毒理学基础

**部分 毒理学总论 **章 绪论 **节 毒理学概述 毒理学（Toxicology）是研究外源有害因素（包括化学、物理、生物等因素）对生物体和生态系统的损害作用及其机制的基础学科，也是研究环境与健康以及安全性评价和风险评估的重要应用学科。现代毒理学主要包括描述毒理学（descriptive toxicology）、机制毒理学（mechanistic toxicology）和管理毒理学（regulatory toxicology）三个研究领域。 一、毒理学研究内容 毒理学是一门古老的科学，其起源可追溯到数千年前，但在漫长的年代中着重于描述中毒的表现。毒理学不同历史发展阶段的研究内容和任务不同，传统毒理学研究的是外源化学物（xenobiotics）对生物体的损害作用（adverse effects）；现代毒理学的基本任务是发现毒性、探讨机制、有效预防和科学管理。根据现代毒理学的研究内容和目的将其分为描述毒理学、机制毒理学和管理毒理学三个分支领域。描述毒理学的主要任务是对毒性的发现和描述，对外源有害因素的毒性做到“知其然”；机制毒理学是对毒作用机制的探讨，对外源有害因素的毒性做到“知其所以然”；而管理毒理学则是在描述毒理学和机制毒理学研究基础上，进行风险评估和风险管理，建立相应的基准值、阈限值，制定卫生标准或相关的法律法规，有的放矢的对外源有害因素进行科学管理。描述毒理学、机制毒理学和管理毒理学是一有机整体，三者相辅相成，研究内容各有侧重，共同构成现代毒理学研究的核心——安全性评价和风险评估，其在保障人类健康、保护环境与生态等方面发挥着重要作用。 （一）描述毒理学 描述毒理学是对有害因素的毒性进行描述及鉴定，包括定性描述（即是否引起健康危害）和定量描述（剂量-反应关系）两部分。其主要内容是利用毒理学原理与方法，设计合理的动物模型和细胞模型进行体内和体外毒理学试验，以得到有害因素的一般毒性和特殊毒性的参数和资料。对有害因素，除了进行毒理学试验外，尚需进行人群的暴露评估和健康风险评估，以便将实验结果合理地外推到人。此外，对于可能影响生物体系及生态环境的有害因素，还可采用水生生物（鱼、蚤类）、鸟类、陆栖动物和植物作为受试模型，研究该有害因素的毒性及其对环境和生态的影响。描述毒理学研究结果一方面能够为机制毒理学研究提供重要线索，促进机制毒理学的发展；另一方面还可为安全性评价和管理法规与措施的制定提供基础资料。 （二）机制毒理学 机制毒理学是在毒性描述和鉴定基础上，利用生物化学、细胞生物学、分子生物学、毒理基因组学（toxicogenomics）等方法，研究有害因素在机体内的生物转运与生物转化过程，及其与靶器官发生反应引起不良生物学改变的具体机制。 机制毒理学依据描述毒理学提供的毒性资料和相关理论知识，提出毒性机制假说，通过设计合理的试验，从生理、生化、细胞和分子层面识别和了解有害因素对生物系统产生损害作用的机制以验证假说。机制毒理学研究成果在毒理学的许多领域中均发挥着重要作用：在风险评估中可用于验证某些有害因素在实验动物中所观察到的某种不良结局；亦有助于排除有害因素在实验动物中的危害效应发生于人类的可能性；还可用于指导化学品的合理使用。此外，机制毒理学研究有利于发现敏感生物学标志，确定毒物或药物的作用靶点和新的治疗策略，设计和研发新的药物，筛查易感基因和易感个体，并可依据个体遗传特征对中毒和疾病进行有针对性和个性化的治疗；同时，还有助于促进生理学、药理学、细胞生物学和生物化学等基础学科的发展。 （三）管理毒理学 管理毒理学是毒理学的一门重要分支学科，是现代毒理学的重要组成部分，其主要任务是以描述毒理学和机制毒理学研究提供的有害因素的毒理学资料以及风险评估为依据，结合社会、经济、文化及其他有关因素，协助政府主管部门制定相应的法规条例、管理措施，确保化学品、药品和食品等安全进入人类生活环境，达到保护人群健康的目的。管理毒理学的引入，进一步突出了毒理学的应用性和管理职能。 管理毒理学是将毒理学的原理、技术和研究结果应用于外源化学物等有害因素的管理，以达到保护人类健康和保护生态环境免遭破坏的目的，是管理学和毒理学的交叉学科。管理毒理学工作者在描述毒理学和机制毒理学研究成果的基础上，制定了大量的人类生产和生活环境中化学物的环境基准和卫生标准，并协助政府对健康相关产品进行管理。20世纪五十年代美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）就实施了食品、药品和化妆品中化学物的安全性评价并对其进行规范管理。此后，其他发达国家和发展中国家陆续颁布有关药品、食品、化妆品、农药、杀虫剂和其他产品的法律法规和技术规范。目前，我国对药品、保健食品、化妆品和涉水产品的管理也走上了规范化、法制化的轨道。随着我国卫生法律体系的不断完善，毒理学工作者将在制定卫生标准，应对突发公共卫生事件，协助政府制定环境保护及社会发展规划，出台相应法律方面发挥越来越重要的作用。 根据毒理学在不同学科中的应用，还可以分为药物毒理学、环境毒理学、食品毒理学、工业毒理学、临床毒理学、法医毒理学、分析毒理学等。毒理学的发展与生命科学发展相辅相成，生命科学的新理论新技术推动了毒理学的发展，外源有害因素特异性毒作用研究也成为生命科学打开生命奥秘的工具和钥匙。随着人类生产活动和经济全球化，毒理学将不断地得到发展和创新。 二、毒理学研究方法 评价外源有害因素的毒性或探索已知疾病的环境病因，常用的毒理学研究方法包括体内试验（in vivo test）、体外试验（in vitro test）、人体观察（human toxicology）和流行病学研究（epidemiological study）。 （一）体内试验 也称为整体动物试验，指以实验动物为模型进行的毒理学试验，一般采用大鼠、小鼠、仓鼠、豚鼠、家兔、狗、猴等哺乳动物。在环境及生态毒理学研究中还可采用鸟类、昆虫、鱼类和其他水生生物。体内试验可用于急性毒性、亚慢性毒性、慢性毒性等一般毒性检测，也可用于致突变、致畸变和致癌等特殊毒性的研究。此外，还可以通过导入或敲除特定基因构建转基因动物模型，研究特定基因功能及其调控作用。体内试验是毒理学研究的基本方法，其结果原则上可以外推到人。但因体内试验影响因素较多，难以阐明外源有害因素的代谢通路和毒作用机制。 （二）体外试验 体外试验通常采用游离器官、细胞、细胞系、细胞器、生物模拟系统等进行的毒理学研究。体外试验可用于有害因素急性毒作用筛查、代谢转化过程及靶器官（细胞）毒性和毒作用机制研究。 1.游离器官 采用脏器灌流术将含有某种有害因素的液体输入某一离体器官（如心、肺、肝、肾、脑、肠、胰等），观测一定时间内受试物对该器官的损害作用及其代谢情况。 2.细胞 利用从动物或人的脏器新分离的原代细胞（primary cell）或经传代培养的细胞株（cell strain）和细胞系（cell line）进行试验。 3.细胞器（organelle）将细胞匀浆离心分离成不同的细胞器或成分（如线粒体、溶酶体、内质网、微粒体、细胞骨架、细胞核等）用于试验。 体外试验可控性好，影响因素少。但体外试验系统缺乏整体动物毒物动力学过程，同时不能反映动物体温、血电解质浓度、细胞-细胞交互作用等，因此应根据实验研究的目的和要求，结合体内试验结果进行相互补充和验证。 （三）人体观察 通过对化学品、药品、食品、农药等急、慢性中毒病例的处理和治疗，可直接获得有关人体的毒理学资料；对新药、疫苗研发的临床试验，可直接提供其安全性评价或风险评估资料，确保新药的使用安全。 在可能的情况下，亦可选择志愿者进行非损害人体健康的受控试验。志愿者试验是在志愿者知情同意并且在不危及健康和不违背医学伦理前提下进行的小样本人群调查，如新药临床观察就是特定人群和特定条件下的志愿者试验。志愿者试验应该是受控试验，其所用的外源化学物或药物应经过毒理学试验研究和安全性评价，志愿者的暴露条件应为低剂量短时间暴露，且毒效应具有可逆性。志愿者试验可获得动物试验所不能得到的资料，减少动物试验结果外推到人的不确定性。 （四）流行病学研究 流行病学研究是以人群为直接观察对象，了解外源化学物等有害因素对人的毒性作用，为安全性评价和风险评估提供参考资料，为制定相关预防措施和安全限值提供依据。流行病学研究在环境危险因素与人类疾病因果关系的建立中发挥越来越重要的作用，一方面可以从因到果研究已知环境危险因素对人群健康的不利影响；另一方面还可以从果到因探索已知疾病的环境危险因素。在确定环境危险因素对人类健康影响的因果关系时需要的标准有：①关联的时间顺序：“因”先于“果”；②关联的强度：有害因素对健康影响存在剂量-反应关系；③关联的合理性：具有实验室证据或具有生物学/理论上的合理性；④关联的一致性：研究结果可重复；⑤关联的特异性：原因与结局紧密相关。因此，充分结合毒理学试验和人群流行病学研究结果，才能阐明有害因素与人体毒效应之间的因果关系和作用机制，进而有效保障人群健康。 随着现代生物学技术的飞速发展，一些新的研究手段和方法在毒理学研究中得到充分应用。如芯片技术应用于体内或体外条件下分析有害因素引起的全基因谱或蛋白谱表达改变；代谢组学技术用于分析有害因素造成的机体代谢谱的改变；定量结构-活性关系（quantitative structure activity relationship，QSAR）、计算机和生物信息学技术则可在已有毒理学数据资料的基础上，进行结构活性分析、分子模拟、毒性预测和药物设计。毒理学研究方法与技术手段的不断完善，进一步促进了描述毒理学、机制毒理学及管理毒理学的发展。相信在未来的毒理学研究中，现代生物技术、生物信息学技术、“组”学技术以及系统生物学技术会得到越来越广泛的应用，使毒理学对毒性描述更为细致，机制研究更为透彻，毒理管理更为科学。 三、毒理学的应用 随着毒理学研究范畴的不断拓展，毒理学的理论和技术在有害因素安全性评价、风险评估、风险管理与交流方面，已发挥越来越重要的作用。 （一）安全性评价 毒理学安全性评价（safety evaluation）主要通过体内、体外试验和人群流行病学研究，阐明受试物的毒性及潜在危害，以决定其是否可以进入市场或阐明安全使用的条件，达到保护人群健康的目的。安全性评价需要按一定的程序进行，通过一系列的毒理学试验，获得“未观察到有害作用水平”（no observed adverse effect level，NOAEL）或“观察到有害作用的*低水平”（lowest observed adverse effect level，LOAEL）。在此基础上，根据受试物的毒作用性质、特点、剂量-反应关系以及人群实际暴露情况等，进行综合分析，确定其安全性。 由于各类有害因素的暴露方式和途径等不同，安全性评价的程序和内容也有所不同，通常遵循分阶段试验的原则。在了解受试物的理化特性，查阅相关文献和评估结构-活性关系的基础上，进行**阶段试验，包括急性毒性试验和局部毒性试验，其目的是获得半数致死量（lethal dose，LD50），为第二阶段试验提供剂量设计的参考依据。第二阶段试验，包括短期重复剂量毒性试验和遗传毒性试验（如Ames试验、哺乳动物细胞基因突变试验、微核试验、染色体畸变试验、显性致死试验、程序外DNA合成试验、姐妹染色单体交换试验、转基因动物致突变试验等），通常依据其遗传学终点确定组合试验。第三阶段试验，包括亚慢性毒性试验、生殖与发育毒性试验和毒物动力学试验。第四阶段试验，包括慢性毒性试验和致癌试验。通过上述毒性试验，结合受试物的毒作用特点、性质、剂量-