毒理学研究方法的优缺点 研究方法流行病学研究 受控的临床研究 毒理学体内试验 毒理学体外试验 优点·真实的暴露条件 规定的限定暴露条件·易于控制暴露条件影响因素少,易于控 在各化学物之间发生相·在人群中测定反应能测定多种效应 互作用 对某组人群(如哮嘴)·能评价宿主特征的作用·可进行某些深入的研 测定在人群的作用 的研究是有力的 (如:性别、齡、遗究(如:机制,代谢) 表示全部的人敏感性·能测定效应的强度传特征等和其他调控因·人力物力花费较少 亲饮食等) 能评价机制 缺点耗资、耗时多 耗资多 动物暴露与人桑露相关·不能全面反映馨作用 多为回顾性,无健康较低浓度和较短时的不确定性 不能作为拿性评价和 保护 间的暴露 受控的饲养条件与人的危险性评价的最后依 难以确定暴露,有混杂·限于较少量的人群实际情况不一致 暴露问题 (一般<50) 暴露的浓度和时间的模·滩以观察慢性毒作用 可检测的危险性增加必·限于暂时、微小 式显着地不同于人群的 需达到2倍以上 可逆的效应 露 测定指标较粗〔发病率,·一般不适于研究最 敏惑的人群 基因水平上的研究 1、识别易感基因 环境应答基因(环境易感基因):对环境因子具有特定的反应,影响人体对有害环境因子 (特别是环境化学物)易感性的基因 人类对环境因素易感的基因非常之多,总称为环境基因组。 易感性形成的原因:①代谢酶的遗传多态性;②修复能力的差异;③受体因素;④宿 主因素等多方面 2、以癌前病变为主,寻找相关的标志物,为癌的早期诊断、早期预测、早期治疗提供依据 环境基因组: 人类的某些基因对环境因子具有特定的反应,这些反应影响着人体对有害环境因子(特别是环境化学 物)的易感性。这些基因被称为环境应答基因或环境易感基因。人类对环境因素易感的基因非常之多,总 称为环境基因组。 然而,环境易感基因是如何与环境相互作用的,环境易感基因的结构或其多态性与人类疾病之间是如 何联系的,迄今知之甚少,开展环境基因组学的研究是摆在环境毒理学家面前的重要任务之 基因水平上的研究(切入点) 识别环境反应基因结构与功能的多态性一一易感基因,阐明个体对环境暴露作出不同反应的遗传学 基础,以更好地预测高危人群危险度及易感个体的判定,协助管理杋构发展环境保护政策。探究其原因, 找出易感基因,是从基因水平上研究的切入点。 毒性作用的易感性形成的原因是多方面的,有:①代谢酶的遗传多态性:②修复能力的差异;③受 体因素:④宿主因素等多方面。 2以癌前病变为主,寻找相关的标志物,为癌的早期诊断、早期预测、早期治疗提供依据 以肺癌为例,正常细胞经诱癌因子作用发展成瘤,要经历一系列组织病理学变化:化生、增生、不典
毒理学研究方法的优缺点 研究方法 流行病学研究 受控的临床研究 毒理学体内试验 毒理学体外试验 优点 · 真实的暴露条件 · 规定的限定暴露条件 · 易于控制暴露条件 · 影响因素少，易于控 · 在各化学物之间发生相 · 在人群中测定反应 · 能测定多种效应 制 互作用 · 对某组人群(如哮喘) · 能评价宿主特征的作用 · 可进行某些深入的研 · 测定在人群的作用 的研究是有力的 (如：性别、年龄、遗 究(如：机制，代谢) · 表示全部的人敏感性 · 能测定效应的强度 传特征等和其他调控因 · 人力物力花费较少 素饮食等) · 能评价机制 缺点 · 耗资、耗时多 · 耗资多 · 动物暴露与人暴露相关 · 不能全面反映毒作用 · 多为回顾性，无健康 · 较低浓度和较短时 的不确定性 不能作为毒性评价和 保护 间的暴露 · 受控的饲养条件与人的 危险性评价的最后依 · 难以确定暴露，有混杂 · 限于较少量的人群 实际情况不一致 据 暴露问题 (一般<50) · 暴露的浓度和时间的模 · 难以观察慢性毒作用 · 可检测的危险性增加必 · 限于暂时、微小、 式显著地不同于人群的 需达到 2 倍以上 可逆的效应 暴露 · 测定指标较粗(发病率， · 一般不适于研究最 死亡率) 敏感的人群 基因水平上的研究 1、识别易感基因 环境应答基因(环境易感基因)：对环境因子具有特定的反应，影响人体对有害环境因子 （特别是环境化学物）易感性的基因。 人类对环境因素易感的基因非常之多，总称为环境基因组。 易感性形成的原因：① 代谢酶的遗传多态性；② 修复能力的差异；③ 受体因素；④ 宿 主因素等多方面。 2、以癌前病变为主，寻找相关的标志物，为癌的早期诊断、早期预测、早期治疗提供依据。 环境基因组 ： 人类的某些基因对环境因子具有特定的反应，这些反应影响着人体对有害环境因子（特别是环境化学 物）的易感性。这些基因被称为环境应答基因或环境易感基因。人类对环境因素易感的基因非常之多，总 称为环境基因组。 然而，环境易感基因是如何与环境相互作用的，环境易感基因的结构或其多态性与人类疾病之间是如 何联系的，迄今知之甚少，开展环境基因组学的研究是摆在环境毒理学家面前的重要任务之一。 基因水平上的研究(切入点) 1 识别环境反应基因结构与功能的多态性——易感基因，阐明个体对环境暴露作出不同反应的遗传学 基础，以更好地预测高危人群危险度及易感个体的判定，协助管理机构发展环境保护政策。探究其原因， 找出易感基因，是从基因水平上研究的切入点。 毒性作用的易感性形成的原因是多方面的，有：① 代谢酶的遗传多态性；② 修复能力的差异；③ 受 体因素；④ 宿主因素等多方面。 2 以癌前病变为主，寻找相关的标志物，为癌的早期诊断、早期预测、早期治疗提供依据。 以肺癌为例，正常细胞经诱癌因子作用发展成瘤，要经历一系列组织病理学变化：化生、增生、不典
型性增生、严重不典型性增生,发展成癌时间约需10~30年 美国国家环境卫生科学研究院( NIEHS)1998年启动环境基因组计划(EGP)。EGP计划的两个主要目标: ①促进识别环境暴露后决定疾病危险差异的环境反应基因结构与功能上的多态性。 ②促进疾病病因学中基因环境交互作用的流行病学研究。 即在强调两者交互作用的基础上,首先研究1大类200种机体耐环境的反应基因 10类反应基因为:外源性物质代谢与解毒基因,激素代谢基因,受体基因,DNA修复基因,细胞周 期基因,控制细胞死亡基因,免疫及炎症反应传递基因,营养因子传导基因,氧化过程中包含的基因 及信号转导系统的基因。 通过交互作用研究,最终目标是绘制所有环境反应基因中易感基因的多态性结构变异谱并阐明各自 的功能,为疾病危险度的评价、病因学研究及痰病防治提供理论依据 环境毒理学的发展方向 1、探讨多种环境污染物同时对机体产生的联合作用:相加、拮抗、协同等联合作用 2、深入研究环境污染物在环境中的降解和转化产物及其引起的生物学变化 3、进一步研究致畸作用的机理,完善致突变作用的试验方法和致癌作用与致突变作用的确切关系 4、深入研究早期观察的敏感指标:环境污染物对动物神经功能、行为表现、免疫机能的影响往往出 现在一般毒性表现之前,有必要把这些影响作为早期观察的敏感指标,进行深入研究 5、环境污染物化学结构与毒性作用的关系:环境污染物化学结构与毒性作用的性质和强度有密切关 系,应深入硏究,找出规律,以便根据化学结构,作出毒性的估计,减少动物毒性试验,并为合成某些低 毒化合物提供依据 6、吸收分子生物学的最新成就,使环境毒理学的研究由细胞水平研究提高到分子水平
型性增生、严重不典型性增生，发展成癌时间约需 10～30 年。 美国国家环境卫生科学研究院(NIEHS)1998年启动环境基因组计划(EGP)。 EGP计划的两个主要目标： ① 促进识别环境暴露后决定疾病危险差异的环境反应基因结构与功能上的多态性。 ② 促进疾病病因学中基因环境交互作用的流行病学研究。 即在强调两者交互作用的基础上，首先研究l大类200种机体耐环境的反应基因。 1O类反应基因为：外源性物质代谢与解毒基因，激素代谢基因，受体基因，DNA修复基因，细胞周 期基因，控制细胞死亡基因，免疫及炎症反应传递基因，营养因子传导基因，氧化过程中包含的基因 及信号转导系统的基因。 通过交互作用研究，最终目标是绘制所有环境反应基因中易感基因的多态性结构变异谱并阐明各自 的功能，为疾病危险度的评价、病因学研究及痰病防治提供理论依据。 环境毒理学的发展方向 1、探讨多种环境污染物同时对机体产生的联合作用：相加、拮抗、协同等联合作用 2、深入研究环境污染物在环境中的降解和转化产物及其引起的生物学变化 3、进一步研究致畸作用的机理，完善致突变作用的试验方法和致癌作用与致突变作用的确切关系 4、深入研究早期观察的敏感指标：环境污染物对动物神经功能、行为表现、免疫机能的影响往往出 现在一般毒性表现之前，有必要把这些影响作为早期观察的敏感指标，进行深入研究。 5、环境污染物化学结构与毒性作用的关系：环境污染物化学结构与毒性作用的性质和强度有密切关 系，应深入研究，找出规律，以便根据化学结构，作出毒性的估计，减少动物毒性试验，并为合成某些低 毒化合物提供依据。 6、吸收分子生物学的最新成就，使环境毒理学的研究由细胞水平研究提高到分子水平
第二章环境毒理学的基本原理 第一节环境有毒物的接触和暴露方式 概述 环境化学物对于生物体的毒害或风险取决于: 1、物质的性质 该物质在环境中的去向: 3、该物质在机体中的作用和行为 暴露( Exposure) 环境潜在有害物以任何方式与生物机体接触或进入机体。分定性和定量方面。 环境有害物从产生到危害发生的过程: 1、污染物的产生阶段 2、环境动力学阶段 3、暴露阶段 致毒动力学阶段( Toxicokinetic phase) 5、毒效阶段( Toxicodynamic phase 、暴露方式和途径 暴露方式:污染物接触生物机体的状态和方式 生物体在的环境(大气、土壤、水体) 污染物的物理状态(气、液、颗粒) 污染物的物理化学性质(水溶性、脂溶性); ●接触特点:单次、多次 2、暴露谂径: 通过肠胃道系统( Gastrointestinal tract)/经口 食物:天然毒素:有毒蛋白质、生物碱等 人为污染:生产、加工过程,如农药、重金属、药物、食品添加剂,NO3盐、色素 饮用水和天然水: ●通过呼吸道系统( Respiration tract) 大气污染物:气溶胶及其吸附的各种污染物、可吸入颗粒物、各种有害气体 ●皮肤接触吸收: 各种脂溶性化合物: 皮肤损伤。 ●其它途径 静脉注射 吸收速度: 静脉注射最快,其他一般依次为 呼吸道,腹腔注射,肌肉注射,经口,经皮 三、暴露水平的定量 1、确定暴露水平所需人体生理参数(EPA): 平均寿命:75岁; 平均体重:男70kg、女60kg;2-5岁儿童13.2kg、6岁儿童20.8kg 食物摄入量:1.5-kgFW/d 饮水量:14Ld:<10kg儿童Ld
第二章环境毒理学的基本原理 第一节 环境有毒物的接触和暴露方式 一、概述 环境化学物对于生物体的毒害或风险取决于： 1、物质的性质； 2、该物质在环境中的去向； 3、该物质在机体中的作用和行为。 暴露（Exposure)： 环境潜在有害物以任何方式与生物机体接触或进入机体。分定性和定量方面。 环境有害物从产生到危害发生的过程： 1、污染物的产生阶段 2、环境动力学阶段 3、暴露阶段 4、致毒动力学阶段（Toxicokinetic phase) 5、毒效阶段（Toxicodynamic phase） 二、暴露方式和途径 1、暴露方式：污染物接触生物机体的状态和方式 ⚫ 生物体在的环境（大气、土壤、水体）； ⚫ 污染物的物理状态（气、液、颗粒）； ⚫ 污染物的物理化学性质（水溶性、脂溶性）； ⚫ 接触特点：单次、多次 2、暴露途径： ⚫ 通过肠胃道系统（Gastrointestinal tract)/经口: 食物：天然毒素：有毒蛋白质、生物碱等 人为污染：生产、加工过程，如农药、重金属、药物、食品添加剂，NO3 -盐、色素 饮用水和天然水： ⚫ 通过呼吸道系统（Respiration tract) 大气污染物：气溶胶及其吸附的各种污染物、可吸入颗粒物、各种有害气体 ⚫ 皮肤接触吸收： 各种脂溶性化合物： 皮肤损伤。 ⚫ 其它途径： 静脉注射 吸收速度： 静脉注射最快，其他一般依次为 呼吸道，腹腔注射，肌肉注射，经口，经皮。 三、暴露水平的定量 1、确定暴露水平所需人体生理参数(EPA)： ⚫ 平均寿命：75岁； ⚫ 平均体重：男70kg、女60kg；2-5岁儿童13.2kg、6岁儿童20.8kg ⚫ 食物摄入量:1.5-2kg F.W/d； ⚫ 饮水量：1.4L/d；<10kg儿童1L/d
呼吸量:平均20m3d 外露体表面积:通常0.2m2,外露较多时0.52m2 2、暴露特征分析 暴露途径和方式 暴露起止时间 各种暴露途径有害物含量水平的分析、监测 暴露水平的监测方法 直接测定暴露源中有害物的浓度 测定机体中一个或多个组织中有毒物或其代谢产物的含量水平; →考虑毒物代谢动力学的影响! 体内负荷( Body burden):有毒物在体内的总量。如吸收速率>排泄速率→体内负荷增加 体内鬃露水平( nternal exposure):机体中敏感组织的实际暴露水平,目标组织中的浓度更重要 测定毒物引起的毒害效应的程度 4、露一效应的定量关系( Exposure-Response relationship) (1)有毒物的毒害效应取决于: 暴露程度( Exposure extent); 暴露时间( duration) 受害个体的敏感性( Sensitivity (2)暴露剂量决定受害程度: 有所表现( Noticeable) 可逆失调( Reversible disorder) 不可逆失调或致残( Disability) 死亡( Lethal) 对于高毒性有害物:瞬时浓度重要; 累积性毒物:长期平均浓度 (3)暴露效应关系曲线 第二节环境化学物质的吸收分布和排泄 一毒质动力学 有害物与机体接触后→吸收、分布、代谢和排泄过程 通过吸收进入血液→血液循环→分布到各组织、器官→代谢→有害物及其代谢产物→存储、排泄→ 生物转运过程 反复通过生物膜的过程 生物膜的结构与功能 结构:由脂质双分子层和蛋白质构成的半透性膜; ≯脂质双分子层:生物膜的基本骨架; ≯膜蛋白:载体、受体、能量转换器、酶→完成生物膜的主要功能。 功能:物质转运、能量和物质代谢、细胞识别、信息传递、毒性作用 保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定 ◆选择性地允许或不允许某些物质透过,以便吸收和排出一些物质
⚫ 呼吸量：平均20 m3 /d ⚫外露体表面积：通常0.2m2，外露较多时0.52m2 2、暴露特征分析 ⚫ 暴露途径和方式； ⚫ 暴露起止时间； ⚫ 各种暴露途径有害物含量水平的分析、监测。 3、暴露水平的监测方法： ⚫ 直接测定暴露源中有害物的浓度； ⚫ 测定机体中一个或多个组织中有毒物或其代谢产物的含量水平； 考虑毒物代谢动力学的影响！ 体内负荷（Body burden): 有毒物在体内的总量。如吸收速率>排泄速率体内负荷增加 体内暴露水平（Internal exposure):机体中敏感组织的实际暴露水平，目标组织中的浓度更重要。 ⚫ 测定毒物引起的毒害效应的程度 4、暴露—效应的定量关系（Exposure-Response relationship) （1）有毒物的毒害效应取决于： ⚫ 暴露程度(Exposure extent)； ⚫ 暴露时间（duration)； ⚫ 受害个体的敏感性（Sensitivity） （2）暴露剂量决定受害程度： ⚫ 有所表现（Noticeable) ⚫ 可逆失调（Reversible disorder) ⚫ 不可逆失调或致残（Disability) ⚫ 死亡（Lethal) 对于高毒性有害物：瞬时浓度重要； 累积性毒物：长期平均浓度 （3）暴露-效应关系曲线 第二节 环境化学物质的吸收分布和排泄 ―毒质动力学 有害物与机体接触后吸收、分布、代谢和排泄过程； 通过吸收进入血液血液循环分布到各组织、器官代谢有害物及其代谢产物存储、排泄 生物转运过程。 反复通过生物膜的过程。 一、生物膜的结构与功能 结构：由脂质双分子层和蛋白质构成的半透性膜； ➢脂质双分子层：生物膜的基本骨架； ➢膜蛋白：载体、受体、能量转换器、酶完成生物膜的主要功能。 ？ 功能：物质转运、能量和物质代谢、细胞识别、信息传递、毒性作用 ◆保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定; ◆选择性地允许或不允许某些物质透过，以便吸收和排出一些物质；
◆传递信息 ◆生物膜上的酶类(如混合功能氧化酶类等)还对化学物质的生物转化过程起催化作用 、化学物质通过生物膜的方式 0被动转运:扩散、滤过 O特殊转运:主动转运、易化扩散、吞噬作用和胞饮作用。 (一)被动转运 1.简单扩散( Passive transport) ◆定义:生物膜两侧的化学物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧(即顺浓度梯度)扩散 ●驱动力:浓度梯度 ●转运物质:多数环境化学物 ●转运速率(R) A(C1-C2) D K为扩散系数,A为膜面积,D为膜厚度。 ◆影响简单扩散的主要因素如下 (1)生物膜两侧化学物的浓度梯度 (2)脂/水分配系数 (3)化学物质的解离度和体液的pH 2.滤过( Filtration) 定义:滤过是环境化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程 驱动力:流体静压或渗透压 转运物质:分子直径<膜孔的化学物 生物膜上有一些亲水性孔道或间隙,它们是由嵌入脂质双分子层中的蛋白质结构中某些亲水性氨基酸构 成。如在膜的两侧存在着流体静压或渗透压差时,水就能携带小分子溶质经亲水性膜孔顺压差而透过生 物膜。凡分子直径小于膜孔的化学物,均可随同水流透过生物膜。 ·影响因素 ≯膜孔大小:一般0.4nm:肾小球毛细血管内皮细胞7-10nm M<100-200的化合物可通过04nm孔,如Pb、Mn、Cd盐 肾小球滤过:除蛋白质外,其余溶于血浆中的物质均可滤过 (二)特殊转运 对于某些非脂溶性的、分子量较大的环境化学物,不能通过上述方式转运,需通过生物膜上的特殊 转运系统转运 1.主动转运( active transport) 定义:化学物伴随能量的消耗由低浓度处向高浓度处转运以透过生物膜的过程称主动转运 ●驱动力:代谢能量 ●特点 需要有载体(或称运转系统)参加: ≯化学物质可逆浓度梯度转运,故需消耗一定的代谢能量,因此代谢抑制剂可阻止此转运过程
◆传递信息; ◆生物膜上的酶类（如混合功能氧化酶类等）还对化学物质的生物转化过程起催化作用。 二、化学物质通过生物膜的方式 Ø 被动转运：扩散、滤过； Ø 特殊转运：主动转运、易化扩散、吞噬作用和胞饮作用。 （一）被动转运 1．简单扩散（Passive transport） ◆ 定义：生物膜两侧的化学物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧（即顺浓度梯度）扩散。 ⚫驱动力：浓度梯度 ⚫转运物质：多数环境化学物 ⚫转运速率（R）： K 为扩散系数， A 为膜面积，D 为膜厚度。 ◆ 影响简单扩散的主要因素如下： （1）生物膜两侧化学物的浓度梯度 （2）脂/水分配系数 （3）化学物质的解离度和体液的pH 2．滤过(Fiilltratiion) • 定义：滤过是环境化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程。 • 驱动力：流体静压或渗透压； • 转运物质：分子直径<膜孔的化学物 • 生物膜上有一些亲水性孔道或间隙，它们是由嵌入脂质双分子层中的蛋白质结构中某些亲水性氨基酸构 成。如在膜的两侧存在着流体静压或渗透压差时，水就能携带小分子溶质经亲水性膜孔顺压差而透过生 物膜。凡分子直径小于膜孔的化学物，均可随同水流透过生物膜。 • 影响因素： ➢膜孔大小：一般 0.4nm；肾小球毛细血管内皮细胞 7-10nm ➢M<100-200 的化合物可通过 0.4nm 孔，如 Pb、Mn、Cd 盐； ➢肾小球滤过：除蛋白质外，其余溶于血浆中的物质均可滤过 （二）特殊转运 对于某些非脂溶性的、分子量较大的环境化学物，不能通过上述方式转运，需通过生物膜上的特殊 转运系统转运。 1．主动转运(actiive transport) 定义：化学物伴随能量的消耗由低浓度处向高浓度处转运以透过生物膜的过程称主动转运。 ⚫驱动力：代谢能量 ⚫特点： ➢需要有载体（或称运转系统）参加； ➢化学物质可逆浓度梯度转运，故需消耗一定的代谢能量，因此代谢抑制剂可阻止此转运过程； D A C C R K ( ) 1 − 2 =