第04章毒性作用机制.ppt

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1、第四章 毒性作用机制 2012.09,第四章 毒理作用机制,第一节 毒性作用基本概念 第二节 毒性损伤的指标 第三节 毒性作用机制 第四节 影响毒物毒性作用的因素,第一节 毒性作用基本概念,一、毒物 二、毒性 三、损害作用与非损害作用 四、度效应谱 五、靶器官 六、生物学标志,一、毒物,在一定条件下，以较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时或永久的病理改变，甚至危及生命的化学物质称为毒物（toxicants）。,终毒物（ultimate toxicant）是指与机体内源靶分子 (如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质)反应或严重地改变生 物学环境、启动结构和功能而表现出毒性的物

2、质。主要为一 些化学物质经过生物转化后代谢为有害的产物。,（1）毒物按化学性质可分为： 挥发性毒物：如有机磷、氰化物等； 非挥发性毒物：如吗啡、生物碱等； 阴离子毒物：如硫酸、氢氧化钠等； 金属毒物：如砷、汞、铅等。,毒物的类型,（2）按毒物在生物体中的作用机理分： 腐蚀毒：如硫酸、盐酸、KOH等； 实质毒：如砷、铅、汞、P等； 酶系毒：如有机磷氧化物、PO2等； 血液毒：如CO、亚硝酸盐,（3）按毒物用途和分布范围分为： 环境污染物：如废水、废气、废渣等； 工业化学品：如生产原料、辅料、中间体等； 日常化学品：如化妆品、洗涤用品等； 农用化学品：如化肥、杀虫剂等； 医用化学品：如药物、消杀剂

3、等； 食品添加剂：如食用色素、香精、防腐剂等； 生物毒素：如动物毒素、植物毒素等； 军事毒物：如芥子气等战争毒素。,1. 毒性的定义 是指化学物质与机体接触或者进入机体内的 易感部位后，对机体造成损害的能力，称为该物 质的毒性(toxicity)。 引起机体某种损害反应的剂量是衡量物质毒性 大小的重要指标。 2.毒性的影响因素 剂量； 接触途径（经静脉、经口、经皮等）； 接触期限、接触速率和接触频率；,二、毒性,接触期限 急性毒性试验 24小时内一次或多次染毒 亚急性毒性试验 在1个月或短于1个月的重复染毒 亚慢性毒性试验 在1个月至3个月的重复染毒 慢性毒性试验 在3个月以上的重复染毒,毒性

4、作用（toxic effect）又称为毒效应、不良效应、损伤作用或损害作用，是化学物质对机体所致的不良或有害的生物学改变。,三、毒性作用的分类,速发或迟发性作用 局部或全身作用 可逆或不可逆作用 过敏性反应 特异体质反应,毒性作用的分类：,1.速发或迟发性作用： 速发性毒性作用(immediate toxic effect) ：一次接触后的短时间内所引起的即刻毒性作用。 迟发性毒性作用(delayed toxic effect)：一次或多次接触，经一定时间间隔才出现的毒性作用。,2.局部或全身作用： 局部毒性作用(local effect)： 在机体接触部位直接造成的损害作用。 全身毒性作用(

5、systemic effect)： 被机体吸收并分布至靶器官或全身后所产生的损害作用。,3.可逆或不可逆作用： 可逆作用(reversible effect)： 是指停止接触外源化学物后可逐渐消失的毒性作用。 不可逆作用(irreversible effect)： 是指在停止接触外源化学物后其毒性作用继续存在，甚至对机体造成的损害作用可进一步发展。,4.过敏性反应(hypersensitivity)： 也称变态反应(a11ergic reaction)，是机体对外源化学物产生的一种病理性免疫反应。 5.特异体质反应：(idiosyncratic reaction) 通常是指机体对外源化学物的一

6、种遗传性异常反应。,四、损害作用与非损害作用,损害作用的特点： 影响正常形态学、生理学、生长发育过程，缩短寿命。 功能容量降低。 外加应激代偿能力降低。 某些不利环境影响因素的易感性增高。,非损害作用的特点： 不改变机能形态、生长发育和寿命； 不降低功能容量； 不损伤额外应激状态代偿能力。 在机体代偿能力范围之内，维持机体稳态的能力，不增高外界不利因素影响的易感性。,毒效应谱(spectrum of toxic effects)： 是指化学物质对机体引起的毒性作用的性质和强度的 变化。取决于外源化学物的性质和剂量，可引起多种变化。 包括： 机体对外源化学物的负荷增加； 意义不明的生理和生化改变

7、； 亚临床改变； 临床中毒； 甚至死亡。,五、毒效应谱,适应(adaptation)：是机体对一种通常能引起有害作用的化学物显示不易感性或易感性降低。 抗性(resistance)：用于一个群体对于应激原化学物反应的遗传机构改变，以至与未暴露的群体相比有更多的个体对该化学物不易感性。 耐受(tolerance)：对个体是指获得对某种化学物毒作用的抗性，通常是早先暴露的结果。,产生耐受性的主要机制： 1）毒物到达产生毒性作用部位的数量减少； 2）解毒系统诱导性活性增强； 3）化学性或功能性拮抗剂摄入增加。,六、靶器官,1.选择毒性（selective toxicity）： 指一种化学物质只对某种

8、生物产生损害作用，而对其他种类生物无害；或只对机体内某一组织器官发挥毒性，而对其他组织器官不具毒作用。,2.靶器官 (target organ)： 外源化学物可以直接发挥毒作用的器官就称为该物质的靶器官。 许多化学物质有特定的靶器官，另有一些则作用于同一个或同几个靶器官。 在同一靶器官产生相同毒效应的化学物质，其作用机制可能不同。 某个特定的器官成为毒物的靶器官可能有多种原因。,某个特定器官成为毒物靶器官的原因： 该器官的血液供应； 存在特殊的酶或生化途径； 器官的功能和在体内的解剖位置； 对特异性损伤的易感性； 对损伤的修复能力； 具有特殊的摄入系统； 代谢毒物的能力和活化解毒系统平衡； 毒

9、物与特殊的生物大分子结合等。,生物学标志(biomarker，biological marker)： 指针对通过生物学屏障进入组织或体液的化学物质 即其代谢产物、以及它们所引起的生物学效应而采用 的检测指标。 可分为：接触生物学标志； 效应生物学标志； 易感性生物学标志。,七、生物学标志,图4.1 从暴露到健康效应的模式图和与生物学标志的关系,1.接触生物学标志(biomarker of exposure)： 是对各种组织、体液或排泄物中存在的化学物质及其代谢产物，或它们与内源性物质作用的反应产物的测定值，可提供有关化学物质暴露的信息。 包括：体内剂量标志即内剂量或靶剂量； 生物效应剂量标志。

10、,2.效应生物学标志(biomarker of effect)： 指机体中可测出的生化、生理、行为等方面的异常或病理组织学方面的改变，可反映与不同靶剂量的外源化学物或其代谢物有关联的对健康有害效应的信息。 包括：反映早期生物效应； 结构和或功能改变； 疾病。,3.易感性生物学标志(biomarker of susceptibility)： 是关于个体对外源化学物的生物易感性的指标，即反映机体先天具有或后天获得的对接触外源性物质产生反应能力的指标。 可用以筛检易感人群，保护高危人群。,生物学标志的意义： 1）可成为评价外源化学物对人体健康状况影响的有 力工具； 2）接触标志用于人群可定量确定个体

11、的暴露水平； 3）效应标志可用于确定剂量反应关系和有助于在 高剂量暴露下获得的动物实验资料外推人群低剂 量暴露的危险度； 4）易感性标志可鉴定易感个体和易感人群。,第二节 毒性损伤的指标,一、剂量反应关系 二、毒效指标 三、安全限值 四、安全性评价,一、剂 量反应关系,1. 剂量(dose) 是决定外源化学物对机体损害作用的重要因素。 接触剂量(exposure dose)； 吸收剂量(absorbed dose)； 到达剂量(delivered dose)。,2.效应（effect) 是量反应，指接触一定剂量外来化学物后所引起的一个生物、器官或组织的生物学改变。 特点：仅涉及个体，即一个动物

12、或一个人； 可用一定计量单位来表示其强度。,3.反应（response） 是质反应，指接触某一化学物的群体(population) 中出现某种效应的个体在群体中所占比率。 特点：1.涉及群体，如一组动物或一群人； 2.一般以百分率或比值来表示。,效应，又称为量反应(graded response) 通常与表示化学物质在个体中引起的毒效应强度的变化。 属于计量资料，有强度和性质的差别，可以某种测量数值 表示。这类效应称为量反应。 反应，质反应 (quantal response) 用于表示化学物质在群体中引起的某种毒效应的发生比 例。属于计数资料，没有强度的差别，不能以具体的数值 表示，而只能以

13、“阴性或阳性”、“有或无”来表示，如死亡或 存活、患病或未患病等，称为质反应。,4.剂量反应关系 剂量效应关系dose-effect relationship 表示化学物质的剂量与个体中发生的量反应强度之间的关系。 剂量反应关系dose-response relationship 表示化学物质的剂量与某一群体中质反应发生率之间的关系。,5. 剂量反应曲线 对称S形曲线 S形曲线 非对称S形曲线 直线 抛物线,在饲料中敌杀磷染毒七天的剂量-效应关系,半数致死量LD50 半数中毒剂量TD50 半数效应剂量ED50,（一） 致死剂量 （二）最大无作用剂量 （三）最小有作用剂量 （四）毒作用带,二、毒

14、效指标,1. 致死剂量 指在急性毒性试验中外源化学物引起受试实验动物死亡的剂量或浓度，通常按照引起动物不同死亡率所需的剂量来表示。 绝对致死量或浓度(LD100或LC100) 半数致死剂量或浓度(LD50或LC50) 最小致死剂量或浓度(MLD,LD01或MLC,LC01) 最大耐受剂量或浓度(MTD,LD0或MTC,LC0),2.最大无作用剂量（maximal no-effect dose,MNL）指化学物质在一定时间内，按一定方式与机体接触，用现代的检测方法和最灵敏的观察指标不能发现任何损害作用的最高剂量,也称未观察到损害作用的剂量（NOAEL，no observed adverse ef

15、fect level) 是评价外源化学物毒性作用与制订安全限值的重要依据,3.最小有作用剂量（minimal effect level,MEL）指化学物质引起受试对象中的少数个体出现某种最 轻微的异常改变所需要的最低剂量，又称为阈剂量 （threshold dose）称观察到损害作用的剂量 （LOAEL，lowest observed adverse effect level) 急性阈剂量（acute threshold dose, Limac） 为与化学物质一次接触所得。 慢性阈剂量（chronic threshold dose, Limch） 则为长期反复多次接触所得。,4.毒作用带（to

16、xic effect zone） 是表示化学物质毒性和毒作用特点的重要参数之一。 分为：急性毒作用带 慢性毒作用带,急性毒作用带（acute toxic effect zone, Zac）为半数致死剂量与急性阈剂量的比值，表示为： Zac=LD50/Limac Zac值小，危险性大； 反之，则说明引起死亡的危险性小。,慢性毒作用带（chronic toxic effect zone, Zch）为急性阈剂量与慢性阈剂量的比值，表示为： Zch= Limac /Limch Zch值大，危险性大； 反之，则说明发生慢性中毒的危险性小。,毒性参数和安全限量的剂量轴,安全限值（safe level） 即

17、卫生标准，在低于此种浓度和接触时间 内，对个体或群体健康的危险度是可忽略的。,三、安全限值,每日容许摄入量(acceptable daily intake，ADI) 以此量终身摄入无可测量的健康危险性。 可耐受摄入量（tolerable intake，TI） 指没有可估计的有害健康的危险性对一种物质终生摄入的容许量。 最高容许浓度(maximal allowable concentration ，MAC)系指某一外源化学物可以在环境中存在而不致对人体造成任何损害作用的浓度。 阈限值 (threshold limit value,TLV)为ACGIH（American Conference of

18、 Governmental Industrial Hygienists) 推荐的生产车间空气中有害物质的职业接触限值。 参考剂量 (reference dose，RfD) 指一种日平均剂量的估计值。,四、安全性评价,动物试验外推到人的三种方法： 利用不确定系数(安全系数)； 利用药物动力学外推(广泛用于药品安全性评价并考虑到受体敏感性的差别)； 利用数学模型。,1.安全系数(safety factor,SF),消除动力学：研究体内药物 浓度变化速率的规律。 n1时，为一级动力学 n0时，为零级动力学,2.药物动力学,1). 一级动力学消除（恒比消除） 指药物的消除速率与血药浓度成正比 单位时间

19、内消除某恒定比例的药量 消除速率与血药浓度有关 半衰期恒定, t1/2与浓度无关 ke：单位h-1，它不表示单位时间内 实际消除的药量，而是体内药量瞬时 被消除的百分率 绝大多数药物都是按一级动力学消除,指血药浓度按恒定消除速度进行消除，与血药浓度无关。 单位时间消除恒量的药物 消除速率与药量或浓度无关 半衰期不恒定，可随给药剂量或浓度而变化。 k的单位mg/h，t1/2随初始给药浓度值而变化,2). 零级动力学消除（恒量消除）,3. 安全剂量(virtual safety dose，VSD) 指低于此剂量能以99可信限的水平使超额癌症发生率低于10-6，即100万人中癌症超额发生低于1人。

20、致癌物的VSD可以用多种数学模型或用不确定系数来估算。,第三节 毒性作用机制,一、化学物质产生毒性的可能途径 二、化学物质的毒性作用 三、机体的防御系统 四、细胞的运作,一、化学物质产生毒性的可能途径,二、化学物质的毒性作用,（一）化学物质对生物膜的损害作用 （二）化学物质对细胞钙稳态的影响 （三）化学物质对生物大分子的氧化损伤 （四）化学物质与生物大分子的共价结合,（一）化学物质对生物膜的损害作用,1.对膜通透性影响 2.对膜流动性影响 3.对膜上蛋白质影响,（二）化学物质对细胞钙稳态的影响 1.细胞内钙稳态（calcium homeostasis）,正常细胞内钙稳态调节示意图,2.细胞内钙

21、稳态失调,（1）细胞内钙稳态失调概念（distrution of calcium homeostasis) 在细胞受损时可导致Ca2+内流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外逐出Ca2+，表现为细胞内Ca2+浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，则称为细胞内钙稳态的失调。 Ca2+进入/离开细胞液的途径？ 进入：质膜钙通道；细胞内钙库释放通道。 离开：Ca2+泵的作用；Na+- Ca2+交换。,(2)细胞内钙稳态失调机制 Ca2+失调或紊乱，将完全破坏正常生命活动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂的Ca2+瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的

22、细胞成分的分解代谢过程。这就是所谓中毒机制中钙稳态失调学说。 细胞膜通透性增加； Na+- Ca2+交换异常； 线粒体功能障碍。,Ca2+变化，损伤细胞的途径： 1)正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号的受损； 2)钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、 磷脂酶和核酸内切酶； 3)损伤细胞骨架； 4)损害线粒体； 5)与细胞凋亡有关；,3.细胞内钙稳态失调与细胞毒性,重金属离子 农药 四氯化碳,重金属离子,铅：与Ca2+及CaM结合，激活Ca-CaM依赖酶系； 高浓度时激活巯基，可抑制Ca-CaM依赖酶系，并呈剂量效应关系。 镉：可使CaM含量减少；可改变免疫系统、雄性生殖系统以及心肌等。 钙调

23、素拮抗剂可预防或减轻损伤作用。,农 药,拟除虫菊酯为神经毒化合物 结果：使细胞核内游离钙浓度增高 机制：可能与其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM和磷酸二酯酶(PEE)有关。,四氯化碳,可抑制肝细胞微粒体Ca2+ - ATPase 表现：肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。 机制：可产生自由基，攻击Ca2+ -ATPase上的巯基，使酶活性下降； Ca2+浓度增加，可激活某些酶(磷酸化酶a),（三）化学物质对生物大分子的氧化损伤,1.自由基的来源 定义：自由基（free radicals）是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子，主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。 共同特点：

24、具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性极高，因而半衰期极短，一般以s计，作用半径短。 主要形式：氧中心自由基。,来源： 1）正常生理过程产生 2）外来化学物质在代谢过程产生 最主要的途径:氧化还原反应（redox cycling） 如：百草枯(PQ+)、阿霉素(DR)和硝化呋喃托英(NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。,2. 自由基在机体内的反应,状态： 单线态（singlet state）又称为激发态（1O2）； 三线态（triplet state），又称为基态（3O2）本身毒性低，但是O2-、H2O2、OH、1O2及LOOH毒性较大,3. 自由基对生物大分子的损害作用,(1)脂质过氧化

25、作用及其损害： 脂质过氧化(lipid peroxidation) ：指主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。 自由基的形成与脂质过氧化的关系 启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的化合物所启动。OH是最重要的脂质过氧化的诱导物。 谷光甘肽（GSH）是重要的清除剂。,发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后的碳原子形成中心自由基(L)。与脂质过氧化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。 终止阶段：只有

26、二个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，消除自由基。,（2）脂质过氧化的后果： 细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍； 脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的是一些不饱和醛类。 对DNA影响； 对低密度脂蛋白(LDL)的作用。,机制： 脂肪族氨基酸氧化； 芳香氨基酸与杂环氨基酸残基的氧化； 含硫氨基酸残基的氧化； 过渡金属介导的氧化； 脂质过氧化的自由基中间产物作用。,后果：凝集、交联、降解、断裂 途径：直接作用，间接作用,（3）蛋白质的氧化损伤,（4）DNA的氧化损害 机理：1）碱基损伤 2）DNA链断裂三种突变：部分碱基的缺失；被修复的DNA碱基的错误掺入和错误编码；引起癌基

27、因的活化，或抑癌基因的失活,（四）化学物质与生物大分子的共价结合,非共价结合（nonconvalent binding）: 共价结合（convalent binding）: 加合物(adducts)-共价形成的稳定复合物，有助于早期诊断和预防 判断遗传毒性致癌物的标志-DNA加合物,非酶促防御系统： 天然（GSH、VitC、VitE、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸） 人工合成（苯甲酸钠、二苯胺、2,6-二叔丁基对羟基甲苯和没食子酸丙酯） 酶促防御系统：超氧化歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化酶（APX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和谷胱甘肽还原酶（GR

28、）,三、机体的防御系统,四、细胞的运作,（一）细胞运作对物质性质的需求(定性) 需特异的酶和必要的营养素 （二）细胞运作对物质数量的需求（定量） 要求适度 （三）细胞运作的时间限度（定时） 1. 初级作用 2. 次级作用 3. 三级作用 （四）细胞活动与组织活动的协调,1.初级作用,主要的初级作用类型： 1）脂质过氧化(lipid peroxidation) 2）大分子的共价结合(covalent binding to macromolecules) 3）巯基状态的改变(changes in thiol status) 4）酶抑制(enzyme inhibition) 5）缺血(ischemi

29、a),2.次级作用,主要的次级作用类型： 1）膜结构和通透性的改变； 2）细胞骨架的改变； 3）线粒体损害； 4）ATP及其他辅因子耗竭； 5）Ca2浓度的改变； 6）DNA损害与聚ADP-核糖基化； 7）溶酶体不稳定； 8）细胞凋亡刺激； 9）内质网损害；,3.三级作用,主要的三级作用有： 1）脂肪变性(steatosisfattychange) 2）蛋白质变性(protein degeneration) 3）细胞凋亡(apoptosis) 4）坏死(necrosis) 5）肿瘤（tumor）,毒性作用是毒物与生物(人或动物)机体相互作用的结果。 影响因素： 1）毒物因素（化学结构以及物理特

30、性） 2）环境因素（毒物与机体所处的环境条件） 3）机体因素 4）毒物间的联合作用,第四节 影响毒物毒性作用的因素,1）毒物化学结构的影响,例1：青霉素（penicillinum） 青霉素（或称盘尼西林，）是指分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞 壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素。青霉素是很常用的抗菌 药品。但每次使用前必须做皮试，以防过敏。 分类 1. 青霉素G类。如青霉素G钾、青霉素G钠 、长效西林等 。 2. 耐酶青霉素。如苯唑青霉素(新青号)、氯唑青霉素等。 3. 广谱青霉素。如氨苄青霉素、羟氨苄青霉素等。 4. 抗绿脓杆菌的广谱青霉素。如羧苄青霉素、氧哌嗪青霉素、 呋苄青霉

31、素等。 5. 氮咪青霉素。如美西林及其酯匹美西林等，其特点为较耐酶， 对某些阴性杆菌（如：大肠、克雷伯氏和沙门氏菌）有效， 但对绿脓杆菌效差。,例2：除草剂（herbicide）,例3、取代基的影响 烃类化合物中，一般芳香族烃类化合物比脂肪 族烃类毒性大。取代基毒性按照毒性大小顺序依次为： -NO2-CN-Cl-H-CH3-C4H9-CH3O-NH2。 烷烃类的氢若为卤族元素取代时其毒性增强，对肝的毒作用增加；且取代愈多，毒性愈大， 毒性大小依次为：CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4。,1、取代基的影响 例3 胺具有碱性，易与核酸、蛋白质的酸性基团反应，易与酶发生反应，胺类化合物按

32、毒性大小依次为：伯胺仲胺叔胺,例4、分子构型的影响,异构体的生物活性差异 如：六六六，有七种同分异构体 （常用的有、和等） 和六六六急性毒性强 六六六慢性毒性大 、六六六对CNS有强兴奋作用 、六六六则对CNS有抑制作用。 带两个基团的苯环化合物的毒性是： 对位邻位间位 分子对称的不对称的,2）环境因素的影响,化学物质与机体接触方式（途径、剂量、频率） 温度 湿度和气流 季节和昼夜节律,3）机体因素的影响,种属和个体的差异 遗传因素 年龄和性别 营养状况,定义：联合作用（jiont action）是指两种或两种以上化学毒物同时或前后相继作用于机体而产生的交互毒性作用。 类型：相加作用（additive effect） 协同作用与增强作用（synergistic effect and potentitation effect） 拮抗作用（antagonistic effect） 独立作用（independent effect）,4）毒物的联合作用,毒物的联合作用机制： 生物转化的改变； 受体作用； 化学反应； 功能叠加或拮抗。 毒物的联合作用方式： 机体外环境的联合作用； 机体内的联合作用。,思考题： P94 T1、T3、T6、T11、T12、T13,