发育毒性与致畸作用

西安交通大学公共卫生学院雷荣辉[e-mail][主要内容]1.发育毒性和致畸作用的基本概念2.发育毒性和致畸作用的特点和影响因素3.发育毒性的剂量-反应模式4.母体毒性与发育毒性5.发育毒性和致畸作用常用评价方法:动物发育毒性试验、流行病学研究、替代试验。第一节概述一、发育毒理学（developmentaltoxicology）：是毒理学的重要分支学科，是研究发育生物体在受精卵、妊娠期、出生后、直到性成熟的发育过程中，由于出生前暴露于环境有害因子导致的异常发育结局及有关的作用机制、发病原理、影响因素和毒物动力学等。►畸胎学（古代）►现代实验畸胎学（19世纪）►发育毒理学从畸胎学到发育毒理学畸胎学(Teratology）作为一个描述性的科学在有文字之前就已经存在了。最早可以追溯到6500D.B。杂交理论（Hybridetheory）认为畸形是人和动物杂交的结果并且这种杂交动物广泛存在于神话传说中，如人头马身怪物、人头牛身等。现代实验畸胎学：始于19世纪，研究者注意到作用时间在决定畸形类型方面比损伤的性质更重要。从畸胎学到发育毒理学物理（震动、倒置、针刺）化学因素鸡蛋畸形小鸡神经管缺陷、无脑畸形、脊柱裂、独眼畸形、心脏缺陷、位置颠倒、联体双胞胎等。年份原因或受试因素先天异常190519211928193519371942194419401952195219591961X射线照射哺乳动物脂肪缺乏饮食人孕期接受X线照射VitA缺乏饮食孕期给予某些激素孕妇感染风疹病毒孕妇营养缺乏广岛、长崎原子弹辐射溴化钠孕妇服用氨基喋呤孕妇食用甲基汞污染鱼孕妇服用反应停出生动物发育异常出生动物发育异常小头围和智力迟钝出生猪眼缺陷和其它畸形啮齿动物性分化异常先天性白内障,耳聋,心脏病多种发育异常唐氏综合征(小头伴智力不全)出生后行为功能异常(大鼠)胎儿严重畸形流产先天性水俣病(小头,神经缺陷)导致“灾难”性事件致畸研究简史反应停（thalidomide）事件孕妇的理想选择？1953年，联邦德国一家名为ChemieGruenenthal的制药公司研究人员发现，镇静安眠药反应停对孕妇怀孕早期的妊娠呕吐疗效极佳。1957年10月1日该公司将反应停正式推向市场。反应停便成了“孕妇的理想选择”（当时的广告用语），此药在欧洲、亚洲、非洲、澳洲和南美洲被医生量处方给孕妇以治妊娠呕吐。科学家们在研制反应停时并没有料到这种药物会产生如此可怕的副作用。令人恐怖的副作用到了1960年，欧洲的医生们开始发现，本地区畸形婴儿的出生率明显上升。这些婴儿有的是四肢畸形（主要是双上肢的短肢畸形），还有的是腭裂、盲儿、聋儿或内脏畸形。♧西德的Lenz和澳大利亚的McBride两人同时于1961年分别独立确认反应停为诱发短肢畸形的病因。♧反应停被迫从市场撤回，动物模型复制成功。♧其致畸剂量为1mg/(kg.d)，只要末次月经后6~8周内口服200mg反应停便可引起严重的短肢畸形；服药妇女还有流产、早产和死胎等发生。(孕妇的口服剂量是50-200mg/d)♧据推算，当时全世界有7000~10000畸形儿是由反应停所致。服用过量维生素引起的畸形维生素A每日服用5万单位（相当于浓缩A丸剂2丸、或浓缩鱼肝油滴剂30滴），连续3个月，会使胎儿骨骼畸形、并指、腭裂、眼与脑畸形、肾及中枢神经损害。酒精胎儿综合征上述事件让人们逐渐认识到生物、物理、化学因素和不良生活嗜好都可引起人类畸形；尤其是反应停事件的发生，大大推动了外源化学物致畸作用和发育毒性的研究及新药发育毒理学研究和管理法规的建立。悲剧带来的福音！1966年美国食品与药品管理局（FDA）提出三段生殖毒性试验指南，其中包括对致畸等发育毒性的评价。1986年美国环保局（EPA）提出可疑发育毒物危险度评价指南，第一次明确提出要对化学物进行发育毒性评价。从20世纪70年代起，我国已开始了对药品、农药、食品添加剂和环境污染物的致畸研究，并把致畸试验、生殖毒性试验列为新药、农药、食品及首次进口化学品的安全性毒理学评价的重要组成部分。第二节发育毒性与致畸性一、基本概念畸形（malformation）：指发育生物体解剖学上形态结构的缺陷。对外观、生理功能和（或）寿命等可产生有害影响，可以存活也可能死亡。致畸物（teratogen）:致畸作用（teratogeniceffect）:致畸性（teratogenicity）:是由遗传和遗传外因素控制的外观变化，或由于分化改变而引起的差异。指在同一种属的子代与亲代之间或子代的个体之间，有时出现不完全相同的现象。例如肋骨或椎骨数目多于或少于正常，甚至某些内脏易位都属于变异。2.变异一般认为变异不影响正常生理功能，更不危及生命。但是在动物致畸试验中，如果某种变异出现较多，并呈一定剂量——效应关系，应该引起注意。2.变异广义上包括孕体结构和功能方面的各种损害，狭义指孕体的死亡和生长发育迟缓，不包括结构畸形。区分胚体和胎体两个阶段；每个阶段损害的主要特点。3.胚体-胎体毒性(embryo-fetaltoxicity)指出生前后接触有害因素，子代个体发育为成体之前诱发的有害影响，主要表现为：发育生物体死亡生长改变结构异常功能缺陷4.发育毒性（developmentaltoxicity）发育毒性的主要表现发育生物体死亡：包括受精卵未发育即死亡；胚泡未着床即死亡（早早孕丢失）；着床后发育到某一阶段死亡。早期死亡被吸收或自子宫排出（自然流产）；晚期死亡成为死胎。发育毒性的主要表现生长改变（alteredgrowth）:生长迟缓，生长发育指标低于正常对照的均值2个标准差。结构异常（structuralabnormality）:指胎儿形态结构异常，即畸形。功能缺陷（functionaldeficiency）:即胎仔的生化、生理、代谢、免疫、神经活动及行为的缺陷或异常。5.出生缺陷（birthdefect):指婴儿出生前即已形成的发育障碍，包括畸形和功能缺陷。如先天性心脏病、唇腭裂、神经管畸形、尿道下裂、隐睾症等。6.不良妊娠结局（adversepregnancyoutcomes)：指妊娠后不能产生外观和功能正常的子代。二、发育毒性的作用特点和影响因素与对其他器官系统的毒性作用相比，外源化学物的发育毒性作用有显著的特点:致畸作用受到多种因素的影响，包括敏感期、遗传类型、剂量、母体毒性等。（一）发育各阶段发育毒性作用特点和致畸敏感期卵子受精后一直发育直至出生为止，都称为孕体。从受精到新生儿的发育过程经历着:着床前期器官形成期最容易引起畸形的阶段胎儿期围生期和出生后的发育期1.着床前期又称为分化前期，从受精时算起，到完成着床之前。该期限在人类为11-12天；啮齿动物为前6天。这时受损伤的胚泡容易死亡，称为着床前丢失。有些化学毒物作用于胚泡，使之死亡而丢失。着床前期发育毒性一般认为，此时很少发生特异的致畸效应。也有着床前期接触毒物导致胎儿畸形的例子。如：甲基亚硝脲子代神经管缺陷小鼠妊娠第2.5天、3.5天和4.5天腭裂孕体着床后直到硬腭闭合的一段时间。是发生结构畸形的关键期(criticalperiod)，也称致畸敏感期。在此期间，大多数器官对致畸作用有特殊敏感期，即所谓的时间“靶窗”（targetwindow）。自受精之日计算：人是3-8周；大、小鼠是6~15天；家兔为6~18天。2.器官形成期同一剂量的一种致畸物在敏感期与胚胎接触，可因胚胎所处发育阶段不同而出现不同的畸形。Case1：大量维生素A在受精后第8天给予大鼠，主要出现骨骼畸形；在第12天给予，则诱发腭裂。case2：同样剂量砷酸钠在小鼠受精第7天和第9天分别给予，前者主要出现脐疝，后者主要为露脑。器官形成期发育毒性Rodentdevelopment在器官形成期，染毒除致畸外，也可能引起胚胎死亡。人和灵长类以流产告终，一胎多仔动物胚胎死亡后被吸收，称为吸收胎。在这一时期，外源化学物表现出发育毒性，以结构畸形最突出，也可有胚胎死亡、生长迟缓。器官形成期发育毒性器官形成结束后（人类从第56-58天起）到分娩的一段时间。以组织分化，生长和生理学的成熟为基本特征，接触发育毒物很可能对生长和功能成熟产生效应。全身生长迟缓特异的功能障碍经胎盘致癌死胎3.胎儿期发育毒性的主要表现：发育免疫毒性神经行为发育异常儿童期肿瘤4.围生期和出生后的发育期围生期和出生后的发育毒性发育免疫毒性二噁英、氯氰菊酯、乙醇等→影响出生后T细胞、B细胞和吞噬细胞的发育、分化、迁移、归巢和功能。最终暂时或永久性损害子代的免疫系统。围生期和出生后的发育毒性发育神经毒性表现为对感觉、运动、自主和认知的影响。妊娠期饮酒→乙醇综合征胎儿（FAS）。父母亲吸烟（烟碱）可改变胎儿中枢神经系统烟碱受体发育，增加出生后的学习、行为和注意力障碍。围生期和出生后的发育毒性儿童期肿瘤围生期是一生中对致癌物最敏感的时期，许多儿童期高发肿瘤（如急性淋巴细胞性白血病、神经母细胞瘤、骶骨前畸胎瘤等）都可能与出生前因素有关。因为这一时期细胞增殖快，药物代谢酶的个体发生不全，免疫监视功能低。发育各阶段发育毒性的重要表现发育阶段重要表现着床前期胚胎死亡器官形成期畸形、胚胎死亡胎儿期生长迟缓、功能不全、胎儿死亡、经胎盘致癌新生儿期生长迟缓、神经系统、免疫系统功能不全、儿童期肿瘤（二）发育毒性的剂量-反应模式除了在较高剂量几乎全窝胚胎死亡外，正常胎、生长迟缓和结构畸形同时存在：这一类型较常见。在远远低于胚胎致死的剂量下即可出现致畸，甚至全窝致畸：这种模式表示受试物有高度致畸作用，较少见。只有生长迟缓和胚胎致死，但没有畸形发生。发育毒性的阈值概念需要极大的样本数，难以用实验找出一个发生率很低的剂量-反应关系；多数发育毒性机制还不清楚，或支持或不支持阈值的存在；考虑个体的阈值和群体的阈值之间的区别。（三）发育毒性的物种差异SpeciesHumans0.5mg/kg/dayMouse3060XRat50100XDog100200XHamster350700XDose(LETD)FoldDifferencefromHumansCross-SpeciesDifferencesinResponsetoThalidomide三、母体毒性与发育毒性母体毒性（maternaltoxicity）：指外源化学物在一定剂量下，对受孕母体产生的损害作用。具体表现包括体重减轻、出现某些临床症状、直至死亡。（一）母体因素对发育毒性的影响遗传学、疾病、营养、应激、对胎盘的毒性（二）母体毒性与胚胎毒性的关系1．具有发育毒性，但无母体毒性；2．同时出现发育毒性和母体毒性；3．具有母体毒性，但不具有致畸作用；4．在一定剂量下，既无母体毒性，也不表现发育毒性。第四节发育毒性和致畸作用试验与评价外源化学物发育毒性的评价动物发育毒性试验人群流行病学调查发育毒性替代试验动物发育毒性试验优点：容易控制接触条件、接触动物数量、年龄、状态及选择检测效应指标（终点）。甚至一些轻微的效应对研究人体影响很有意义。缺点：试验结果外推到人存在不肯定性，预测对人的致畸性特异性不够高；从较高剂量暴露结果外推到人（暴露剂量较低）有一定困难，况且人与人之间的个体差异要比动物的更大。一、动物发育毒性试验主要的试验方案1.三段生殖毒性试验主要用于评价药物的生殖发育毒性。2.一代和多代生殖毒性试验主要用于评价食品添加剂、农药及其他化学物的生殖发育毒性。3.改进的大鼠发育神经毒性的试验程序：1988年EPA发布。最佳方案是对成年动物进行染毒并试验，包括子代从受精卵到性成熟所有生长发育阶段；观察期应贯穿一个完整的生命周期。设计的关键在于试验对生殖和生长发育各阶段的影响无间隔，并可直接或间接评价生殖循环的全过程。最常选用的方案为三段生殖毒性试验。动物发育毒性试验的基本要求为了进行生殖发育毒性实验设计方便，将连续、完整的生殖发育过程细分为以下6个阶段：交配性成熟三段生殖毒性实验示意图I生育力与早期胚胎发育毒性