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毒理學總則

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。

 

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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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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 (pKa)
  • 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 (pKa) 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 pKa 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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(pKa)、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。

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。

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:

  1. 獨立. 每種藥劑因作用機制不同而產生不同的效果,
  2. 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。
  3. 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。

 

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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
無門檻:
肺癌(單位風險 4.6 x 10-3)
  門檻:
增加低分子蛋白的排泄(β2 -M, RBP) 在尿液中
  肺氣腫輕微功能改變
領導 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) 蛋白尿
成人
中樞神經系統
精神運動功能受損
  兒童
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 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

TOX080F1

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TOX050F1

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

TOX050F2

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毒素050f4

圖 4. 藥物代謝酶的例子

TOX050T1

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

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, Bb 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、CYP3CYP4. 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、CYP3CYP4 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 GS​​TM1。 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
放慢 沒有 Permium Partner 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

TOX050F6

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。

 

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