环境化学物的毒性作用及其影响因素.ppt

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1、第三章 环境化学物的毒性 作用及其影响因素,本章内容,第一节 毒性作用 第二节 影响毒性作用的因素,本章重点： 1.毒性作用的基本概念 2.影响毒性作用的因素 本章难点： 1.环境化学物的联合毒性作用 2.毒性作用的机制,第一节 毒性作用,一、基本概念 二、毒性作用的类型 三、环境化学物的联合毒性作用 四、毒性作用的机理,返回本章目录,一、基本概念,（一）毒物 （二）毒性 （三）中毒 （四）危险度与危害性 （五）剂量 （六）效应和反应 （七）剂量-效应关系和剂量-反应关系,（一）毒物 毒物（toxicant）是指在一定条件下，较小剂量就能引起机体功能性或器质性损伤的化学物质。 （二）毒性 毒性

2、（toxicity）是指一种物质能引起机体损害的性质和能力。,（三）中毒,中毒（toxication）是指机体受到某种化学物质的作用而引起功能性或器质性的病变。根据中毒发生发展的快慢，可区分为急性中毒、亚慢(急)性中毒和慢性中毒。,（四）危险度与危害性,危险度(risk)也称危险性或风险度，是指在一定暴露条件下引起机体某种不良效应发生的概率，即是指某种物质在具体的接触条件下，对机体造成损害可能性的定量估计。 危害性(hazard)的意义与危险度相似，但缺乏定量概念，未考虑机体可能接触的剂量和损害程度，一般指化学物对机体产生危害的可能性。,（五）剂量,剂量（dose）是指给予机体的或机体接触的外

3、源化学物的数量。 剂量的单位通常是以单位体质量接触的外源化学物数量（mg/kg体质量）或机体生存环境中的浓度（mg/m3空气，mg/L水）表示。 剂量是决定外源化学物对机体造成损害作用的最主要因素。同一种化学物，不同剂量对机体作用的性质和程度不同。,毒理学常用的几个剂量概念,1致死剂量（Lethal dose，LD）,2半数效应剂量（ED50）,3最小有作用剂量（MEL）,4最大无作用剂量（MNEL）,5急性毒作用带(Zac),致死剂量指以机体死亡为观察指标而确定的外源化学物剂量。按照可引起机体死亡率不同而有以下几种致死剂量：,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半数致死量（LD50）

4、,绝对致死量（LD100）,1致死剂量（Lethal dose，LD）,2半数效应剂量（ED50）,3最小有作用剂量（MEL）,4最大无作用剂量（MNEL）,5急性毒作用带(Zac),1. 致死剂量,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半数致死量（LD50）,绝对致死量（LD100）,(1)绝对致死量（LD100） 指能引起所观察个体 全部死亡的最低剂量， 或在实验中可引起实 验动物全部死亡的最 低剂量。,(2)半数致死量和半数致死 浓度 半数致死量（LD50）又称致死中量，指引起一群个体50%死亡所需剂量。 半数致死浓度（LC50），即引起一群个体50%死亡所需的浓度。一般以mg/m

5、3空气和mg/L水来表示。,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半数致死量（LD50）,绝对致死量（LD100）,最小致死量（MLD、LDmin或LD01）指在一群个体中仅引起个别死亡的最低剂量。低于此剂量即不能使个体死亡。,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半数致死量（LD50）,绝对致死量（LD100）,(3)最小致死量,最大耐受量（MTD或LD0）指在一群个体中不引起死亡的最高剂量。,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半数致死量（LD50）,绝对致死量（LD100）,(4)最大耐受量,2. 半数效应剂量,1致死剂量（Lethal dose，LD）,2半数效应剂

6、量（ED50）,3最小有作用剂量（MEL）,4最大无作用剂量（MNEL）,5急性毒作用带(Zac),半数效应剂量(ED50) 指外源化学物在一定的时间内按一定的方式与机体接触，引起机体某项生物效应发生50%改变所需的剂量。,1致死剂量（Lethal dose，LD）,2半数效应剂量（ED50）,3最小有作用剂量（MEL）,4最大无作用剂量（MNEL）,5急性毒作用带(Zac),最小有作用剂量（MEL）也称中毒阈剂量或中毒阈值，指外源化学物按一定方式或途径与机体接触时，在一定时间内，使某项灵敏的观察指标开始出现异常变化或机体开始出现损害作用所需的最低剂量。,3最小有作用剂量,1致死剂量（Leth

7、al dose，LD）,2半数效应剂量（ED50）,3最小有作用剂量（MEL）,4最大无作用剂量（MNEL）,5急性毒作用带(Zac),最大无作用剂量（MNEL） 又称未观察到作用剂量（NOEL）或称未观察到有害作用的剂量(NOAEL），指外源化学物在一定时间内按一定方式或途径与机体接触后，用目前最为灵敏的方法和观察指标，未能观察到任何对机体损害作用的最高剂量。,4最大无作用剂量,（六）效应和反应,1.效应 效应（effect）指一定剂量外源化学物与机体接触后所引起的生物学变化。此种变化的程度大多可用计量单位表示。 2.反应 反应（response）指一定剂量的外源化学物与机体接触后，呈现某种

8、效应并达到一定程度的比率，或产生效应的个体数在某一群体中所占的比例。,（七）剂量-效应关系和剂量-反应关系,1剂量-效应关系和剂量-反应关系 剂量效应关系：是指不同剂量的外源化学物与其在个体或群体中所引起的量效应大小之间的相关关系。 剂量反应关系：是指不同剂量的外源化学物与其引起的效应发生率之间的关系。,2剂量-效应关系和剂量-反应关系曲线,剂量效应关系和剂量反应关系均可用曲线表示(图3-1)，即以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率或比值为纵坐标，以剂量为横坐标绘制散点图所得的曲线。 （1）直线型 （2）抛物线型 （3）S形曲线,图3-1 剂量-反应曲线图,图3-1a （直线型） 图3-

9、1b （抛物线型）,图3-1c （S型线型） 图3-1d 剂量反应曲线,图3-1 剂量-反应曲线图,二、毒性作用的类型,（一）局部和全身毒性作用,（二）速发和迟发毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特异体质反应,某些环境化学物可引起机体直接接触部位的损伤，称局部毒性作用。 环境化学物被吸收后，随血循环分布全身而呈现的毒性作用，称为全身毒性作用。,（四）变态反应,（一）局部和全身毒性作用,（二）速发和迟发毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特异体质反应,某些环境化学物一次接触后在短时间内引起的毒性作用，称为速发毒性作用。 迟发毒性作用是指一次或多次接触某些化学物后，需经一段时间后

10、才呈现的毒性作用。,（四）变态反应,（一）局部和全身毒性作用,（二）速发和迟发毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特异体质反应,停止接触化学物后可逐渐消退的毒性作用，称可逆毒性作用。如果机体接触化学物的浓度低、时间短、损伤轻，可以是可逆的毒性作用。 不可逆毒性作用是指停止接触化学物后，其作用继续存在，甚至损伤可进一步发展。化学物的致突变、致癌变作用是不可逆毒性作用。,（四）变态反应,（一）局部和全身毒性作用,（二）速发和迟发毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（四）变态反应,（五）特异体质反应,变态反应(allergic reaction):是指机体对环境化学物产生的一种有害免疫介导

11、反应，又称过敏性反应。,（一）局部和全身毒性作用,（二）速发和迟发毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特异体质反应,特异体质反应(idiosyncratic reaction):一般是指遗传所决定的特异体质对某种化学物的异常反应，又称特发性反应。,（四）变态反应,三、环境化学物的联合毒性作用,凡两种或两种以上的化学物同时或短期内先后作用于机体所产生的综合毒性作用，称为化学物的联合毒性作用。 （一）联合作用的类型,多种环境化学物同时作用于机体所产生的生物学作用的强度是各自单独作用的总和，此种作用称为相加作用。,两种或两种以上环境化学物同时作用于机体，所产生生物学作用的强度远远超过各化学物

12、单独作用强度的总和，此种作用称为协同作用。,一种环境化学物本身对机体并无毒性，但能使与其同时进入机体的另一种环境化学物的毒性增强，此种作用称为增强作用或增效作用。,两种环境化学物同时作用于机体时，其中一种化学物可干扰另一种化学物的生物学作用，或两种化学物相互干扰，使混合物的毒作用强度低于各自单独作用的强度之和，此种作用称为颉颃作用。,两种或两种以上的环境化合物作用于机体，各自的作用方式、途径、受体和部位不同，彼此互无影响，仅表现为各自的毒作用，对此称为独立作用。,（二）联合作用类型的评定,1联合作用系数法 联合作用系数（K）= 混合物的预期LD50混合 物实测LD50。 混合物的预期LD50值

13、的计算公式如下： 式中：A，B， ，N，代表混合物中的各化合物； a，b， ，n，分别为各化合物在混合物中所占 的质量比例，,2等效应线图法,如图3-2所示，本法只能评定两个化合物的联合作用，其原理是在试验条件和接触途径相同情况下分别求出受试的甲、乙两种化合物的LD50及其95%可信限。,注:ad相加作用；at颉颃作用；sy协同作用 横纵坐标分别表示乙、甲化学物的LD50及其95%可信上下限(mg/kg)。,图3-2 联合作用的等效应曲线,四、毒性作用的机理,（一）干扰正常受体-配体的相互作用 受体（receptor）是许多组织细胞的生物大分子，与化学物即配体（ligand）相结合后形成配体受

14、体复合物，能产生一定的生物学效应。 许多环境化学物尤其是某些神经毒物的毒性作用与其干扰正常受体配体相互作用的能力有关。,在体内，肉毒毒素能特异性地与胆碱能神经末梢突触前膜的表面受体相结合，然后由吸附性胞饮而内转进入细胞内（此过程称为毒素的内转，internalization），因为此时囊泡不能再与突触前膜融合，从而有效地阻抑了胆碱能神经介质乙酰胆碱的释放。乙酰胆碱释放的抑制有效地阻断了胆碱能神经传导的生理功能，尤其是神经肌肉接头部位特别敏感。呼吸肌麻痹是致死的主要原因。,（二）细胞膜损伤,维持细胞膜的稳定性对机体内的生物转运、信息传递及内环境稳定是非常重要的。 某些环境化学物可引起膜成分的改变

15、。 有些环境化学物可改变膜脂流动性。 有的可影响膜上某些酶的活力。 膜通透性的改变主要也是膜蛋白的改变。,细胞膜通透性的改变,心脏毒素: 穿插到细胞膜上, 改变细胞膜间的通透性, 利用三个指环与细胞膜作用。,心脏毒素,(摘自:atp.life.nctu.edu.tw/ snake/protein/cxn_mem.html ),（三）干扰细胞内钙稳态,正常情况下细胞内的钙浓度较低（10-710-8 mol/L）, 细胞外浓度较高（10-3mol/L）, 内外浓 度相差103104倍。钙作为细胞的第二信使,在调 节细胞内功能方面起着关键性作用。 环境化学物可以通过干扰细胞内钙稳态引起 细胞损伤和死

16、亡。,各种细胞毒物如硝基酚、醌、过氧化物、醛类、二恶英、卤化链烷、链烯和Cd2+、Pb2+、Hg2+等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态, 从而引起细胞损伤或死亡。,（四）干扰细胞能量的产生,机体内的能量来源于糖类和脂肪类的生物氧化，所产生的能量以形成三磷酸腺苷 （ATP）的形式贮存起来，为各种生命活动提供能量，这种氧化磷酸化过程又称细胞呼吸链。 有些环境化学物可干扰糖类氧化，使细胞不能产生ATP。,细胞缺乏ATP可导致功能丧失或者死亡。,（五）自由基与脂质过氧化,自由基（free radical）是指具有奇数电子的分子，或者化合物的共价键发生均裂而产生具有奇数电子的产物。 有些环境化学物本身具有

17、自由基性质，如NO2；有的环境化学物化学性质活泼，与多不饱和脂肪酸作用后可形成自由基，如O3、单线态氧（O2）；有的化合物可经代谢形成自由基，自由基可引起脂质过氧化作用，还可攻击核酸。,多不饱和脂肪酸链的过氧化作用,自由基对细胞膜的损伤,（六）与生物大分子结合,环境化学物与生物大分子结合可分非共价结合和共价结合。 共价结合可改变核酸、蛋白质和酶及脂质等生物大分子结构与功能，引起一系列生物学改变。,（七）选择性细胞致死,有些外源化学物对某种组织器官的细胞有选择性致死毒性。,（八）非致死性遗传改变,某些环境化学物可干扰DNA复制和修复，引起DNA损伤和染色体异常，这些毒性作用虽然不一定引起细胞死亡

18、，但对体细胞可诱发细胞突变和癌变，对生殖细胞可遗传于下代，有的还可产生遗传性疾病，甚至畸胎。,摘自(人民网联报网),返回本章目录,第二节 影响毒性作用的因素,一、环境化学物的结构与性质 二、机体（宿主）状况 三、接触条件 四、环境因素,返回本章目录,一、环境化学物的结构与性质,（一）结构与毒性 研究外源化学物的结构与毒性之间的关系，有助于通过比较来预测新化合物的生物活性、作用机理和安全限量范围。如同系物的碳原子数、烃基 、分子饱和度、卤素取代、羟基、酸基和酯基、胺基、构型及有机磷化合物结构与毒性。,（二）物理性质与毒性,环境化学物的物理性质如分子量、熔点、折射率等对其毒性均有影响，其中主要有以

19、下几点: 1.脂水分配系数 即化合物在脂（油）相和水相的溶解达到平衡时的平衡常数，称为脂（油）水分配系数。 2.电离度 3.挥发度和蒸汽压 4.分散度 5.纯度,毒物在水中的溶解度直接影响毒性的大小，水中溶解度越大，毒性愈大。如As2S3溶解度较As2O3小3万倍，其毒性亦小。,影响毒性作用部位：如刺激性气体中在水中易溶解的氟化氢(HF)、氨等主要作用于上呼吸道，而不易溶解的二氧化氮(NO2)则可深入至肺泡，引起肺水肿。,脂溶性物质易在脂肪蓄积，易侵犯神经系统。,2.电离度,电离度愈低。非离子型比例越高，越易被吸收而发挥毒效应 反之，离子型比例越高，较难吸收而易随尿液排出,3、挥发度和蒸汽压,

20、有些有机溶剂的LD50值相似，即其绝对毒性相当，但由于其各自的挥发度不同，所以实际毒性可以相差较大。如苯与苯乙烯的LC50值均为45mgL，即其绝对毒性相同。但苯很易挥发，而苯乙烯的挥发度仅及苯的111，所以苯乙烯形成空气中高浓度就较困难，实际上比苯的危害性为低。在慢性毒性试验时，用喂饲法染毒应注意毒物的挥发性，毒物加入饲料中可因挥发而减低剂量。,4、分散度,粉尘、烟、雾等状态物质，其毒性与分散度有关。颗粒越小分散度越大，比表面积越大，生物活性也越强。分散度还与颗粒在呼吸道的阻留有关。 大于10m颗粒在上呼吸道被阻， 5m以下的颗粒可达呼吸道深部， 小于0.5m的颗粒易经呼吸道再排出， 小于0

21、.1m的颗粒因弥散作用易沉积于肺泡壁。 毒物颗粒的大小可影响其进入呼吸道的深度和溶解度，从而可影响毒性。,5、纯度,在生产环境中生产或使用的化学物质常含有一定数量的不纯物，其中有些不纯物的毒性比原来化合物的毒性高，对此若不加注意，可影响对一些化合物毒性的正确评定。,例: 除草剂2,4,5-三氯苯氧乙酸(2,4,5-T)，在早期对此化合物进行研究时，由于样本中夹杂有相当量的四氯二苯-对位-二恶烷(TCDD)(30mg/Kg)，此种杂质毒性非常大，急性经口LD50(雌大鼠)仅为2,4,5-T的雌大鼠经口LD50的400万分之一。因此，即使2,4,5-T中杂质含量很低(低于0.5mg/kg)，仍影响

22、其毒性。2,4,5-T的胚胎毒性是由于杂质所引起，而不是2,4,5-T本身所致。,二、机体（宿主）状况,(一)种属和个体差异,(二)性别与激素,(三)年龄,(四)营养与健康,(五)生物节律,机体对环境化学物的感受性和耐受性，与其种属、年龄、性别、营养和健康状况等有关。,(一)种属和个体差异,(二)性别与激素,(三)年龄,(四)营养与健康,(五)生物节律,不同种属的动物和同种动物中的不同个体之间对同一毒物的感受性有差异，其原因主要是由于毒物在体内的代谢差异（如代谢酶）所致。,物种间遗传学差异：,解剖、生理的差异： 不同物种、种属、品系的动物的解剖、生理、遗传学和代谢过程均有差异。例如，肝脏分叶，

23、狗为7叶，兔5叶，大鼠6叶，小鼠4叶，且大鼠无胆囊；大鼠和小鼠全年可发情，狗只有在春秋两季两次发情；体细胞染色体的数目狗为78条，兔44条，大鼠42条，小鼠40条，人46条。各种动物的脉率随体重增加而降低。此外，以人心脏每分钟输出量占总血量的比值为1，则小鼠为20，所以化学物从血浆中清除的半衰期小鼠较人短，相同剂量的化学物对人体的作用时间比小鼠长。这可以部分解释人比小鼠对毒物更敏感。,代谢的差异： 包括量和质的差异，是影响化学物毒性的主要因素。 量的差异意味着占优势的代谢途径不同，可导致毒性反应的不同。如小鼠每克肝脏的细胞色素氧化酶活性为141活性单位，大鼠为84，兔为22。苯胺在猪、狗体内转

24、化为毒性较强的邻氨基苯酚，而在兔体内则生成毒性较低的对氨基苯酚；萘胺在人体内经N羟化可诱发膀胱癌，而豚鼠肝脏内不能将其N-羟化，因而不诱发肿瘤。 代谢酶还存在质的差异。如猫，缺乏催化酚葡萄糖醛酸结合的同功酶，因而猫对苯酚的毒性反应比其他能通过葡萄糖醛酸结合解毒的动物敏感。,物种间遗传学差异：,(一)种属和个体差异,(二)性别与激素,(三)年龄,(四)营养与健康,(五)生物节律,性别对化学物毒性的影响主要见于成年动物。一般来说雌、雄两性动物对毒物的感受性相似。但是对一部分类型的化合物则出现性别差异，特别是大鼠。,(一)种属和个体差异,(二)性别与激素,(三)年龄,(四)营养与健康,(五)生物节律

25、,新生和幼年动物通常对毒物较成年动物敏感，约敏感1.510倍。动物发育的不同阶段，某些组织器官和酶系等的发育并不相同。新生动物中枢神经系统（CNS）发育还不完全，故对CNS的兴奋剂敏感性较差，而对抑制剂则较敏感。,(一)种属和个体差异,(二)性别与激素,(三)年龄,(四)营养与健康,(五)生物节律,营养不足或失调将影响化学物的毒性作用。蛋白质缺乏将引起酶蛋白合成减少及酶活性降低，使毒物代谢减慢，机体对多数毒物的解毒能力降低，毒物毒性增加。,(一)种属和个体差异,(二)性别与激素,(三)年龄,(四)营养与健康,(五)生物节律,生物节律即生物钟是生命进化过程中长期历史形成的基本特征，故化学物的毒性

26、与其进入机体发挥作用的时间有关。,季节或昼夜节律,（二）溶剂,（一）接触途径,（三）毒物浓度与容积,（四）交叉接触,三、接触条件,（一）接触途径,接触化学物的途径不同，则吸收、分布、首先到达的组织器官不同，对其代谢转化、毒性反应的性质和程度也有影响。各种接触途径中以静脉注射吸收最快，其它途径的吸收速度一般依次为：呼吸道腹腔注射肌内注射经口经皮。吸入接触与静脉注射的吸收速率相近。,染毒时往往要将毒物用溶剂溶解或稀释，有时还要用助溶剂。有的溶剂和助溶剂可改变化合物的理化性质和生物活性。因此，选用的溶剂和助溶剂应是无毒的、与受试毒物无反应、且制成的溶液应稳定。,（二）溶剂,一般在同等剂量情况下，浓溶

27、液较稀溶液毒作用强。,（三）毒物浓度与容积,毒物经呼吸道接触时，应保护皮肤，防止气态毒物经皮肤吸收。对易挥发化合物经皮涂布接触时，应将涂布处密封起来，以防其蒸气经呼吸道吸收或动物舔食涂布部位引起经消化道吸收。,（四）交叉接触,四、环境因素,许多环境因素可影响环境化学物的毒性作用，如气温、气压、昼夜或季节节律及其它物理因素（如噪声）、化学因素（联合作用）等。,返回总目录,返回本章目录,1、气温,58种化合物在不同环境温度(8、26和36)下对于大鼠LD50的影响: 55种化合物在36高温环境下毒性最大， 26环境下毒性最小；引起代谢增高的毒物如五氯酚，2,4-二硝基酚在8毒性最低; 引起体温下降的毒物如氯丙嗪在8时毒性最高。,高气湿可造成冬季易散热，夏季不易散热，增加机体体温调节的负荷。高气湿伴高温可因汗液蒸发减少，使皮肤角质层的水合作用增加，进一步增加经皮吸收的化学物的吸收速度，并因化学物易粘附于皮肤表面而延长接触时间。 3、气压：,2、气湿,