第5章-影响毒性作用因素

第五章毒作用影响因素(FactorsofInfluencingToxicEffect)2掌握影响外源化学物毒性作用的化学物因素、机体因素、暴露因素和环境因素掌握外源化学物联合作用及类型熟悉人类基因组计划和环境基因组计划了解基因多态性及其意义【目的要求】3化学物因素：化学结构、理化性质和不纯物机体因素：物种、个体间遗传学差异，基因多态性，人类基因组计划，环境基因组计划，个体因素对毒性易感性的影响暴露因素：暴露剂量与内剂量、暴露途径、暴露持续时间、暴露频率、溶剂和助溶剂【内容】4环境因素：气温、气湿、气压联合作用及类型：相加作用、独立作用、协同作用、加强作用、拮抗作用5外源化学物或其代谢产物必须以具有生物学活性的形式到达靶器官、靶细胞，达到有效的剂量、浓度，持续足够时间，并与靶分子相互作用，或改变其微环境，才能够造成毒作用化学物因素暴露因素环境因素机体因素联合作用影响毒作用的主要五类因素71.在评价化学物毒性时，可设法对其加以控制以避免其干扰，使实验结果更准确，重现性更好2.人类接触化学物时，有些因素并不能完全控制，因此，以动物实验结果外推人时，特别在制订预防措施时，都应予以注意了解影响毒作用因素的意义8第一节化学物因素9一、化学结构（一）化学结构与毒作用性质每一种外源化学物的毒性是其固有的性质，它是由化学物的化学结构所决定的10研究外源化学物化学结构和毒性效应之间的关系，找出其规律，在毒理学研究中具有重要意义化学结构与毒作用性质的关系很复杂，分析毒作用性质，应注意分子的整体性，基团特殊性以及它们的关系11外源化学物的化学结构是决定毒作用的重要物质基础，因为它决定了毒物的理化性质和化学活性，因而决定了毒物在体内可能参与和干扰的过程，因此决定毒作用的性质和大小化学物的化学结构化学物的化学活性化学物的理化性质化学物的生物学活性121、取代基团对毒性的影响取代基团不同，化学物的毒性可能不同（1）苯及苯的衍生物（甲苯，硝基苯）经过大量研究，目前已找到一些有限的化学结构与毒性大小之间的规律（二）化学结构与毒性大小HHHHHHCH3麻醉作用抑制造血机能例1麻醉作用HHHHHHNH2麻醉作用抑制造血机能例2具有形成高铁血红蛋白作用HHHHHHNO2麻醉作用抑制造血机能例3具有肝毒性16（2）卤代烷烃类卤素数：此类化学物质对肝脏的毒性可因卤素增多而增强，如氯甲烷的肝毒性大小依次是CCl4﹥CHCl3﹥CH2Cl2﹥CH3Cl﹥CH4原因是卤素取代后，可使分子极性增加，容易与酶系统结合而使其毒性增加17（3）基团的位置：如带两个基团苯环的毒性，大多数情况下是：对位﹥邻位﹥间位，如对-氨基酚﹥邻-氨基酚﹥间-氨基酚对称﹥非对称NH2OHNH2OHNH2OH2、异构体和立体构型对毒性的影响分子的立体结构与其性质关系密切（1）异构体对毒性的影响六六六共有七种同分异构体，常用的有α、β、γ和δ等，毒性差别很大γ、δ-六六六急性毒性强β-六六六慢性毒性大α、γ-六六六对中枢神经系统有很强的兴奋作用β、δ-六六六则对中枢神经系统有抑制作用（2）立体异构对毒性的影响是三维物体的基本属性。如果一个分子与其镜像互为镜像关系而又不能重合，该分子就是手性分子。这两个可能的结构被称为对映体（enantiomer)手征性(chirality)这个词来源于希腊字“手”(cheir)。手是手性的，右手与左手成镜像化学物同素异构体存在手征性，即对映体（enantiomer)构型的右旋（R)和左旋(S)，对于生物转化和生物转运都有一定影响，从而影响毒性，如S（一）反应停的致畸性比R（+）反应停强烈反应停(沙利度胺）的S-异构体可导致严重的致畸性(R)-thalidomide(S)-thalidomide1957年～1962年，造成数万名婴儿严重畸形进一步研究表明，其致畸作用是由反应停其中的一个异构体（S-异构体）引起的，而R-构型即使大剂量使用，也不会引起致畸作用手性与人类健康:“反应停”悲剧PhH2CCOOHH2NH(S)-PhenylalanineBittertasteHOOCCH2PhHNH2(R)-PhenylalanineSweettaste“苦”“甜”苯丙氨酸某些酶和受体有立体构型的特异性，从而生物转运和生物转化的各个阶段都可能受到影响，如：L－二羧基苯丙胺酸比D一同分异构物更容易从胃肠吸收。代谢酶通常以高度立体和对映体选择性方式与其底物交互作用，对对映体区别对待，不同的同分异构物代谢的比率可能不同。当化学物的外消旋混合物被给予动物时，要么立体选择性地代谢，形成两种或更多不同的异构产物，要么只有一种同分异构物被代谢。263、同系物的碳原子数和结构对毒性的影响同系物的碳原子数：烷、醇、酮等碳氢化合物按同系物相比，碳原子数愈多，则毒性愈大以直链饱和烃为例，这类脂肪族化合物为非电解质化合物，其毒性为具有麻醉作用。从丙烷(甲烷、乙烷例外，为惰性气体)起，随着碳原子数增多，麻醉作用增强。但达到9个碳原子之后，却又随着碳原子数增多，麻醉作用反而减弱27分子饱和度一般情况下，碳原子数相同时分子中不饱和键增加，其毒性增加，如二碳烃类的麻醉作用：乙炔＞乙烯＞乙烷，氯乙烯＞氯乙烷。这是由于这类非电解化合物伴随碳原子数增加而脂溶性增大，水溶性相应减小，即脂水分配系数增大。极亲脂性化合物，由于不利于经水相转运，其在机体内易被阻滞于脂肪组织中，反而不易穿透生物膜达到靶器官。28研究化学结构与毒作用的关系在毒理学中具有重要意义通过比较，预测新化学物同系物生物活性推测化学物的毒作用机理按照人类要求生产高效低毒的化学物结构-活性关系研究，现已成为毒理学的一个重要分支（三）化学结构与毒性的关系近年来，对化学结构与毒作用研究日益深入，特点是应用多参数综合考虑各种理化参数，以回归分析方法，找出化学物结构和生物效应之间的定量关系，称为定量构效关系法(quantitativestructureactivityrelationship,QSAR)，即用数学模型来定量描述化学物结构与活性关系的方法30外源化学物的理化性质脂/水分配系数电离度和荷电性挥发度分子量和颗粒大小比重等均与其毒性或毒作用大小有关二、理化性质31脂/水分配系数(lipid/waterpartitioncoefficient)：是指化学物在脂(油)相和水相中的溶解分配率达到动态平衡时的浓度之比。即化学物在脂相与水相达到平衡时的常数一种化学物的脂/水分配系数大，表明易溶于脂，反之表明易溶于水，而表现出化学物的亲脂性或亲水性（疏脂性）（一）脂/水分配系数对毒性的影响32化学物的脂/水分配系数大小与其毒性密切相关有毒化学物在水中特别是在体液中的溶解度越大，毒性越大影响毒作用部位：某些有害气体由于水溶性不同，其作用部位与速度不同脂溶性物质易在脂肪中蓄积：如DDT和神经毒性（四乙基铅和甲基汞）33（二）分子量、颗粒、比重对毒性的影响分散度：是指物质被分散的程度即颗粒越小分散度越大，比表面积越大，表面活性越大；反之，颗粒越大分散度越小34影响进入呼吸道的深度：分散度与颗粒在呼吸道的阻留有关大于5μm颗粒在上呼吸道被阻留2~5μm的颗粒可到达呼吸道深部（支气管）小于0.5μm的颗粒易经呼吸道再排出小于0.1μm的颗粒因弥散作用易沉积于肺泡壁35影响溶解度：一般来说颗粒越大，越难溶解，越难以吸收。（粉状砷化物比颗粒状砷化物毒性更大）影响化学物活性：颗粒越小即分散度越大，表面积越大，生物活性也越强，如一些金属烟（锌烟、铜烟）因其表面活性大，可与呼吸道上皮细胞或细菌等蛋白作用，产生异性蛋白，引起发烧，而金属粉尘（锌尘和铜尘）则无此作用36（三）挥发性和稳定性对毒性的影响常温下容易挥发的化学物，其易形成较大蒸气压，从而易于经呼吸道吸收。有些有机溶剂的LD50值相似，即绝对毒性相当，但由于其各自的挥发度不同，所以实际毒性相差较大如苯与苯乙烯的LC50值均为45mg/L，即其绝对毒性相同但苯容易挥发，而苯乙烯的挥发度仅及苯的1/11，所以苯乙烯在空气中较难形成高浓度，实际上比苯的危害性则低得多37血/气分配系数（blood/gaspartitioncoefficient）：当外源化学物在呼吸膜两侧的气体的分压达到动态平衡时，其在血液中的浓度和肺泡气中的浓度之比该系数越大，气态物质越易通过简单扩散方式吸收入血（四）气态物质的血/气分配系数对毒性的影响38电离度：是指化学物呈现1/2为电离型、1/2为非电离型时的pH值，即为该外源化学物的pKa值许多化学物以简单扩散的方式跨膜转运：只有非离子化形式可简单扩散通过脂质双分子层。pKa值不同化学物在pH不同的局部环境中电离程度不同，从而影响跨膜转运荷电性影响空气化学物微粒的沉降和在呼吸道的阻留率（五）电离度与荷电性对毒性的影响39三、不纯物或杂质在卫生毒理学实际工作中更经常的是阐明其工业品或商品的毒性工业品往往混有溶剂，未参加反应的原料、杂质、合成副产品等商品中往往还含有赋形剂或添加剂。这些杂质有可能影响、加强、甚至改变原化学物的毒性或毒性效应40第二节机体因素41损伤防御交互作用机体防御环境因素人类的大部分疾病都是环境与机体交互作用的结果42①解剖结构、生理与生化的差异②代谢转化的差异③代谢酶的遗传多态性④修复功能的个体差异⑤受体的个体差异⑥机体其他因素的影响引起物种、品系、个体差异的主要因素43机体内环境的许多因素都可能影响化学物的毒作用主要包括物种、品系差异个体遗传学差异机体其他因素营养状况与生活方式44实验动物和人之间有许多生理学和解剖的类似性，为毒理学评价选择使用动物提供了依据大体上人能够进行其他哺乳动物能进行的所有代谢转化，并且在酶存在和缺乏方面未显示出特别差异，因此，毒理学研究中可将试验动物结果外推到人（一）解剖结构、生理与生化的差异不同物种的动物因基因组不同，解剖、生理、转运转化过程等均存在明显差异一、物种、品系的差异45（二）代谢转化的差异不同物种的动物对外源化学物毒性的反应不同，主要原因为物种间对化学物的代谢转化存在差异例如2-乙酰氨基芴在大鼠、小鼠和狗体内可进行N－羟化，并与硫酸结合形成硫酸酯而呈现强致癌作用，而在豚鼠和猴体内则不发生N－羟化，故不致癌如小鼠每g肝脏的细胞色素氧化酶活性为141活性单位，大鼠为84活性单位，兔为22活性单位46鉴于物种间解剖结构、生理和生化的不同都取决于物种间基因组的差异对人和动物结构基因组和功能基因组进行比较研究，有助于更深入了解物种间差异对毒作用的影响，并更有利于实验动物结果应用于人类47二、个体间遗传学的差异同一物种同一品系的不同群体动物，在相同条件下，接触相同外源化学物均存在不同的剂量-反应关系，说明实验动物存在个体差异个体差异：是指同一种属（品系）之内，不同个体对外源化学物的反应方面存在的差异48由于个体间微小的遗传差异，即使在同一物种之间，不同个体对化学物反应也可存在明显差异遗传多态现象是产生个体毒作用差异或疾病风险增高的主要原因之一个体的修复能力和受体与毒作用关系密切，其对毒作用的影响也越来越受到重视49HumanGenomeProject,HGP50JamesWatsonFrancisCrickMauriceWilkinsRosalindFranklinDNADouble-helix511、缘起（1）美国“肿瘤计划”的搁浅（2）科学家的胆略诺贝尔奖获得者RenatoDulbecco1986年发表于《Science》杂志的短文《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序》中指出：“如果我们想更多地了解肿瘤，我们从现在起必须关注细胞的基因组。……从哪个物种着手努力？如果我们想理解人类肿瘤，那就应从人类开始……。人类肿瘤研究将因对DNA的详细知识而得到巨大推动”52人类基因组计划于1990年10月正式启动！53旨在通过测定人类基因组ＤＮＡ约３×１０９对核苷酸的序列，