在呼出氣中的濃度（吸入無污染空氣後）。如果化合物在體內代謝，可選擇一種或多種代謝物作為暴露的生物標誌物；代謝物通常在尿樣中測定。

現代分析方法可以分離有機化合物的異構體或同系物，以及確定金屬化合物的形態或某些元素的同位素比率。複雜的分析可以確定因與反應性化學物質結合而引起的 DNA 或其他大分子結構的變化。此類先進技術無疑將在生物標誌物研究中的應用中獲得相當大的重要性，並且較低的檢測限和更好的分析有效性可能會使這些生物標誌物更加有用。

暴露於致突變化學品的生物標誌物出現了特別有前途的發展。這些化合物具有反應性，可與蛋白質或 DNA 等大分子形成加合物。可在白細胞或組織活檢中檢測到 DNA 加合物，特定的 DNA 片段可從尿液中排出。例如，暴露於環氧乙烷會導致與 DNA 鹼基發生反應，並且在切除受損鹼基後，N-7-(2-羥乙基)鳥嘌呤會從尿液中消失。一些加合物可能不直接指特定的暴露。例如，8-hydroxy-2'-deoxyguanosine 反映了 DNA 的氧化損傷，這種反應可能由幾種化合物觸發，其中大部分也會誘導脂質過氧化。

其他大分子也可能因加合物形成或氧化而發生變化。特別令人感興趣的是，此類反應性化合物可能會產生血紅蛋白加合物，可將其確定為暴露於這些化合物的生物標誌物。優點是可以從血液樣本中獲得大量的血紅蛋白，並且考慮到紅細胞的四個月壽命，與蛋白質氨基酸形成的加合物將表明在此期間的總暴露量。

加合物可通過高效脂質色譜等靈敏技術測定，也可使用一些免疫學方法。一般來說，分析方法是新的、昂貴的，需要進一步開發和驗證。更好的靈敏度可以通過使用獲得 ³²P 標記後測定，這是發生 DNA 損傷的非特異性指示。所有這些技術都可能對生物監測有用，並已應用於越來越多的研究中。然而，需要更簡單和更靈敏的分析方法。鑑於某些方法在低水平暴露下的特異性有限，吸煙或其他因素可能會對測量結果產生重大影響，從而造成解釋困難。

暴露於致突變化合物，或暴露於代謝成誘變劑的化合物，也可以通過評估來自暴露個體的尿液的致突變性來確定。尿液樣本與一株細菌一起孵育，其中特定點突變以易於測量的方式表達。如果尿液樣本中存在致突變化學物質，那麼細菌的突變率就會增加。

必鬚根據暴露的時間變化和與不同隔間的關係來評估暴露生物標誌物。因此，生物標誌物代表的時間範圍，即生物標誌物測量反映過去暴露和/或累積身體負荷的程度，必鬚根據毒代動力學數據確定，以便解釋結果。特別是，應考慮生物標誌物指示在特定目標器官中保留的程度。儘管血液樣本通常用於生物標誌物研究，但外周血通常不被視為隔室，儘管它充當隔室之間的傳輸介質。血液中濃度反映不同器官水平的程度因不同化學物質而異，通常還取決於接觸時間的長短以及接觸後的時間。

有時，此類證據用於將生物標誌物分類為（總）吸收劑量指標或有效劑量指標（即已到達靶組織的量）。例如，可以根據暴露後特定時間血液中溶劑的實際濃度數據來評估對特定溶劑的暴露。該測量值將反映已被吸收到體內的溶劑量。由於溶劑的蒸氣壓，一些被吸收的量將被呼出。在血液中循環時，溶劑會與身體的各種成分相互作用，最終會被酶分解。代謝過程的結果可以通過確定與穀胱甘肽結合產生的特定硫醇尿酸來評估。硫醇尿酸的累積排泄可能比血藥濃度更好地反映有效劑量。

生命事件，例如繁殖和衰老，可能會影響化學物質的分佈。懷孕會顯著影響化學物質在體內的分佈，許多化學物質可能會通過胎盤屏障，從而導致胎兒暴露。哺乳可能會導致脂溶性化學物質的排泄，從而導致母親體內的保留減少以及嬰兒的吸收增加。在體重減輕或骨質疏鬆症發展過程中，儲存的化學物質可能會被釋放，然後可能導致目標器官重新和長期的“內源性”暴露。其他因素可能會影響化合物的個體吸收、代謝、保留和分佈，並且可以使用一些易感性生物標誌物（見下文）。

效應生物標誌物

影響標記可以是內源性成分，或功能能力的量度，或受暴露影響的身體或器官系統狀態或平衡的一些其他指標。此類效應標記物通常是異常的臨床前指標。

這些生物標誌物可能是特異性的或非特異性的。特定的生物標誌物是有用的，因為它們表明特定暴露的生物學效應，從而提供可用於預防目的的證據。非特異性生物標誌物不指向影響的個別原因，但它們可能反映由於混合暴露引起的總體綜合影響。因此，兩種類型的生物標誌物都可能在職業健康方面具有相當大的用途。

暴露生物標誌物和效應生物標誌物之間沒有明確的區別。例如，可以說加合物的形成反映了一種影響而不是暴露。然而，效應生物標誌物通常指示細胞、組織或全身功能的變化。一些研究人員將總體變化作為影響的生物標誌物，例如暴露的實驗動物肝臟重量增加或兒童生長減慢。出於職業健康的目的，效應生物標誌物應限於那些指示亞臨床或可逆生化變化的生物標誌物，例如酶的抑制。最常用的效應生物標誌物可能是由某些殺蟲劑（即有機磷和氨基甲酸酯）引起的膽鹼酯酶抑制。在大多數情況下，這種影響是完全可逆的，酶抑制反映了對這組特定殺蟲劑的總暴露。

一些暴露不會導致酶抑制，而是導致酶活性增加。屬於 P450 家族的幾種酶就是這種情況（參見“毒性反應的遺傳決定因素”）。它們可能是由暴露於某些溶劑和多環芳烴 (PAH) 引起的。由於這些酶主要在難以獲得活組織檢查的組織中表達，因此在體內通過施用由該特定酶代謝的化合物間接測定酶活性，然後測量尿液或血漿中的分解產物。

其他接觸可能會誘導體內保護性蛋白質的合成。最好的例子可能是金屬硫蛋白，它結合鎘並促進這種金屬的排泄；鎘暴露是導致金屬硫蛋白基因表達增加的因素之一。類似的保護性蛋白質可能存在，但尚未得到充分探索以被接受為生物標誌物。在可能用作生物標誌物的候選者中，有所謂的應激蛋白，最初稱為熱休克蛋白。這些蛋白質由一系列不同的生物體響應各種不利暴露而產生。

氧化損傷可以通過測定血清中丙二醛的濃度或乙烷的呼出量來評估。同樣，尿液中小分子量蛋白質的排泄，如白蛋白，可作為早期腎損傷的生物標誌物。臨床實踐中常規使用的幾個參數（例如，血清激素或酶水平）也可用作生物標誌物。然而，這些參數中的許多參數可能不夠靈敏，無法檢測早期損傷。

另一組效應參數與遺傳毒性效應（染色體結構的變化）有關。這種影響可以通過對經歷細胞分裂的白細胞進行顯微鏡檢查來檢測。在顯微鏡下可以看到染色體的嚴重損傷——染色體畸變或微核形成。也可以通過在細胞分裂過程中向細胞中添加染料來揭示損傷。然後可以將暴露於基因毒劑可視化為每條染色體的兩個染色單體之間的染料交換增加（姐妹染色單體交換）。染色體畸變與患癌症的風險增加有關，但姐妹染色單體交換率增加的意義尚不清楚。

更複雜的遺傳毒性評估是基於體細胞中的特定點突變，即從口腔粘膜獲得的白細胞或上皮細胞。特定位點的突變可能使細胞能夠在含有其他有毒化學物質（例如 6-硫鳥嘌呤）的培養物中生長。或者，可以評估特定基因產物（例如，由特定致癌基因編碼的致癌蛋白的血清或組織濃度）。顯然，這些突變反映了發生的總遺傳毒性損害，並不一定表明任何有關致病暴露的信息。這些方法尚未準備好實際用於職業健康，但這一研究領域的快速進展表明這些方法將在幾年內可用。

易感性生物標誌物

易感性標記，無論是遺傳的還是誘導的，都是個體對異生素的作用或一組此類化合物的作用特別敏感的指標。大多數注意力都集中在遺傳易感性上，儘管其他因素可能至少同樣重要。過敏可能是由於遺傳特徵、個體體質或環境因素造成的。

代謝某些化學物質的能力是可變的並且由基因決定（參見“毒性反應的遺傳決定因素”）。幾種相關的酶似乎受單個基因控制。例如，外來化學物質的氧化主要是由屬於 P450 家族的酶家族進行的。其他酶通過結合使代謝物更易溶於水（例如，N-乙酰轉移酶和μ-穀胱甘肽-S-轉移酶）。這些酶的活性受基因控制並且變化很大。如上所述，可以通過給予小劑量藥物然後測定尿液中代謝物的量來測定活性。現在已經對一些基因進行了表徵，並且可以使用技術來確定基因型。重要研究表明，發生某些癌症形式的風險與代謝外來化合物的能力有關。許多問題仍未得到解答，因此目前限制了這些潛在的易感性生物標誌物在職業健康中的使用。

其他遺傳特徵，例如 alpha₁-抗胰蛋白酶缺乏症或葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏症，也會導致體內防禦機制缺陷，從而導致對某些暴露的過敏反應。

大多數與易感性相關的研究都涉及遺傳易感性。其他因素也發揮了作用，但部分被忽視了。例如，患有慢性病的人可能對職業暴露更敏感。此外，如果疾病過程或之前接觸有毒化學物質導致了一些亞臨床器官損傷，那麼承受新的有毒物質接觸的能力可能會降低。在這種情況下，器官功能的生化指標可以用作易感性生物標誌物。也許關於過敏的最好例子與過敏反應有關。如果一個人對特定的接觸變得敏感，那麼可以在血清中檢測到特異性抗體。即使個人沒有變得敏感，其他當前或過去的接觸也可能增加產生與職業接觸相關的不利影響的風險。

一個主要問題是確定工作中混合暴露的聯合效應。此外，個人習慣和藥物使用可能導致易感性增加。例如，煙草煙霧通常含有大量的鎘。因此，由於職業接觸鎘，體內積累了大量這種金屬的重度吸煙者患上與鎘相關的腎臟疾病的風險會增加。

職業健康應用

生物標誌物在毒理學研究中非常有用，許多可能適用於生物監測。儘管如此，也必須承認其局限性。迄今為止，許多生物標誌物僅在實驗室動物中進行過研究。其他物種的毒代動力學模式可能不一定反映人類的情況，外推可能需要對人類誌願者進行驗證性研究。此外，必須考慮由於遺傳或體質因素導致的個體差異。

在某些情況下，暴露生物標誌物可能根本不可行（例如，對於在體內壽命短的化學品）。其他化學物質可能儲存在或可能影響常規程序無法接觸到的器官，例如神經系統。暴露途徑也可能影響分佈模式，因此也會影響生物標誌物的測量及其解釋。例如，通過嗅覺神經直接暴露大腦很可能逃避暴露生物標誌物測量的檢測。至於影響生物標誌物，其中許多根本不是特異性的，變化可能是由多種原因引起的，包括生活方式因素。也許特別是對於易感性生物標誌物，目前解釋必須非常謹慎，因為個體基因型的整體健康意義仍然存在許多不確定性。

在職業健康領域，理想的生物標誌物應該滿足幾個要求。首先，樣本採集和分析必須簡單可靠。為獲得最佳分析質量，需要標準化，但具體要求差異很大。主要關注領域包括：個體準備、採樣程序和样品處理以及測量程序；後者包括技術因素，例如校準和質量保證程序，以及與個人相關的因素，例如操作員的教育和培訓。

對於分析有效性和可追溯性的文件，參考材料應基於相關基質，並含有適當濃度的有毒物質或適當水平的相關代謝物。對於用於生物監測或診斷目的的生物標誌物，負責的實驗室必須有詳細記錄的分析程序和明確的性能特徵，以及可訪問的記錄以驗證結果。儘管如此，與此同時，必須考慮表徵和使用參考材料來補充一般質量保證程序的經濟性。因此，可實現的結果質量及其用途必須與質量保證的額外成本（包括參考材料、人力和儀器）相平衡。

另一個要求是生物標誌物應該是特定的，至少在研究的情況下，對於特定類型的暴露，與暴露程度有明確的關係。否則，生物標誌物測量的結果可能很難解釋。為了正確解釋暴露生物標誌物的測量結果，必須知道診斷有效性（即，將生物標誌物值轉化為可能的健康風險的大小）。在這一領域，金屬作為生物標誌物研究的範例。最近的研究證明了劑量反應關係的複雜性和微妙性，很難確定無影響水平，因此也很難確定可耐受的暴露量。然而，這種研究也說明了發現相關信息所必需的調查類型和細化。對於大多數有機化合物，暴露與相應的不良健康影響之間的定量關聯尚不可用；在許多情況下，甚至連主要靶器官都不確定。此外，毒性數據和生物標誌物濃度的評估通常因接觸物質混合物而變得複雜，而不是同時接觸單一化合物。

在將生物標誌物用於職業健康目的之前，需要考慮一些額外的因素。首先，生物標誌物必須僅反映亞臨床和可逆變化。其次，鑑於生物標誌物的結果可以解釋為健康風險，那麼預防措施應該是可用的，並且在生物標誌物數據表明需要減少暴露的情況下應該被認為是現實的。第三，生物標誌物的實際使用必須被普遍認為是倫理上可接受的。

可以將工業衛生測量值與適用的暴露限值進行比較。同樣，可以將暴露生物標誌物或效應生物標誌物的結果與生物作用限值（有時稱為生物暴露指數）進行比較。此類限制應基於來自適當學科的臨床醫生和科學家的最佳建議，而作為“風險管理者”的負責任的管理者則應考慮相關的倫理、社會、文化和經濟因素。如果可能，科學依據應包括劑量反應關係，並輔之以風險人群中易感性變化的信息。在一些國家，工作人員和公眾成員參與標準制定過程並提供重要的投入，尤其是在科學不確定性很大的情況下。主要的不確定性之一是如何定義應該預防的不良健康影響——例如，作為暴露生物標誌物的加合物形成本身是否代表應該預防的不良影響（即效應生物標誌物）。在決定是否在倫理上站得住腳時，可能會出現一些難題，對於同一化合物，一方面對偶然暴露有不同的限制，另一方面對職業暴露有不同的限制。

通過使用生物標誌物產生的信息通常應傳達給在醫患關係中接受檢查的個人。必須特別考慮與目前無法根據實際健康風險進行詳細解釋的高度實驗性生物標誌物分析相關的倫理問題。例如，對於一般人群，目前對除血鉛濃度以外的暴露生物標誌物的解釋存在有限的指導。同樣重要的是對生成的數據的信心（即是否進行了適當的採樣，以及是否在相關實驗室中使用了健全的質量保證程序）。另一個特別令人擔憂的領域與個人過敏有關。在提供研究反饋時必須考慮這些問題。

受生物標誌物研究影響或與開展生物標誌物研究有關的所有社會部門都需要參與有關如何處理研究產生的信息的決策過程。應在該地區或國家的法律和社會框架內製定防止或克服不可避免的道德衝突的具體程序。然而，每種情況都代表一組不同的問題和陷阱，並且無法開發出單一的公眾參與程序來涵蓋暴露生物標誌物的所有應用。

出版於毒理學測試方法

週日，一月16 2011：18 49

遺傳毒性評估

遺傳毒性評估是評估藥物在遺傳物質 (DNA) 中誘導三種一般類型變化（突變）中任何一種的能力：基因、染色體和基因組。在人類等生物體中，基因由 DNA 組成，DNA 由稱為核苷酸鹼基的單個單元組成。這些基因排列在稱為染色體的離散物理結構中。遺傳毒性會對人類健康造成重大且不可逆轉的影響。基因毒性損傷是誘發癌症的關鍵步驟，也可能與誘發出生缺陷和胎兒死亡有關。上述三類突變可以發生在生物體（例如人類）所擁有的兩種組織中的任何一種中：精子或卵子（生殖細胞）和剩餘組織（體細胞）。

測量基因突變的分析是檢測基因內核苷酸的取代、添加或缺失的分析。測量染色體突變的分析是檢測涉及一條或多條染色體的斷裂或染色體重排的分析。測量基因組突變的分析是檢測染色體數量變化的分析，這種情況稱為非整倍性。自 Herman Muller 於 1927 年開發出第一個檢測基因毒性（誘變）試劑的測定方法以來，遺傳毒性評估發生了很大變化。從那時起，已經開發了 200 多種檢測 DNA 突變的方法；然而，如今用於遺傳毒性評估的檢測方法不到十種。本文回顧了這些測定，描述了它們測量的內容，並探討了這些測定在毒性評估中的作用。

開發前的癌症危害識別 遺傳毒理學領域

遺傳毒理學已成為整體風險評估過程中不可或缺的一部分，並且近年來作為致癌活動的可靠預測指標而聲名鵲起。然而，在遺傳毒理學發展之前（1970 年之前），其他方法已經並且仍在用於識別對人類的潛在癌症危害。目前用於識別人類癌症風險的方法主要有六大類：流行病學研究、長期體內生物測定、中期體內生物測定、短期體內和體外生物測定、人工智能（構效）、和基於機制的推理。

表 1 給出了這些方法的優點和缺點。

表 1. 當前識別人類癌症風險的方法的優缺點

	優點	缺點
流行病學研究	(1) 人類是疾病的最終指標； (2) 評估敏感或易感人群； (3) 職業暴露隊列； (4)環境哨兵警報	(1) 一般具有追溯性（死亡證明、回憶偏差等）； (2) 不敏感、成本高、冗長； (3) 有時無法獲得或難以獲得可靠的暴露數據；（四）組合、多重、複合暴露；缺乏適當的對照組； (4) 未進行人體實驗的； (5) 癌症檢測，而非預防
長期體內生物測定	（一）前瞻性和回顧性（驗證）評價； (1) 與已確定的人類致癌物具有極好的相關性； (2) 已知的暴露水平和條件； (3) 確定化學毒性和致癌作用；（五）取得成果較快； (4) 化學類別之間的定性比較； (5) 與人類密切相關的綜合互動生物系統	(1) 很少被複製，資源密集型；（三）適合進行此類實驗的設施有限； (3)物種外推辯論； (4) 所使用的暴露水平通常遠遠超過人類所經歷的水平； (5) 單一化學品接觸並不模仿人類接觸，通常是同時接觸多種化學品
中短期體內和體外生物測定	(1) 比其他檢測更快速、更便宜； (2) 易於復制的大樣本； (3) 測量有生物學意義的終點（突變等）； (4) 可用作篩選試驗以選擇用於長期生物測定的化學品	(1) 體外不能完全預測體內； (2) 通常是生物體或器官特異性的； (3) 效力無法與整個動物或人類相比
化學結構-生物活性關聯	(1) 相對容易、快速且便宜； (2) 對某些化學類別（例如亞硝胺和聯苯胺染料）可靠； (3) 從生物學數據發展而來，但不依賴於額外的生物學實驗	(1) 不是“生物的”； (2) 制定規則的許多例外情況； (3) 回顧性的，很少（但正在成為）前瞻性的
基於機制的推斷	(1) 對某些類別的化學品而言相當準確； (2) 允許改進假設； (3) 可以將風險評估定向到敏感人群	(1) 化學致癌機制不明確、多種且可能是化學或類別特異性的； (2) 可能無法突出一般機制的例外情況

遺傳毒理學分析的基本原理和概念基礎

儘管用於遺傳毒性評估的測定的確切類型和數量在不斷發展並且因國家/地區而異，但最常見的包括 (1) 細菌和/或培養的哺乳動物細胞中的基因突變和 (2) 染色體突變的測定在活小鼠體內培養的哺乳動物細胞和/或骨髓。第二類中的一些分析也可以檢測非整倍性。儘管這些檢測無法檢測生殖細胞中的突變，但之所以使用它們，主要是因為進行生殖細胞檢測的額外成本和復雜性。儘管如此，當需要有關生殖細胞效應的信息時，還是會使用小鼠生殖細胞試驗。

超過 25 年期間（1970-1995）的系統研究，特別是在北卡羅來納州的美國國家毒理學計劃，已經導致使用離散數量的測定來檢測試劑的誘變活性。評估測定有用性的基本原理是基於它們檢測在囓齒動物中引起癌症和懷疑在人類中引起癌症的物質（即致癌物）的能力。這是因為過去幾十年的研究表明，癌細胞含有某些基因的突變，而且許多致癌物也是誘變劑。因此，癌細胞被視為含有體細胞突變，致癌作用被視為一種體細胞突變。

之所以選擇當今最常用的遺傳毒性檢測方法，不僅是因為它們的數據庫龐大、成本相對較低且易於操作，而且還因為它們已被證明可以檢測許多囓齒動物和推測的人類致癌物。因此，遺傳毒性測定可用於預測藥物的潛在致癌性。

遺傳毒理學領域的一個重要概念和實踐發展是認識到許多致癌物在體內被酶修飾，產生改變的形式（代謝物），這些形式通常是母體化學物質的最終致癌和致突變形式。為了在培養皿中復制這種新陳代謝，Heinrich Malling 表明，從囓齒動物肝臟中提取的製劑中含有許多進行這種新陳代謝轉化或激活所必需的酶。因此，許多在培養皿或試管（體外）中進行的遺傳毒性測定都採用添加類似的酶製劑。簡單的製劑稱為 S9 混合物，純化的製劑稱為微粒體。一些細菌和哺乳動物細胞現已經過基因工程改造，以包含一些來自囓齒動物或人類的產生這些酶的基因，從而減少了添加 S9 混合物或微粒體的需要。

遺傳毒理學分析和技術

用於遺傳毒性篩選的主要細菌系統是沙門氏菌 (Ames) 致突變性測定，在較小程度上，菌株 WP2 大腸埃希氏菌. 1980 年代中期的研究表明，僅使用沙門氏菌系統的兩種菌株（TA98 和 TA100）就足以檢測大約 90% 的已知沙門氏菌誘變劑。因此，這兩種菌株用於大多數篩選目的；然而，其他各種菌株可用於更廣泛的測試。

這些化驗以多種方式進行，但兩種通用程序是板摻入和液體懸浮液化驗。在平板摻入測定中，將細胞、測試化學品和（如果需要）S9 一起添加到液化瓊脂中，然後倒在瓊脂培養皿的表面上。頂部瓊脂在幾分鐘內變硬，培養板孵育兩到三天，之後突變細胞生長形成肉眼可檢測的細胞簇，稱為菌落，然後對其進行計數。瓊脂培養基含有選擇劑或由只有新突變細胞才能生長的成分組成。液體孵育試驗類似，只是將細胞、測試劑和 S9 在不含液化瓊脂的液體中一起孵育，然後將細胞從測試劑和 S9 中去除並接種到瓊脂上。

培養的哺乳動物細胞中的突變主要在以下兩個基因之一中檢測到：高鐵 tk. 與細菌檢測類似，哺乳動物細胞系（從囓齒動物或人類細胞發育而來）在塑料培養皿或試管中暴露於測試劑，然後被接種到含有僅允許突變細胞生長的選擇劑的培養基的培養皿中. 用於此目的的檢測包括 CHO/HPRT、TK6 和小鼠淋巴瘤 L5178Y/TK^{+ / -} 化驗。其他包含各種 DNA 修復突變以及一些參與新陳代謝的人類基因的細胞係也被使用。這些系統允許恢復基因內的突變（基因突變）以及涉及基因側翼染色體區域的突變（染色體突變）。然而，後一種類型的突變在更大程度上被 tk 基因係統比高鐵由於基因係統的位置 tk 基因。

類似於細菌致突變性的液體孵育測定，哺乳動物細胞致突變性測定通常涉及在存在測試劑和 S9 的情況下將細胞暴露在培養皿或試管中數小時。然後清洗細胞，再培養幾天，讓正常（野生型）基因產物被降解，新的突變基因產物得以表達和積累，然後將它們接種到含有選擇劑的培養基中，該選擇劑允許只有突變細胞才能生長。與細菌檢測一樣，突變細胞長成肉眼可檢測的菌落，然後進行計數。

染色體突變主要通過細胞遺傳學分析來識別，其中包括將培養皿中的囓齒動物和/或囓齒動物或人類細胞暴露於測試化學品，允許發生一個或多個細胞分裂，染色染色體，然後通過顯微鏡目視檢查染色體檢測染色體結構或數量的改變。儘管可以檢查各種終點，但監管機構目前認為最有意義的兩個終點是染色體畸變和稱為微核的子類別。

需要大量的培訓和專業知識才能對細胞中是否存在染色體畸變進行評分，這使得該過程在時間和金錢方面都非常昂貴。相比之下，微核幾乎不需要培訓，並且可以自動檢測。微核在細胞內顯示為與包含染色體的細胞核不同的小點。微核是由染色體斷裂或非整倍體引起的。由於與染色體畸變相比，微核評分更容易，而且最近的研究表明，在活小鼠骨髓中誘導染色體畸變的藥物通常會在該組織中誘導微核，因此微核現在通常被測量為一種能力的指標。誘導染色體突變的試劑。

儘管與上述其他檢測相比，生殖細胞檢測的使用頻率要低得多，但它們對於確定一種藥物是否對生殖細胞構成風險是不可或缺的，其中的突變可能會對後代的健康產生影響。最常用的生殖細胞檢測是在小鼠中進行的，涉及的系統檢測 (1) 染色體之間的可遺傳易位（交換）（可遺傳易位檢測），(2) 基因或涉及特定基因（可見或生化特定位點）的染色體突變化驗），和（3）影響生存能力的突變（顯性致死試驗）。與體細胞分析一樣，生殖細胞分析的工作假設是這些分析中呈陽性的試劑被認為是潛在的人類生殖細胞誘變劑。

現狀與未來展望

最近的研究表明，只需要三條信息就可以檢測出一組 90 種囓齒動物致癌物（即，假定的人類致癌物和體細胞誘變劑）中的大約 41%。這些包括 (1) 試劑的化學結構知識，特別是如果它包含親電子部分（參見結構-活性關係部分）； (2) 沙門氏菌致突變性資料； (3) 來自囓齒類動物（小鼠和大鼠）的 90 天慢性毒性試驗的數據。事實上，基本上所有 IARC 宣布的人類致癌物都可以僅使用沙門氏菌試驗和小鼠骨髓微核試驗檢測為誘變劑。大多數人類致癌物對大鼠和小鼠均具有致癌性（跨物種致癌物），並且大多數跨物種致癌物在沙門氏菌中具有致突變性和/或誘導微核，這一發現進一步支持使用這些致突變性試驗檢測潛在的人類致癌物在小鼠骨髓中。

隨著 DNA 技術的進步、人類基因組計劃以及對突變在癌症中作用的認識的加深，正在開發新的遺傳毒性測定法，這些測定法可能會納入標準篩選程序。其中包括使用轉基因細胞和囓齒動物。轉基因係統是將來自另一個物種的基因引入細胞或生物體的系統。例如，轉基因小鼠現在處於實驗用途，允許檢測動物任何器官或組織的突變，基於將細菌基因引入小鼠。現在可以獲得細菌細胞，如沙門氏菌和哺乳動物細胞（包括人類細胞系），它們含有參與致癌/誘變劑代謝的基因，如 P450 基因。對轉基因囓齒類動物或天然基因（如高鐵，或者現在可以執行沙門氏菌中的目標基因，以便確定由化學物質引起的突變的確切性質，從而提供對化學物質作用機制的深入了解，並允許與假定暴露於該物質的人類的突變進行比較.

細胞遺傳學的分子進步現在允許對染色體突變進行更詳細的評估。這些包括使用附著（雜交）到特定基因的探針（小片段 DNA）。染色體上基因的重排可以通過探針位置的改變來揭示，這些探針是熒光的，很容易被可視化為染色體上的彩色扇區。用於 DNA 斷裂的單細胞凝膠電泳測定（通常稱為“彗星”測定）允許檢測單個細胞內的 DNA 斷裂，並可能成為與細胞遺傳學技術結合用於檢測染色體損傷的極其有用的工具。

經過多年的使用和系統開發的大型數據庫的生成，現在可以在短時間內（幾週）用相對較少的成本進行幾次檢測就可以完成遺傳毒性評估。產生的數據可用於預測試劑成為囓齒動物的能力，並推測為人類致癌物/體細胞誘變劑。這種能力可以限制誘變劑和致癌劑進入環境，並開發替代的非誘變劑。未來的研究應該會產生比目前的檢測方法具有更高預測性的更好方法。

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體外毒性測試

分子和細胞生物學中尖端技術的出現刺激了包括毒理學在內的生命科學的相對快速發展。實際上，毒理學的重點正在從整個動物和整個動物種群轉移到單個動物和人類的細胞和分子。自 1980 世紀 XNUMX 年代中期以來，毒理學家開始採用這些新方法來評估化學品對生命系統的影響。作為一個合乎邏輯的進展，這些方法正在適應毒性測試的目的。這些科學進步與社會和經濟因素共同作用，影響了產品安全和潛在風險評估的變化。

經濟因素與必須測試的材料量特別相關。每年都有大量新的化妝品、藥品、農藥、化學品和家用產品進入市場。所有這些產品都必須評估其潛在毒性。此外，還有大量已在使用但未經過充分測試的化學品積壓。使用傳統的整體動物測試方法獲取所有這些化學品的詳細安全信息是一項艱鉅的任務，如果能夠完成的話，在金錢和時間方面都是昂貴的。

還有與公共健康和安全相關的社會問題，以及公眾對使用動物進行產品安全測試的日益關注。關於人類安全，公共利益和環保倡導團體向政府機構施加了巨大壓力，要求其對化學品實施更嚴格的法規。最近的一個例子是一些環保組織在美國禁止使用氯和含氯化合物。這種極端行為的動機之一在於這些化合物中的大多數從未經過充分測試。從毒理學的角度來看，僅基於氯的存在就禁止一整類不同化學品的概念在科學上是不合理的，也是不負責任的。然而，從公眾的角度來看，必須保證釋放到環境中的化學品不會造成重大健康風險，這是可以理解的。這種情況強調需要更有效和快速的方法來評估毒性。

影響毒性測試領域的另一個社會問題是動物福利。世界各地越來越多的動物保護組織對使用整隻動物進行產品安全測試表示強烈反對。為了阻止動物試驗，針對化妝品、家庭和個人護理產品以及藥品的製造商發起了積極的運動。歐洲的此類努力促成了指令 76/768/EEC（化妝品指令）的第六次修正案的通過。該指令的結果是，1 年 1998 月 XNUMX 日之後在動物身上測試過的化妝品或化妝品成分不能在歐盟銷售，除非替代方法未得到充分驗證。雖然該指令對在美國或其他國家/地區銷售此類產品沒有管轄權，但它將對那些擁有包括歐洲在內的國際市場的公司產生重大影響。

替代品的概念構成了除了對整隻動物進行測試以外的測試開發的基礎，由三個定義 Rs: 減少使用的動物數量；精緻協議，使動物經歷更少的壓力或不適；和替代目前的動物試驗包括體外試驗（即在活體動物之外進行的試驗）、計算機模型或對低等脊椎動物或無脊椎動物進行的試驗。他們三個 Rs 在 1959 年由兩位英國科學家 WMS Russell 和 Rex Burch 出版的一本書中進行了介紹， 人道實驗技術原理. Russell 和 Burch 堅持認為，獲得有效科學結果的唯一途徑是通過人道對待動物，並認為應該開發減少動物使用並最終取而代之的方法。有趣的是，在 1970 世紀 XNUMX 年代中期動物福利運動重新興起之前，羅素和伯奇概述的原則很少受到關注。今天的三個概念 Rs 在研究、測試和教育方面處於領先地位。

總之，體外測試方法的發展受到過去 20 到 XNUMX 年匯集的各種因素的影響。很難確定這些因素中的任何一個是否會對毒性測試策略產生如此深遠的影響。

體外毒性試驗的概念

本節將僅關注用於評估毒性的體外方法，作為整體動物測試的替代方法之一。本章其他文章中討論了計算機建模和定量構效關係等其他非動物替代方法。

體外研究通常在體外的動物或人體細胞或組織中進行。體外的字面意思是“在玻璃中”，是指在規定條件下對在培養皿或試管中培養的活體材料或活體材料成分進行的程序。這些可能與體內研究或“在活體動物身上”進行的研究形成對比。當觀察僅限於培養皿中的單一類型細胞時，即使不是不可能，也很難預測化學物質對複雜生物體的影響，但體外研究確實提供了大量關於內在毒性的信息作為毒性的細胞和分子機制。此外，與體內研究相比，它們具有許多優勢，因為它們通常更便宜並且可以在更受控的條件下進行。此外，儘管事實上仍然需要少量動物來獲得用於體外培養的細胞，但這些方法可被視為減少替代方法（因為與體內研究相比使用的動物要少得多）和精煉替代方法（因為它們消除了需要使動物經受體內實驗造成的不良毒性後果）。

為了解釋體外毒性試驗的結果，確定它們在評估毒性方面的潛在用途並將它們與體內的整個毒理學過程聯繫起來，有必要了解正在檢查毒理學過程的哪一部分。整個毒理學過程包括以下事件：從有機體暴露於物理或化學試劑開始，通過細胞和分子相互作用進展，並最終在整個有機體的反應中表現出來。體外試驗通常僅限於發生在細胞和分子水平的毒理學過程的一部分。可從體外研究中獲得的信息類型包括代謝途徑、活性代謝物與細胞和分子靶標的相互作用以及可作為暴露分子生物標誌物的潛在可測量毒性終點。在理想情況下，每種化學物質暴露於有機體表現的毒性機制是已知的，這樣從體外試驗中獲得的信息就可以得到充分解釋，並與整個有機體的反應相關聯。然而，這實際上是不可能的，因為已經闡明的完整毒理學機制相對較少。因此，毒理學家面臨這樣一種情況，即體外試驗的結果不能用作對體內毒性的完全準確預測，因為機制未知。然而，在開發體外測試的過程中，通常會闡明毒性的細胞和分子機制的組成部分。

圍繞體外測試的開發和實施的關鍵未解決問題之一與以下考慮有關：它們應該以機械為基礎，還是足以讓它們具有描述性？從科學的角度來看，僅使用基於機械的測試來替代體內測試無疑更好。然而，在缺乏完整的機理知識的情況下，在不久的將來開發完全替代整體動物試驗的體外試驗的前景幾乎為零。然而，這並不排除使用更具描述性的分析類型作為早期篩查工具，目前就是這種情況。這些屏幕導致動物使用顯著減少。因此，在生成更多機械信息之前，可能有必要在更有限的範圍內採用其結果與體內獲得的結果完全相關的測試。

體外細胞毒性試驗

在本節中，將描述為評估化學品的細胞毒性潛力而開發的幾種體外測試。在大多數情況下，這些測試很容易執行，並且可以自動進行分析。一種常用的細胞毒性體外試驗是中性紅測定。該測定是在培養細胞上進行的，對於大多數應用，細胞可以保存在包含 96 個小孔的培養皿中，每個孔的直徑為 6.4 毫米。由於每個孔都可用於單次測定，因此這種佈置可以容納多種濃度的測試化學品以及陽性和陰性對照，每種都有足夠數量的重複。在用至少兩個數量級（例如，從 0.01mM 到 1mM）的不同濃度的測試化學品以及陽性和陰性對照化學品處理細胞後，將細胞沖洗並用中性紅處理，只能被活細胞吸收和保留的染料。可以在去除測試化學品時添加染料以確定即時效果，或者可以在去除測試化學品後的不同時間添加染料以確定累積或延遲效果。每個孔中的顏色強度對應於該孔中活細胞的數量。顏色強度通過可配備讀板器的分光光度計測量。讀板器經過編程，可為培養皿的 96 個孔中的每個孔提供單獨的測量值。這種自動化方法允許研究人員快速執行濃度響應實驗並獲得統計上有用的數據。

另一種相對簡單的細胞毒性試驗是 MTT 試驗。 MTT（3[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5-二苯基四唑溴化物）是一種四唑染料，可被線粒體酶還原成藍色。只有具有活線粒體的細胞才能保留進行該反應的能力；因此，顏色強度與線粒體完整性的程度直接相關。這是檢測一般細胞毒性化合物以及那些專門針對線粒體的藥物的有用測試。

乳酸脫氫酶 (LDH) 活性的測量也用作細胞毒性的廣泛檢測。這種酶通常存在於活細胞的細胞質中，並通過已被毒劑不利影響的死亡或垂死細胞的滲漏細胞膜釋放到細胞培養基中。在對細胞進行化學處理後，可在不同時間去除少量培養基，以測量釋放的 LDH 量並確定毒性的時程。雖然 LDH 釋放試驗是一種非常普遍的細胞毒性評估，但它很有用，因為它易於執行並且可以實時完成。

正在開發許多新方法來檢測細胞損傷。更複雜的方法使用熒光探針來測量各種細胞內參數，例如鈣釋放以及 pH 和膜電位的變化。一般來說，這些探針非常敏感，可以檢測到更細微的細胞變化，從而減少使用細胞死亡作為終點的需要。此外，許多這些熒光測定可以通過使用 96 孔板和熒光板閱讀器實現自動化。

一旦使用這些測試之一收集了一系列化學品的數據，就可以確定相對毒性。在體外試驗中確定的化學品的相對毒性可以表示為對未處理細胞的終點反應產生 50% 影響的濃度。這一決定被稱為 EC₅₀ (E有效的 C濃度為 50細胞的百分比），可用於比較不同化學品的體外毒性。（用於評估相對毒性的類似術語是 IC₅₀，表示導致細胞過程 50% 抑制的化學物質的濃度，例如，吸收中性紅的能力。）評估化學物質的相對體外毒性是否與其在體外的相對毒性相當並不容易體內毒性，因為體內系統中有很多混雜因素，例如毒代動力學、代謝、修復和防禦機制。此外，由於大多數這些測定測量的是一般細胞毒性終點，因此它們不是基於機械的。因此，體外和體內相對毒性之間的一致性是簡單相關的。儘管從體外外推到體內存在許多複雜性和困難，但這些體外試驗被證明是非常有價值的，因為它們執行起來簡單且成本低廉，並且可以用作篩選以在早期階段標記劇毒藥物或化學品。發展。

靶器官毒性

體外試驗也可用於評估特定的靶器官毒性。設計此類測試存在許多困難，最值得注意的是體外系統無法在體內保持器官的許多特徵。通常，當細胞從動物身上取出並置於培養物中時，它們往往會迅速退化和/或去分化，即失去其器官樣功能並變得更加通用。這帶來了一個問題，即在很短的時間內（通常是幾天），培養物不再可用於評估毒素的器官特異性影響。

由於分子和細胞生物學的最新進展，許多這些問題正在被克服。獲得的關於體內細胞環境的信息可用於調節體外培養條件。自 1980 世紀 XNUMX 年代中期以來，新的生長因子和細胞因子被發現，其中許多現已上市。將這些因子添加到培養的細胞中有助於保持它們的完整性，也可能有助於在更長的時間內保留更多的分化功能。其他基礎研究增加了對培養細胞的營養和激素需求的認識，因此可以配製新的培養基。最近在識別可以在其上培養細胞的天然存在的和人工的細胞外基質方面也取得了進展。在這些不同的基質上培養細胞會對它們的結構和功能產生深遠的影響。從這些知識中獲得的一個主要優勢是能夠複雜地控制培養細胞的環境，並單獨檢查這些因素對基本細胞過程和它們對不同化學試劑的反應的影響。簡而言之，這些系統可以深入了解特定器官的毒性機制。

許多靶器官毒性研究是在原代細胞中進行的，根據定義，原代細胞是從器官中新鮮分離出來的，通常在培養中的壽命有限。使用來自器官的單一細胞類型的原代培養物進行毒性評估有很多優勢。從機械的角度來看，這種培養物可用於研究化學物質的特定細胞靶標。在某些情況下，可以將來自一個器官的兩種或多種細胞類型一起培養，這提供了一個額外的優勢，即能夠觀察細胞間相互作用對毒素的反應。一些皮膚共培養系統已被設計成可以在體內形成類似於皮膚的三維結構。也可以共培養來自不同器官（例如肝臟和腎臟）的細胞。這種類型的培養物可用於評估必須在肝臟中生物激活的化學物質對腎細胞的特異性影響。

分子生物學工具在可用於靶器官毒性測試的連續細胞系的開發中也發揮了重要作用。這些細胞係是通過將 DNA 轉染到原代細胞中產生的。在轉染過程中，處理細胞和 DNA，使 DNA 可以被細胞吸收。 DNA 通常來自病毒，包含一個或多個基因，表達後可使細胞永生化（即能夠在培養物中長期存活和生長）。還可以對 DNA 進行工程改造，使永生化基因受誘導型啟動子控制。這種構建體的優點是細胞只有在接受適當的化學刺激以允許永生化基因表達時才會分裂。這種構建體的一個例子是來自猿猴病毒 40 (SV40) 的大 T 抗原基因（永生化基因），其前面是金屬硫蛋白基因的啟動子區域，它是由培養基中存在的金屬誘導的。因此，在將基因轉染到細胞中後，可以用低濃度的鋅處理細胞以刺激MT啟動子並開啟T抗原基因的表達。在這些條件下，細胞增殖。當從培養基中去除鋅時，細胞停止分裂並在理想條件下恢復到表達其組織特異性功能的狀態。

產生永生化細胞的能力與細胞培養技術的進步相結合，極大地促進了從許多不同器官（包括大腦、腎臟和肝臟）創建細胞系。然而，在將這些細胞系用作真正細胞類型的替代物之前，必須仔細表徵它們以確定它們到底有多“正常”。

其他用於研究靶器官毒性的體外系統涉及越來越複雜。隨著體外系統從單細胞培養到整個器官培養的複雜性不斷提高，它們變得與體內環境更具可比性，但與此同時，鑑於變量數量的增加，它們變得更加難以控制。因此，在研究人員無法控制實驗環境時，可能會失去在更高級別組織中可能獲得的收益。表 1 比較了用於研究肝毒性的各種體外系統的一些特徵。

表 1. 肝毒性研究的體外系統比較

系統	複雜（互動水平）	保留肝臟特定功能的能力	培養的潛在持續時間	環境控制能力
永生化細胞系	一些細胞到細胞（因細胞係而異）	從差到好（因細胞係而異）	不定	優秀
原代肝細胞培養	細胞到細胞	一般到優秀（因文化條件而異）	幾天到幾週	優秀
肝細胞共培養	細胞到細胞（相同和不同細胞類型之間）	好到好	週	優秀
肝片	細胞到細胞（在所有細胞類型中）	好到好	數小時至數天	好
離體灌注肝臟	細胞間（在所有細胞類型中）和器官內	優秀	個小時裡	公平

精密切割的組織切片正被更廣泛地用於毒理學研究。有可用的新儀器，使研究人員能夠在無菌環境中切割均勻的組織切片。組織切片提供了一些優於細胞培養系統的優勢，因為器官的所有細胞類型都存在，並且它們保持其體內結構和細胞間通訊。因此，可以進行體外研究以確定器官內的靶細胞類型以及研究特定的靶器官毒性。切片的一個缺點是它們在培養的前 24 小時後迅速退化，這主要是由於氧氣向切片內部細胞的擴散不良。然而，最近的研究表明，通過溫和的旋轉可以實現更有效的曝氣。這與使用更複雜的介質一起，使切片能夠存活長達 96 小時。

組織外植體在概念上類似於組織切片，也可用於確定特定目標器官中化學物質的毒性。組織外植體是通過取出一小塊組織（用於致畸研究，一個完整的胚胎）並將其放入培養物中進行進一步研究而建立的。外植體培養物可用於短期毒性研究，包括皮膚刺激和腐蝕性、氣管石棉研究和腦組織神經毒性研究。

分離的灌注器官也可用於評估靶器官毒性。這些系統提供了類似於組織切片和外植體的優勢，因為所有細胞類型都存在，但不會因製備切片的操作而對組織造成壓力。此外，它們允許維持器官內相互作用。一個主要的缺點是它們的短期生存能力，這限制了它們在體外毒性測試中的使用。就作為替代品而言，這些培養物可以被認為是一種改進，因為動物不會經歷體內毒物治療的不良後果。然而，它們的使用並沒有顯著減少所需的動物數量。

總之，有幾種類型的體外系統可用於評估靶器官毒性。使用這些技術中的一種或多種，可以獲得有關毒性機制的大量信息。困難仍然在於知道如何從代表毒理學過程的相對較小部分的體外系統外推到體內發生的整個過程。

眼部刺激的體外測試

從動物福利的角度來看，最具爭議的全動物毒性試驗可能是在兔子身上進行的眼睛刺激 Draize 試驗。在這個測試中，將少量固定劑量的化學物質放入兔子的一隻眼睛中，而另一隻眼睛用作對照。在接觸後的不同時間對刺激和炎症的程度進行評分。正在努力開發替代該測試的方法，該測試不僅出於人道原因，而且還因為觀察的主觀性和結果的可變性而受到批評。有趣的是，儘管 Draize 測試受到了嚴厲的批評，但它已被證明在預測人眼刺激物方面非常成功，尤其是其他方法難以識別的輕微至中度刺激性物質。因此，對體外替代品的需求很大。

尋找 Draize 測試的替代方案是一項複雜的工作，儘管預計會成功。已經開發了許多體外和其他替代方案，並且在某些情況下它們已經實施。根據定義，Draize 測試的改進替代品對動物的痛苦或痛苦較小，包括 Low Volume Eye Test，其中將少量測試材料放入兔子的眼睛中，不僅出於人道原因，而且為了更接近地模擬人們實際可能意外接觸的量。另一個改進是 pH 值小於 2 或大於 11.5 的物質不再在動物身上進行測試，因為已知它們會嚴重刺激眼睛。

1980 年至 1989 年間，用於化妝品眼部刺激性測試的兔子數量估計下降了 87%。體外測試已被納入分層測試方法的一部分，以實現整體動物測試的大幅減少。這種方法是一個多步驟過程，首先要全面檢查歷史眼睛刺激數據，並對要評估的化學品進行物理和化學分析。如果這兩個過程沒有產生足夠的信息，則會進行一系列體外測試。從體外試驗中獲得的額外數據可能足以評估物質的安全性。如果沒有，那麼最後一步將是進行有限的體內測試。很容易看出這種方法如何消除或至少大大減少預測測試物質安全性所需的動物數量。

用作此分級測試策略的一部分的體外測試電池取決於特定行業的需求。從化妝品到製藥再到工業化學品，許多行業都在進行眼睛刺激測試。每個行業所需的信息類型各不相同，因此不可能定義一個單一的體外測試電池組。測試電池通常設計用於評估五個參數：細胞毒性、組織生理學和生物化學的變化、定量構效關係、炎症介質以及恢復和修復。細胞毒性測試的一個例子是使用培養細胞進行的中性紅測定（見上文），這是一種可能的刺激原因。可以在人角膜上皮細胞的培養物中測定因接觸化學品而導致的細胞生理學和生物化學變化。或者，研究人員還使用了從屠宰場獲得的完整或解剖的牛或雞眼球。在這些全器官培養物中測量的許多終點與體內測量的終點相同，例如角膜混濁和角膜腫脹。

炎症通常是化學性眼損傷的一個組成部分，並且有許多檢測方法可用於檢查此參數。各種生化測定檢測在炎症過程中釋放的介質的存在，例如花生四烯酸和細胞因子。雞蛋的絨毛尿囊膜 (CAM) 也可用作炎症指標。在 CAM 測定中，將 14 到 XNUMX 天的雞胚的一小塊殼移除以暴露 CAM。然後將化學物質應用於 CAM，然後在不同時間對炎症跡象（例如血管出血）進行評分。

在體外評估最困難的體內過程之一是眼部損傷的恢復和修復。一種新開發的儀器，矽微生理計，測量細胞外 pH 值的微小變化，可用於實時監測培養的細胞。該分析已被證明與體內恢復相當好，並已被用作該過程的體外測試。這是對用作 Draize 眼刺激測試替代方法的測試類型的簡要概述。在接下來的幾年內，很可能會定義一個完整的體外測試電池系列，並且每個電池都將針對其特定用途進行驗證。

驗證

監管機構接受和實施體外測試方法的關鍵是驗證，即為特定目的確定候選測試可信度的過程。美國和歐洲都在努力定義和協調驗證過程。歐盟於 1993 年成立了歐洲替代方法驗證中心 (ECVAM)，以協調那裡的工作並與美國組織進行互動，例如美國學術中心約翰霍普金斯動物試驗替代中心 (CAAT)和替代方法驗證機構間協調委員會 (ICCVAM)，由美國國立衛生研究院、美國環境保護署、美國食品和藥物管理局以及消費品安全委員會的代表組成。

體外試驗的驗證需要大量的組織和計劃。政府監管機構以及工業界和學術界的科學家必須就可接受的程序達成共識，並由科學顧問委員會進行充分監督，以確保協議符合既定標準。驗證研究應在一系列參考實驗室中進行，使用來自化學庫的校準化學品組和來自單一來源的細胞或組織。必須證明候選測試的實驗室內重複性和實驗室間再現性，並對結果進行適當的統計分析。一旦驗證研究的不同組成部分的結果得到匯總，科學顧問委員會就可以針對特定目的對候選測試的有效性提出建議。此外，研究結果應發表在同行評審的期刊上，並放入數據庫中。

驗證過程的定義目前正在進行中。每項新的驗證研究都將為下一項研究的設計提供有用的信息。國際交流與合作對於快速制定廣泛接受的一系列協議至關重要，特別是考慮到 EC 化妝品指令的通過所帶來的緊迫性。這項立法確實可以為進行認真的驗證工作提供所需的動力。只有完成這一過程，才能開始接受各種監管機構的體外方法。

結論

本文概述了體外毒性測試的現狀。體外毒理學科學相對年輕，但它正在呈指數級增長。未來幾年的挑戰是將細胞和分子研究產生的機理知識納入大量體內數據清單，以提供更完整的毒理學機制描述，並建立可以使用體外數據的範例預測體內毒性。只有通過毒理學家和政府代表的共同努力，才能實現這些體外方法的內在價值。

出版於毒理學測試方法

週日，一月16 2011：18 56

結構活動關係

結構活性關係 (SAR) 分析是利用有關化學品分子結構的信息來預測與持久性、分佈、攝取和吸收以及毒性相關的重要特性。 SAR 是一種識別潛在危險化學品的替代方法，它有望幫助行業和政府確定物質的優先順序，以便進一步評估或用於新化學品的早期決策。毒理學是一項日益昂貴和資源密集型的工作。人們越來越擔心化學品可能會對暴露的人群造成不利影響，這促使監管機構和衛生機構擴大測試範圍和靈敏度，以檢測毒理學危害。與此同時，監管對行業的實際和感知負擔引起了人們對毒性測試方法和數據分析實用性的擔憂。目前，化學致癌性的確定取決於對至少兩個物種（男女）在不同劑量下的壽命測試，對多個器官進行仔細的組織病理學分析，以及檢測細胞和靶器官的癌前變化。在美國，癌症生物測定的成本估計超過 3 萬美元（1995 年美元）。

即使有無限的財政資源，測試當今世界生產的大約 70,000 種現有化學品的負擔也將超過訓練有素的毒理學家的可用資源。即使是對這些化學品的一級評估也需要幾個世紀的時間才能完成 (NRC 1984)。在許多國家，對在毒性試驗中使用動物的倫理問題有所增加，這給使用標準毒性試驗方法帶來了額外的壓力。 SAR 已廣泛用於製藥行業，以識別具有治療有益用途潛力的分子（Hansch 和 Zhang 1993）。在環境和職業健康政策中，SAR 用於預測化合物在物理化學環境中的擴散，並篩選新化學品以進一步評估潛在毒性。根據美國有毒物質控制法 (TSCA)，EPA 自 1979 年以來一直使用 SAR 方法作為製造前通知 (PMN) 過程中新化學品的“第一篩選”；澳大利亞使用類似的方法作為其新化學品通知 (NICNAS) 程序的一部分。在美國，SAR 分析是確定是否有合理依據得出結論認為物質的製造、加工、分銷、使用或處置將對人類健康或環境造成不合理的傷害風險的重要依據，如第TSCA 的 5(f)。基於這一發現，EPA 然後可以根據 TSCA 第 6 節要求對該物質進行實際測試。

搜尋與援救的理由

SAR 的科學原理基於這樣的假設，即化學物質的分子結構將預測其在物理化學和生物系統中行為的重要方面（Hansch 和 Leo 1979）。

搜救過程

SAR 審查過程包括鑑定化學結構，包括經驗配方和純化合物；結構相似物質的鑑定；在數據庫和文獻中搜索有關結構類似物的信息；毒性分析和結構類似物的其他數據。在極少數情況下，僅關於化合物結構的信息就足以支持某些基於充分理解的毒性機制的 SAR 分析。已經編制了幾個關於 SAR 的數據庫，以及基於計算機的分子結構預測方法。

利用此信息，可以使用 SAR 估算以下端點：

理化參數：沸點、蒸氣壓、水溶性、辛醇/水分配係數
生物/環境歸宿參數：生物降解、土壤吸附、光降解、藥代動力學
毒性參數：水生生物毒性、吸收、急性哺乳動物毒性（限度試驗或LD₅₀)、皮膚、肺和眼睛刺激、致敏、亞慢性毒性、致突變性。

應該指出的是，對於致癌性、發育毒性、生殖毒性、神經毒性、免疫毒性或其他靶器官效應等重要的健康終點，不存在 SAR 方法。這是由三個因素造成的：缺乏用於檢驗 SAR 假設的大型數據庫，缺乏對毒性作用的結構決定因素的了解，以及這些終點所涉及的靶細胞和機制的多樣性（參見“美國生殖毒物和神經毒劑的風險評估方法”）。利用分配係數和溶解度的信息，利用 SAR 預測藥代動力學的一些有限嘗試（Johanson 和 Naslund 1988）。已經進行了更廣泛的定量 SAR 來預測一系列化合物的 P450 依賴性代謝以及二噁英和 PCB 樣分子與細胞溶質“二噁英”受體的結合（Hansch 和 Zhang 1993）。

SAR 已被證明對上面列出的一些終點具有不同的可預測性，如表 1 所示。該表提供了預測活動與通過經驗測量或毒性測試獲得的實際結果的兩次比較的數據。美國 EPA 專家進行的 SAR 在預測物理化學特性方面的表現比預測生物活性（包括生物降解）的表現更差。對於毒性終點，SAR 在預測致突變性方面表現最好。 Ashby 和 Tennant (1991) 在一項更廣泛的研究中也發現，在他們對 NTP 化學品的分析中，短期遺傳毒性具有良好的可預測性。考慮到目前對遺傳毒性分子機制（參見“遺傳毒理學”）和親電性在 DNA 結合中的作用的理解，這些發現並不令人驚訝。相比之下，SAR 傾向於低估哺乳動物的全身和亞慢性毒性，而高估水生生物的急性毒性。

表 1. SAR 和測試數據的比較：OECD/NTP 分析

端點	協議（％）	分歧 (%)	聯繫電話
沸點	50	50	30
蒸汽壓力	63	37	113
水溶性	68	32	133
分配係數	61	39	82
生物降解	93	7	107
魚類毒性	77	22	130
水溞毒性	67	33	127
急性哺乳動物毒性 (LD₅₀ )	80	20¹	142
皮膚過敏	82	18	144
眼睛刺激	78	22	144
皮膚過敏	84	16	144
亞慢性毒性	57	32	143
致突變性²	88	12	139
致突變性³	82-94⁴	1-10	301
致癌性³ : 兩年生物測定	72-95⁴	-	301

資料來源：來自經合組織的數據，個人通訊 C. Auer，美國環保署。本分析僅使用可比較 SAR 預測和實際測試數據的那些端點。 NTP 數據來自 Ashby 和 Tennant 1991。

¹ 令人擔憂的是 SAR 未能預測 12% 的測試化學品的急性毒性。

² OECD 數據，基於 Ames 測試與 SAR 的一致性

³ NTP 數據，基於基因毒性分析與幾類“結構性警報化學品”的 SAR 預測的比較。

⁴ 一致性因班級而異；一致性最高的是芳香氨基/硝基化合物；最低的是“雜項”結構。

對於其他有毒終點，如上所述，SAR 的實用性較差。由於缺乏複雜分子毒代動力學的 SAR，哺乳動物毒性預測變得複雜。儘管如此，已經進行了一些嘗試來提出複雜哺乳動物毒性終點的 SAR 原則（例如，參見 Bernstein (1984) 對潛在雄性生殖毒物的 SAR 分析）。在大多數情況下，數據庫太小而無法對基於結構的預測進行嚴格測試。

在這一點上可以得出結論，SAR 可能主要用於確定毒性測試資源投資的優先次序或引起對潛在危害的早期關注。只有在致突變性的情況下，SAR 分析本身才有可能可靠地用於為其他決策提供信息。對於任何終點，SAR 都不可能提供本章其他地方討論的風險評估目的所需的定量信息類型，並且 百科全書.

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測試類別	特徵：	具體測試
基本-一般應包含在通用面板中	一般健康和器官系統狀態指標	血尿素氮、血糖等
基礎免疫應包含在通用面板中	免疫狀態的一般指標成本相對較低化驗方法在實驗室之間標準化超出參考範圍的結果具有臨床可解釋性	全血細胞計數血清 IgG、IgA、IgM 水平主要淋巴細胞亞群的表面標記表型
專注/反射當臨床發現、疑似暴露或先前測試結果表明需要時，應包括在內	特定免疫功能/事件的指標成本各不相同化驗方法在實驗室之間標準化超出參考範圍的結果具有臨床可解釋性	組織相容性基因型傳染性病原體抗體血清總 IgE 過敏原特異性 IgE 自身抗體超敏反應的皮膚測試粒細胞氧化爆發組織病理學（組織活檢）
詳細介紹應僅包含在對照人群和仔細的研究設計中	一般或特定免疫功能/事件的指標成本各不相同；通常很貴化驗方法在實驗室之間通常沒有標準化超出參考範圍的結果通常無法進行臨床解釋	體外刺激試驗細胞活化表面標誌物細胞因子血清濃度克隆性測定（抗體、細胞、遺傳）細胞毒性試驗

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兒童類

毒理學總則 (5)

毒性機制 (5)

毒理學試驗方法 (4)

監管毒理學 (6)

定義和概念

毒代動力學

目標器官和關鍵影響

年齡、性別和其他因素的影響

毒性反應的遺傳決定因素

簡介和概念

細胞損傷和細胞死亡

遺傳毒理學

免疫毒理學

靶器官毒理學

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生物標誌物

遺傳毒性評估

體外毒性測試

結構活動關係

內容