腦力與體力負荷

心理工作量 (MWL) 的概念變得越來越重要，因為現代半自動化和計算機化技術可能對製造和管理任務中的人類心理或信息處理能力提出嚴格要求。 因此，特別是在工作分析、工作要求評估和工作設計等領域，腦力工作量的概念化比傳統體力工作量的概念化更為重要。

腦力勞動的定義

腦力負荷沒有公認的定義。 主要原因是至少有兩個理論上有基礎的方法和定義：(1) MWL 被視為一個獨立的外部變量，工作主體必須或多或少有效地應對任務要求，以及(2) MWL 根據任務要求與人力能力或資源之間的相互作用來定義（Hancock 和 Chignell 1986 年；Welford 1986 年；Wieland-Eckelmann 1992 年）。

儘管產生於不同的背景，但這兩種方法都為不同的問題提供了必要且有充分根據的貢獻。

需求資源交互 這種方法是在人格-環境適合/不適合理論的背景下發展起來的，該理論試圖解釋個體之間對相同的身體和心理社會條件和要求的不同反應。 因此，這種方法可以解釋個體對負荷要求和條件的主觀反應模式的差異，例如，在疲勞、單調、情感厭惡、倦怠或疾病方面（Gopher 和 Donchin 1986 年；Hancock 和 Meshkati 1988 年）。

任務要求 方法是在主要從事任務設計的職業心理學和人體工程學的那些部分中開發的，特別是在設計新的和未嘗試的未來任務時，或所謂的 前瞻性任務設計. 這裡的背景是應力應變概念。 任務要求構成壓力，工作主體試圖適應或應對這些要求，就像他們應對其他形式的壓力一樣（Hancock 和 Chignell，1986 年）。 這種任務需求方法試圖回答如何提前設計任務的問題，以便優化它們對將完成這些未來任務的員工（通常仍然未知）的後期影響。

MWL 的兩種概念化至少有一些共同特徵。

1. MWL主要描述任務的輸入方面，即任務對員工提出的要求和要求，可能用於預測任務結果。
2. MWL 的心理方面是根據信息處理概念化的。 信息處理包括認知以及動機/意志和情感方面，因為人們總是會評估他們必須應對的需求，因此會自我調節他們的處理努力。
3. 信息處理整合了心理過程、表徵（例如，知識或機器的心理模型）和狀態（例如，意識狀態、激活程度以及不太正式的情緒）。
4. MWL 是任務要求的多維特徵，因為每個任務在幾個相互關聯但又不同的維度上有所不同，這些維度必須在任務設計中單獨處理。
5. MWL 將產生多方面的影響，至少將決定 (a) 行為，例如策略和由此產生的表現，(b) 感知的、主觀的短期幸福感，從長遠來看對健康有影響，以及 (c) ) 心理生理過程，例如，工作中血壓的改變，這可能會成為長期的積極影響（例如促進健康改善）或消極影響（包括損傷或健康不良）。
6. 從任務設計的角度來看，不應將 MWL 最小化（如在致癌空氣污染的情況下所必需的那樣），而應對其進行優化。 原因是，對於幸福、健康促進和資格認證來說，苛刻的腦力任務要求是不可避免的，因為它們提供了必要的激活衝動、健身先決條件和學習/培訓選擇。 相反，缺少需求可能會導致所謂內在（任務內容相關）動機的失活、體能喪失、資格下降和惡化。 這一領域的發現導致了健康和個性促進任務設計的技術 (Hacker 1986)。
7. 因此，在任何情況下，MWL 都必須在任務分析、任務需求評估以及糾正和前瞻性任務設計中處理。

理論方法：需求-資源方法

從人與環境適應的角度來看，MWL 及其後果可大致分為（如圖 1 所示）負載不足、適當適應負載和過載。 這種分類源於任務要求和心理能力或資源之間的關係。 資源可能超出、符合或無法滿足任務要求。 兩種類型的失配都可能由失配的定量或定性模式引起，並且會產生質的差異，但在任何情況下都是負面的後果（見圖 1）。

圖 1. 需求-資源關係的類型和後果

一些理論試圖從需求的資源或容量方面開始定義 MWL，即資源關係。 這些資源理論可以細分為資源量和資源分配理論（Wieland-Eckelmann 1992）。 可用容量的數量可能來自單一來源（單 資源理論）決定加工。 此資源的可用性隨喚醒而變化 (Kahneman 1973)。 現代的 多種 資源理論假定一組相對獨立的處理資源。 因此，性能將取決於是否同時並發地需要相同資源或不同資源的條件。 例如，不同的資源是編碼、處理或響應資源（Gopher 和 Donchin 1986；Welford 1986）。 這些類型的理論最關鍵的問題是可靠地識別一種或多種明確定義的能力，用於定性不同的處理操作。

資源分配理論假設處理過程隨著不同的策略發生質的變化。 根據策略的不同，不同的心理過程和表徵可能適用於任務完成。 因此，不是穩定資源的數量而是靈活的分配策略成為關注的關鍵點。 然而，同樣重要的問題——尤其是關於策略診斷方法的問題——仍有待回答。

MWL 的評估：使用需求資源方法

由於缺乏明確定義的測量單位，目前不可能嚴格測量 MWL。 但是，可以肯定的是，評估的概念化和工具應該符合診斷方法的一般質量標準，這些標準具有客觀性、可靠性、有效性和實用性。 然而，截至目前，人們對擬議技術或儀器的整體質量知之甚少。

根據需求-資源方法（O'Donnell 和 Eggemeier 1986）評估 MWL 仍然存在困難的原因有很多。 MWL 評估的嘗試必須解決以下問題：任務是自我設定的、遵循自我設定的目標，還是參考外部定義的順序？ 需要哪些類型的能力（有意識的智力處理、隱性知識的應用等），它們是同時調用還是順序調用？ 是否有不同的策略可用，如果有，哪些策略可用？ 可能需要工作人員的哪些應對機制？

最常討論的方法試圖從以下方面評估 MWL：

1. 所需的努力（努力評估) 方法在某些版本中應用心理生理學驗證的縮放程序，例如 Bartenwerfer (1970) 或 Eilers、Nachreiner 和 Hänicke (1986) 提供的程序，或
2. 佔用，反之亦然，剩餘心智能力（心智能力評估) 方法應用傳統 雙重任務技術 正如 O'Donnell 和 Eggemeier (1986) 所討論的那樣。

這兩種方法都嚴重依賴於單一資源理論的假設，因此不得不與上述問題作鬥爭。

努力評估. 這種努力評估技術，例如，應用於感知的相關性的縮放程序 一般中樞激活, 由 Bartenwerfer (1970) 開發和驗證，提供可以通過圖形完成的語言量表，並對任務完成過程中感知到的所需努力的單維變化部分進行評分。 要求受試者通過所提供的量表的其中一個步驟來描述他們感知到的努力。

該技術滿足上述質量標準。 它的局限性包括量表的單維性，涵蓋了感知努力的重要但有問題的部分； 預測感知的個人任務結果的可能性有限或不存在，例如，在疲勞、無聊或焦慮方面； 尤其是高度抽像或形式化的努力特徵，它幾乎不會識別和解釋 MWL 的內容相關方面，例如，資格或學習選項的任何可能有用的應用。

心智能力評估. 心智能力評估包括雙重任務技術和相關的數據解釋程序，稱為 性能操作特性 （POC）。 雙重任務技術涵蓋多個程序。 它們的共同特點是要求受試者同時完成兩項任務。 關鍵假設是：與基線單一任務情況相比，雙重任務情況下的附加或次要任務惡化的程度越小，主要任務的心智能力要求就越低，反之亦然。 現在擴大了該方法，並研究了雙任務條件下各種版本的任務干擾。 例如，指示受試者同時執行兩項任務，並對任務的優先級進行分級變化。 POC 曲線以圖形方式說明了由於在並發執行的任務之間共享有限資源而可能產生的雙重任務組合的影響。

該方法的關鍵假設主要在於建議每項任務都需要一定份額的穩定、有限的有意識（相對於無意識、自動、隱含或默認）處理能力，在兩種能力要求的假設相加關係中，以及僅限於性能數據的方法。 由於多種原因，後者可能會產生誤導。 首先，性能數據和主觀感知數據的敏感性存在顯著差異。 感知負荷似乎主要取決於所需資源的數量，通常根據工作記憶進行操作，而性能指標似乎主要取決於資源共享的效率，具體取決於分配策略（這是 分離理論; 參見 Wickens 和 Yeh 1983）。 此外，信息處理能力和人格特質的個體差異強烈影響主觀（感知）、表現和心理生理領域的 MWL 指標。

理論方法：任務要求方法

正如已經表明的那樣，任務要求是多維的，因此，可能無法僅通過一個維度來充分描述，無論是感知的努力還是剩餘的有意識的心理能力。 更深刻的描述可能是類似概要的描述，應用理論上選擇的任務特徵分級維度模式。 因此，核心問題是“任務”的概念化，特別是在任務內容方面，以及“任務完成”，特別是在目標導向行動的結構和階段方面。 任務的作用被以下事實所強調：即使是環境條件（如溫度、噪音或工作時間）對人的影響也​​取決於任務，因為它們是由作為門控設備的任務調節的（Fisher 1986） . 各種理論方法充分同意那些關鍵任務維度，這些維度提供了對任務結果的有效預測。 在任何情況下，任務結果都是雙重的，因為（1）必須達到預期結果，滿足績效結果標準，以及（2）會出現一些意想不到的個人短期和累積的長期副作用，因為例如疲勞、無聊（單調）、職業病或內在動機、知識或技能的提高。

MWL的評估. 借助任務需求方法，以行動為導向的方法，如完整與部分行動或動機潛在得分（兩者的詳細說明，請參見 Hacker 1986），建議至少將以下內容作為不可或缺的任務特徵進行分析和評估：

• 關於自我設定目標決策的時間和程序自主權，以及因此對工作情況的透明度、可預測性和控制

• 子任務（特別是關於準備、組織和檢查實施結果）和完成這些子任務的行動的數量和種類（即，這些行動是否涉及週期性完整性或碎片化）

• 調節行為的心理過程和表徵的多樣性（“水平”）。 這些可能是心理自動化或常規化的，基於知識的“如果-那麼”或智力和解決問題的。 （它們也可能具有層次完整性而不是碎片化的特點）

• 需要合作

• 長期學習要求或選擇。

這些任務特徵的識別需要工作/任務分析的聯合程序，包括文件分析、觀察、訪談和小組討論，這些必須集成在準實驗設計中（Rudolph、Schönfelder 和 Hacker 1987）。 可指導和協助分析的任務分析工具是可用的。 其中一些僅有助於分析（例如，NASA-TLX 任務負荷指數，Hart 和 Staveland，1988 年），而另一些則有助於評估和設計或重新設計。 這裡的一個例子是 TBS-GA（Tätigkeitsbewertungs System für geistige Arbeit [任務診斷調查——腦力工作]）； 參見 Rudolph、Schönfelder 和 Hacker (1987)。

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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

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。

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警惕的概念是指人類觀察者在需要有效註冊和處理信號的任務中的警覺狀態。 警戒任務的主要特徵是持續時間相對較長，並且需要在其他刺激事件的背景下檢測不常見且不可預測的目標刺激（信號）。

警戒任務

警戒研究的典型任務是雷達操作員。 從歷史上看，它們在第二次世界大戰期間明顯不盡如人意的表現一直是對警惕性進行廣泛研究的主要推動力。 另一個需要警惕的主要任務是工業檢查。 更一般地說，需要檢測相對不頻繁信號的各種監控任務都包含無法檢測和響應這些關鍵事件的風險。

警戒任務構成了一個異構的集合，並且在幾個維度上有所不同，儘管它們具有共同的特徵。 一個明顯重要的維度是整體刺激率以及目標刺激率。 並非總是可以明確定義刺激率。 在需要針對連續呈現的背景刺激檢測目標事件的任務中就是這種情況，例如在監控任務中檢測一組刻度盤上的臨界值。 一個不太明顯的重要區別是連續判別任務和同時判別任務之間的區別。 在同步判別任務中，目標刺激和背景刺激同時出現，而在連續判別任務中，一個刺激一個接一個出現，因此對記憶提出了一些要求。 雖然大多數警戒任務需要檢測視覺刺激，但也研究了其他形式的刺激。 刺激可以限制在一個空間位置，或者目標刺激可以有不同的來源。 目標刺激可能與背景刺激在物理特徵上有所不同，但也可能在概念上有所不同（例如，儀表讀數的某種模式可能不同於其他模式）。 當然，目標的顯著性可能會有所不同：有些可以很容易地檢測到，而另一些可能很難與背景刺激區分開來。 目標刺激可以是唯一的，也可以有一組目標刺激沒有明確定義的邊界以將它們與背景刺激區分開來，就像許多工業檢測任務中的情況一樣。 這個警戒任務不同維度的列表可以擴展，但即使是這個列表的長度也足以強調警戒任務的異質性，從而強調在整個集合中概括某些觀察所涉及的風險。

性能變化和警惕性降低

警戒任務中最常用的性能指標是目標刺激的比例，例如，工業檢測中的缺陷產品，已被檢測到； 這是對所謂的概率的估計 點擊. 那些未被注意的目標刺激稱為 錯過. 雖然命中率是一個方便的衡量標準，但它有些不完整。 有一個簡單的策略可以讓一個人達到 100% 的命中率：一個人只需要將所有刺激分類為目標。 然而，100% 的命中率伴隨著 100% 的誤報率，也就是說，不僅目標刺激被正確檢測到，背景刺激也被錯誤地“檢測到”。 這種推理非常清楚，無論何時出現誤報，除了命中率之外，了解它們的比例也很重要。 警戒任務中另一個衡量績效的指標是響應目標刺激所需的時間（響應時間）。

警戒任務的表現表現出兩個典型的屬性。 一是警戒績效總體水平偏低。 與相同刺激的理想情況相比，它較低（觀察時間短，觀察者對每種歧視的高度準備等）。 第二個屬性就是所謂的警惕性遞減，即手錶使用過程中的性能下降，可以在開始的幾分鐘內開始。 這兩個觀察結果都指的是命中率，但它們也被報告為響應時間。 儘管警惕性遞減是警惕性任務的典型特徵，但它並不普遍。

在調查整體表現不佳和警惕性下降的原因時，將區分與任務基本特徵相關的概念和與機體和任務無關的情境因素相關的概念。 在與任務相關的因素中，可以區分戰略因素和非戰略因素。

警戒任務中的戰略流程

對信號（如故障產品）的檢測部分取決於觀察者的策略，部分取決於信號的可辨別性。 這種區分是基於 信號檢測理論 （TSD），並且需要介紹該理論的一些基礎知識以突出區別的重要性。 考慮一個假設變量，定義為“信號存在的證據”。 每當出現信號時，這個變量就會取一些值，而每當出現背景刺激時，它就會取一個低於平均值的值。 假設證據變量的值隨著信號的重複呈現而變化。 因此，它可以用所謂的概率密度函數來表徵，如圖 1 所示。另一個密度函數表徵背景刺激呈現時證據變量的值。 當信號與背景刺激相似時，函數會重疊，因此證據變量的某個值既可以來自信號，也可以來自背景刺激。 圖 1 的密度函數的特定形狀對於該論證來說不是必需的。

圖 1. 閾值和可辨別性

觀察者的檢測反應基於證據變量。 假設設置了一個閾值，以便只要證據變量的值高於閾值，就會給出檢測響應。 如圖 1 所示，閾值右側密度函數下的區域對應於命中和誤報的概率。 在實踐中，可以推導出兩個函數的分離估計和閾值的位置。 兩個密度函數的分離表徵了目標刺激與背景刺激的可辨別性，而閾值的位置表徵了觀察者的策略。 閾值的變化會產生命中率和誤報率的聯合變化。 閾值高，命中和誤報的比例小，閾值低，比例大。 因此，策略的選擇（閾值的放置）本質上是在某種可辨性可能的組合中選擇某種命中率和誤報率的組合。

影響閾值位置的兩個主要因素是收益和信號頻率。 當命中有很多好處而誤報損失很少時，閾值將設置為較低的值，而當誤報代價高昂且命中的好處很小時，閾值將設置為較高的值。 低閾值設置也可以由高比例的信號引起，而低比例的信號往往會引起較高的閾值設置。 信號頻率對閾值設置的影響是導致整體性能較低的主要因素，就警戒任務的命中比例和警惕性遞減而言。

從戰略變化（閾值變化）的角度來說明警惕性下降，要求監視過程中命中比例的降低伴隨著誤報比例的降低。 事實上，許多研究都是這種情況，警戒任務的整體表現不佳（與最佳情況相比）也可能至少部分是由閾值調整引起的。 在監視過程中，檢測響應的相對頻率與目標的相對頻率相匹配，這種調整意味著高閾值，命中比例相對較小，誤報比例也相對較小。 然而，警惕性下降是由可辨別性的變化而不是閾值設置的變化引起的。 這些主要在刺激事件發生率相對較高的連續辨別任務中觀察到。

警戒任務中的非戰略過程

儘管警戒任務的整體表現不佳和許多警惕性下降的實例可以根據檢測閾值對低信號率的戰略調整來解釋，但這樣的解釋並不完整。 在觀察過程中觀察者會發生變化，這會降低刺激的可辨別性或導致明顯的閾值偏移，這不能被視為對任務特徵的適應。 在 40 多年的警惕性研究中，已經確定了許多導致整體績效不佳和警惕性下降的非戰略因素。

在警戒任務中對目標的正確響應需要足夠精確的感官註冊、適當的閾值位置以及感知過程和相關響應相關過程之間的聯繫。 在觀察期間，觀察者必須保持一定的任務集，以一定的方式準備好對目標刺激作出反應。 這是一個重要的要求，因為如果沒有特定的任務集，觀察者將不會以所需的方式響應目標刺激。 因此，失敗的兩個主要來源是不准確的感覺記錄和對目標刺激的反應準備不足。 將簡要回顧解釋此類失敗的主要假設。

當刺激的外觀沒有時間或空間的不確定性時，刺激的檢測和識別會更快。 時間和/或空間的不確定性可能會降低警惕性。 這是基本的預測 期望理論. 觀察者的最佳準備需要時間和空間的確定性； 顯然警戒任務在這方面不是最佳的。 雖然預期理論的主要焦點是整體低績效，但它也可以解釋部分警惕性下降。 對於隨機間隔的不頻繁信號，在沒有信號出現的時候可能最初存在高水平的準備； 此外，將在準備程度較低時發出信號。 這通常會阻礙偶爾的高水平準備，因此從中獲得的任何好處都會在觀察過程中消失。

期望理論與 注意理論. 當然，警惕性注意理論的變體與一般注意的主導理論有關。 將注意力視為“處理選擇”或“行動選擇”。 根據這種觀點，刺激是從環境中選擇的，只要它們服務於當前主導的行動計劃或任務集，就會被高效地處理。 如前所述，選擇將受益於對此類刺激何時何地發生的精確預期。 但只有在行動計劃（任務集）處於活動狀態時才會選擇刺激。 （例如，汽車司機對交通信號燈、其他交通等做出反應；乘客通常不會這樣做，儘管兩者幾乎處於相同的情況。關鍵的區別在於兩者的任務集之間：僅司機的任務集需要對紅綠燈做出反應。）

當行動計劃暫時停用時，即當任務集暫時不存在時，用於處理的刺激選擇將受到影響。 警戒任務包含許多阻礙任務集持續維護的功能，例如處理刺激的周期時間短、缺乏反饋以及明顯的任務難度帶來的小動機挑戰。 在幾乎所有循環時間短的簡單認知任務中都可以觀察到所謂的阻塞，例如簡單的心算或對簡單信號的快速連續響應。 類似的阻塞也發生在警戒任務中任務集的維護中。 它們不會立即被識別為延遲響應，因為響應很少，並且在缺席任務集期間呈現的目標在缺席結束時可能不再存在，因此將觀察到未命中而不是延遲響應。 隨著在任務上花費的時間，阻塞變得更加頻繁。 這會導致警惕性下降。 適當任務集的可用性暫時失誤可能還有其他原因，例如，分心。

某些刺激不是為當前的行動計劃服務的，而是憑藉自身的特點而選擇的。 這些刺激是強烈的、新穎的、向觀察者移動的、突然發作的或出於任何其他原因可能需要立即採取行動的刺激，無論觀察者當前的行動計劃是什麼。 檢測不到此類刺激的風險很小。 它們會自動吸引註意力，例如定向反應所表明的那樣，定向反應包括將注視的方向轉向刺激源。 然而，接聽警鐘通常不被視為警惕性任務。 除了通過自身特性吸引註意力的刺激之外，還有一些刺激是作為練習的結果自動處理的。 它們似乎從環境中“蹦出來”。 這種自動處理需要通過所謂的一致映射進行擴展練習，即對刺激的一致分配反應。 一旦開發了刺激的自動處理，警惕性減量可能很小甚至不存在。

最後，警惕性表現因缺乏喚醒而受到影響。 這個概念以一種相當普遍的方式指代神經活動的強度，從睡眠到正常清醒再到高度興奮。 被認為影響覺醒的因素之一是外部刺激，在大多數警惕性任務中，這種刺激相當低且一致。 因此，在觀看過程中，中樞神經系統活動的強度會整體下降。 喚醒理論的一個重要方面是它將警惕性表現與各種與任務無關的情境因素和與機體相關的因素聯繫起來。

情境和有機因素的影響

低覺醒會導致警惕性任務表現不佳。 因此，可以通過傾向於增強喚醒的情境因素來提高性能，並且可以通過降低喚醒水平的所有措施來降低性能。 總的來說，這種概括對於警惕性任務的整體表現水平大多是正確的，但在不同類型的喚醒操作中，警惕性降低的影響是不存在的，或者觀察到的效果不太可靠。

提高喚醒水平的一種方法是引入額外的噪音。 然而，警惕性下降通常不受影響，並且就整體性能而言，結果不一致：觀察到性能水平增強、不變和降低。 也許噪聲的複雜性是相關的。 例如，它可以在情感上是中立的或煩人的； 它不僅會令人興奮，還會分散注意力。 更一致的是睡眠剝奪的影響，即“去喚醒”。 它通常會降低警覺性能，有時會增強警覺衰減。 鎮靜劑如苯二氮卓類藥物或酒精和興奮劑藥物如苯丙胺、咖啡因或尼古丁也觀察到警惕性的適當變化。

個體差異是警戒任務中表現的一個顯著特徵。 儘管個體差異在所有類型的警戒任務中並不一致，但它們在相似任務中是相當一致的。 性和一般智力的影響很小或沒有。 就年齡而言，警惕性表現在童年時期會增加，並在 XNUMX 歲以後趨於下降。 此外，內向的人很有可能表現出比外向的人更好的表現。

提高警惕性

現有的理論和數據提出了一些提高警惕性能的方法。 根據建議的具體程度，編制各種長度的列表並不困難。 下面給出了一些相當廣泛的建議，這些建議必須適合特定的任務要求。 它們與感知歧視的緩解、適當的戰略調整、不確定性的減少、注意力失誤的影響的避免和覺醒的維持有關。

警戒任務需要在非最佳條件下進行區分。 因此，最好使區分盡可能簡單，或使信號盡可能顯眼。 與此總體目標相關的措施可以很簡單（例如適當的照明或延長每件產品的檢查時間）或更複雜的措施，包括用於增強目標顯著性的特殊設備。 同時比較比連續比較更容易，因此參考標準的可用性會有所幫助。 借助於技術設備，有時可以快速交替地呈現標準和被檢查對象，從而使差異表現為顯示中的運動或視覺系統特別敏感的其他變化。

為了抵​​消導致目標正確檢測比例相對較低的閾值戰略變化（並且為了使任務在採取行動的頻率方面不那麼無聊），建議引入假目標。 但是，這似乎不是一個好的建議。 虛假目標會增加總體命中率，但代價是更頻繁的誤報。 此外，未檢測到的目標在所有未響應的刺激（工業檢測任務中的外發故障材料）中的比例不一定會減少。 更適合的似乎是關於命中和誤報的相對重要性的明確知識，以及可能獲得適當放置閾值以決定“好”和“壞”的其他措施。

時間和空間的不確定性是警惕性差的重要決定因素。 對於某些任務，可以通過定義要檢查的對象的特定位置來減少空間不確定性。 然而，對於時間的不確定性幾乎無能為力：如果目標的出現可以在其呈現之前發出信號，則觀察者在警戒任務中將是不必要的。 然而，原則上可以做的一件事是，如果故障傾向於成串出現，則將要檢查的對象混合在一起； 這用於避免沒有目標的非常長的間隔以及非常短的間隔。

對於減少注意力失誤或至少減少它們對錶現的影響，有一些明顯的建議。 通過適當的訓練，如果背景和目標刺激不太可變，也許可以獲得某種目標的自動處理。 可以通過頻繁的短暫休息、工作輪換、工作擴大或工作豐富化來避免持續維持任務集的要求。 引入多樣性可以很簡單，就像讓檢查員自己從盒子或其他位置獲取要檢查的材料一樣。 這也引入了自我調節，這可能有助於避免在任務集臨時停用期間出現信號。 任務集的持續維護可以通過反饋、主管表示的興趣和操作員對任務重要性的認識來支持。 當然，在典型的警戒任務中，性能水平的準確反饋是不可能的； 然而，就觀察者的動機而言，即使是不准確或不完整的反饋也會有所幫助。

可以採取一些措施來保持足夠的喚醒水平。 持續使用藥物可能在實踐中存在，但從未出現在建議中。 一些背景音樂可能有用，但也會產生相反的效果。 警戒任務期間的社交隔離應該盡量避免，在白天的低覺醒時間（如深夜），支持性措施（如短值班）尤為重要。

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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

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 和 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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