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第二讲++毒理学基本概念


第一章 毒理学基本概念
第一节 定义和术语 第二节 剂量、剂量-效应关系和剂量-反应关系 第三节 表示毒性的常用指标

第四节 安全限值

第一节 定义和术语
1、毒物、毒性和毒作用 2、损害作用与非损害作用 3、毒效应谱 4、靶器官

5、生物学标志

1、毒物、毒性和毒作用
毒物(poison):在一定条件下,较小剂量即能够 对机体产生损害作用或使机体出现异常反应的外源 化学物。 能干扰机体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。

1、毒物、毒性和毒作用
?

按毒物用途和分布范围分为:
工业化学品:生产原料、辅料、中间体等; 食品添加剂:食用色素、香精、防腐剂等; 日常化学品:化妆品、洗涤用品等; 农用化学品:化肥、杀虫剂等; 医用化学品:药物、消毒剂等; 环境污染物:废水、废气、废渣中的各种学物质等; 生物毒素:动物、植物、霉菌、细菌毒素等; 军事毒物:沙林、芥子气等战争毒素; 放射性物质:放射性核素、天然放射性元素等。

1、毒物、毒性和毒作用
?

毒性(toxicity):外源化学物能够造成机体 损害的能力
对机体的损害作用越大,毒性越高 反映毒物的剂量与机体反应之间的关系

?

选择毒性(selective toxicity):一种外 源化学物只对某种生物产生损害作用,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

1、毒物、毒性和毒作用
选择毒性的原因: (1)物种和细胞学差异 (2)生物转化过程的差异 (3)亲和力的差异

(4)所致损害的修复能力的差异

1、毒物、毒性和毒作用
影响毒性的因素
? ?

剂量 接触途径
静脉、口、呼吸道、皮肤等

?

接触期限、速率和频率

1、毒物、毒性和毒作用
?

接触期限:强度 性质 急性毒性试验
24小时内一次或多次染毒

亚急性毒性试验
亚慢性毒性试验 慢性毒性试验

1个月或短于1个月的重复染毒
1个月至3个月的重复染毒 3个月以上的重复染毒

1、毒物、毒性和毒作用
接触频率对毒性的影响 ? 接触的间隔时间如短于生物半减期(t1/2) 时,进入机体的量大于排出量,易于积累 至一个高水平,从而引起中毒
?

如接触的间隔时间长于t1/2时,不易引起中 毒

1、毒物、毒性和毒作用
?

毒作用(toxic effect,毒效应):外源 化学物对机体所致的不良或有害的生物学 改变。 又称为不良效应、损伤作用或损害作用。 是其本身或代谢产物在作用部位达到一定 数量并停留一定时间,与组织大分子成分 互相作用的结果。

?

1、毒物、毒性和毒作用
?

毒作用的分类
速发或迟发性作用

局部与全身作用
可逆与不可逆作用

过敏性反应
特异体质反应

1、毒物、毒性和毒作用
?

速发或迟发性作用:
速发性毒作用(immediate effect) 是指某些 外源化学物在一次接触后的短时间内所引起 的即刻毒性作用。 迟发性毒作用(delayed effect)是指在一次 或多次接触某种外源化学物后,经一定时间 间隔才出现的毒性作用。

1、毒物、毒性和毒作用
?

局部与全身作用: 局部毒性作用(local effect)是指某些外 源化学物在机体接触部位直接造成的损害 作用 全身毒性作用(systemic effect)是指外 源化学物被机体吸收并分布至靶器官或全 身后所产生的损害作用

1、毒物、毒性和毒作用
?

可逆与不可逆作用:
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

1、毒物、毒性和毒作用
?

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 在低剂量下即可发生,难以观察到剂量-反 应关系。损害表现多种多样,轻者仅有皮肤症 状,重者可致休克,甚至死亡

1、毒物、毒性和毒作用
?

特异体质反应(idiosyncratic reaction) 机体对外源化学物一种遗传性异常反应。 某些人有先天性的遗传缺陷,而对某些 化学毒物表现出异常的反应性。如肌松剂琥 珀酰胆碱正常时可被血浆中的拟胆碱酯酶迅 速分解,故作用时间很短,但在缺乏此酶者 可致长时间肌松甚至呼吸暂停

2、损害作用与非损害作用
? 1.

损害作用(adverse effect)的特点 机体的正常形态学、生理学、生长

发育过程受到影响,寿命可能缩短
2. 3. 4.

机体功能容量降低 机体对外加应激的代偿能力降低 机体对其他某些环境因素不利影响 的易感性增高

2、损害作用与非损害作用
?
1. 2. 3. 4.

非损害作用(non-adverse effect)的特点
不引起机体机能形态、生长发育和寿命的改变 不引起机体功能容量的降低 不引起机体对额外应激状态代偿能力的损伤 机体发生的一切生物学变化应在机体代偿能力 范围之内,当机体停止接触该种外源化学物后, 机体维持体内稳态的能力不应有所降低,机体 对其他外界不利因素影响的易感性也不应增高

3、毒效应谱
?

毒效应谱(spectrum of toxic effects):
指机体接触外源化学物后,取决于外源化学物 的性质和剂量,可引起多种变化,可以表现为: ①机体对外源化学物的负荷增加 ②意义不明的生理和生化改变

③亚临床改变
④临床中毒 ⑤死亡

3、毒效应谱

3、毒效应谱
反映毒作用终点的观察指标
? 特异指标:指标的出现与特定化学物质之
间有着明确的因果关系,常有助于中毒机制
的阐明是其优点。

? 死亡指标:简单、客观、易于观察,虽然
比较粗糙,不能反映毒作用的本质,但可作 为衡量不同作用部位和作用机制的化学物质 毒性大小的标准。

3、毒效应谱
毒作用终点(end-point)
? 急性毒性试验以死亡为毒性终点;

? 亚慢性、慢性毒性试验以生理、生化、 代谢等过程的异常改变为毒性终点;
? 遗传毒理学以基因突变、染色体畸变、 畸形、肿瘤形成等为毒性终点

4、靶器官
?
? ?

靶器官 (target organ)
外源化学物可以直接发挥毒作用的器官 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

?

?

4、靶器官
组织器官成为化学物质的靶器官是多 种因素作用的结果:
?化学物质本身的结构与理化性质 ?机体对于化学物质的处置过程 ?组织器官的组织结构与生理功能

?代谢酶的活化状态
?化学物质或其代谢产物与生物大分子间相互作 用的能力

5、生物学标志
?

生物学标志(biomarker,biological
marker) 指针对通过生物学屏障进入组织或 体液的化学物质及其代谢产物、以及它们所 引起的生物学效应而采用的检测指标

?
1.
2. 3.

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

5、生物学标志
? ?

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。 包括体内剂量标志和生物效应剂量标志。

?

?

体内剂量标志可以反映机体中特定化学物质及其代 谢物的含量,即内剂量或靶剂量。如检测人体的某 些生物材料如血液、尿液、头发中的铅、汞、镉等 重金属含量可以准确判断其机体暴露水平。
生物效应剂量标志可以反映化学物质及其代谢产物 与某些组织细胞或靶分子相互作用所形成的反应产 物含量。

?

5、生物学标志
?
?

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 变及疾病三类标志物。

?

5、生物学标志
? 早期效应生物学标志:化学物质与组织
细胞作用后,在分子水平产生的改变。

? 结构和功能改变效应生物学标志:化学
物质造成的组织器官功能失调或形态学改变

? 疾病效应生物学标志:与化学物质导致
机体出现的亚临床或临床表现密切相关,常 用于疾病的筛选与诊断。

5、生物学标志
? 易感性生物学标志(biomarker of

susceptibility)

反映机体对化学物质毒作用敏感程度的 指标。由于易感性的不同,性质与剂量相 同的化学物质在不同个体中引起的毒效应 常有很大差异,遗传因素是其主要原因

5、生物学标志
药物或毒物代谢酶的多态性直接影响 化学物质在体内的结局和与生物大分子相

互作用的活性,与某些疾病的高发有关。
易感性生物学标志主要用于易感人群 的筛检与监测,在此基础上可采取有效措 施进行有针对性的预防。

5、生物学标志
接触标志 效应标志

暴露

吸收剂量

靶剂量
易感性标志

生物学效应

健康效应

图2-2 从暴露到健康效应的模式图和与生物学标志的关系

5、生物学标志
生物学标志的研究与应用可准确判断 机体接触化学物质的实际水平,有利于早

期发现特异性损害并进行防治,对于阐明
毒作用机制、建立剂量-反应关系、进行 毒理学资料的物种间外推具有重要意义, 是阐明毒物接触与健康损害之间关系的有 力手段。

第二节 剂量、剂量-效应关系和剂量-反应关系
1、剂量
2、量反应与质反应 3、剂量-量反应关系和剂量-质反应关系

4、剂量-反应曲线

1、剂量
剂量(dose) 是决定外源化学物对机体损害作用的重要因素
?

接触剂量又称外剂量:机体接触化学物质的 量或在试验中给予机体受试物的量。 吸收剂量又称内剂量:化学物质被吸收入血 的量。

?

?

到达剂量又称靶剂量或生物有效剂量:到达 靶器官并与其相互作用的量(靶剂量、生物有 效剂量) 。

1、剂量
靶剂量直接决定了化学物质所致机体损 伤的性质与强度,但检测比较复杂; 毒理学中的剂量通常是指机体接触化学 物质的量或给予机体化学物质的量,单位 为mg/kg体重、mg/cm2皮肤

1、剂量
当一种化学物质经由不同途径与机体接 触时,其吸收系数与吸收速率各不相同。

因此在提及剂量时,必须说明接触途径。
在接触环境污染物时,则根据空气、水、

食品等介质中存在的浓度乘以进入体内的
介质总量来计算剂量

2、量反应与质反应
?

反应(response)
指化学物质与机体接触后引起的生物学 改变。分为量反应和质反应两类。 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。

2、量反应与质反应
?

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“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。 量反应通常用于表示化学物质在个体中引起的 毒效应强度的变化,质反应则用于表示化学物 质在群体中引起的某种毒效应的发生比例。

?

3、剂量-量反应关系和剂量-质反应关系
剂量-量反应关系 (graded dose-response 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-质反应关系 (quantal 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。

3、剂量-量反应关系和剂量-质反应关系
剂量-量反应关系和剂量-质反应关系 统称为剂量-反应关系,是毒理学的重 要概念。化学物质的剂量越大,所致的 量反应强度应该越大,或出现的质反应 发生率应该越高。剂量-反应关系是受 试物与机体损伤之间存在因果关系的证 据。

4、剂量-反应曲线
剂量-反应关系可以用曲线表示,

即以表示量反应强度的计量单位或
表示质反应的百分率为纵坐标、以

剂量为横坐标绘制散点图,可得到
一条曲线。

4、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

?

4、剂量-反应曲线
1.S形曲线

是典型剂量反应曲线,多见于剂量质反应关系中,分为对称S形曲线和

非对称S形曲线两种形式。

4、剂量-反应曲线
(1)对称S形曲线
当群体中的全部个 体对某一化学物质的 敏感性差异呈正态分 布时,剂量与反应率 之间的关系表现为对 称S形曲线(较少见)

4、剂量-反应曲线
(2)非对称S形曲线
该曲线在靠近横坐标

左侧的一端曲线由平缓 转为陡峭的距离较短, 而靠近右侧的一端曲线 则伸展较长。它表示随 着剂量增加,反应率的 变化呈偏态分布(最多 见)

4、剂量-反应曲线
? 对称或非对称S形曲线,在50%反 应率处的斜率最大,剂量与反应率的 关系相对恒定; ? 常用引起50%反应率的剂量来表示

化学物质的毒性大小(LD50、TD50、
ED50)

4、剂量-反应曲线
2.直线 化学物质剂量的变化与反应的改变 成正比。由于在生物体中,反应的产 生要受到多种因素的影响,情况十分 复杂,故此种曲线体内试验少见

4、剂量-反应曲线
3.抛物线 为一条先陡峭后平缓的曲线,类 似于数学中的对数曲线,又称为对 数曲线型。这种曲线只需将剂量换 算为对数即可转变为一条直线。可 见于剂量-量反应关系中

4、剂量-反应曲线
剂量-反应曲线的转换

为通过数学的方法更加准确地计
算LD50等重要的毒理学参数并得出曲

线的斜率,有必要将S形曲线转换为
直线。

4、剂量-反应曲线
68.3% 99.7% 95.5%

当把纵坐标的标识单位反应率改为反应 频率时,对称S形曲线转换为高斯曲线。在 该分布曲线下,如把使一半受试个体出现反 应的剂量作为中位数剂量,并以此为准划分 若干个标准,则在其两侧1个、2个或3个标 准差范围内分别包括了受试总体的68.3%、 95.5%和99.7%。将各标准差的数值均加上 5(-3 - +3变为2 - 8)即为概率单位。概率 单位与反应率之间的对应关系见表3-1。当 纵坐标标识单位用概率单位表示时,对称形 曲线即转换为直线。
2

95.5% 68.3%

99.7%

-2s -1s
3

4

5

1s
6

2s 3s
7 8

4、剂量-反应曲线
表3-1 反应率与概率单位之间的对应关系 反应率(%) 0.1 2.3 15.9 50.0 84.1 97.7 99.9 概率单位 2 3 4 5 6 7 8

图3-2 S型剂量-反应曲线向直线的转换

4、剂量-反应曲线

非对称S形曲线转换为直线,需要分 两步进行:先把横坐标的剂量单位换 算为相应的对数,再把纵坐标的反应 率改为概率单位,即可得到一条直线。

4、剂量-反应曲线
转换而来的直线可以建立数学方 程,计算出各剂量对应的反应率及曲

线斜率。LD50、TD50、ED50等只是引起
50%反应率发生的一个点剂量,而曲

线斜率可全面反映化学物质的毒性特


图3-3 两种化学物质的毒性比较

第三节 表示毒性的常用指标
1、致死剂量
2、阈剂量 3、最大无作用剂量

4、毒作用带

1、致死剂量
致死剂量( lethal dose,LD) :某种外源化学物 能引起机体死亡的剂量。

1. 绝对致死剂量(absolute lethal dose,LD100)
是指化学物质引起受试对象全部死亡所需 要的最低剂量或浓度。由于个体差异,受试 群体中总是有少数高耐受性或高敏感性的个 体,故LDl00常有很大的波动性。

1、致死剂量
2. 最小致死剂量 (minimal lethal dose,MLD或LD01)

指化学物质引起受试对象中的个别
成员出现死亡的剂量。低于此剂量即 不能引起死亡。

1、致死剂量
3. 最大耐受剂量 (maximal tolerance dose,MTD或LD0) 化学物质不引起受试对象出现死亡的最 高剂量。LD0也受个体差异的影响,存在 很大的波动性。

LDO和LD100常作为急性毒性试验中选择
剂量范围的依据。

1、致死剂量
4.半数致死剂量 (median lethal dose,LD50) 化学物质引起一半受试对象出现死亡 所需要的剂量,又称致死中量。LD50是 评价化学物质急性毒性大小最重要的参 数,也是对不同化学物质进行急性毒性 分级的基础标准。化学物质的急性毒性 越大,其LD50的数值越小。

1、致死剂量
LD50受多种因素影响。对于同一种化学物 质,不同种属的动物敏感性不同。接触途径

不同也可影响LD50的值。
在表示LD50时,必须注明动物种属、性别 和接触途径。 实验室环境、喂饲条件、染毒时间、受 试物浓度、溶剂性质、实验者操作技术的熟 练程度等均可对LD50产生影响。

1、致死剂量
计算LD50时,还要求出95%可信限,

以LD50±1.96?来表示误差范围。在各
种急性毒性分级标准中,等级间的数

值一般可相差10倍,就是充分考虑到
了LD50的波动性

2、阈剂量
阈剂量(threshold dose) 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,又称为最小有 作用剂量(minimal effect level,MEL)

? 急性阈剂量(acute threshold dose,Limac)
与化学物质一次接触所得 ? 慢性阈剂量(chronic threshold dose,Limch) 长期反复多次接触所得

2、阈剂量
阈剂量受到所选观察指标、检测技术的灵 敏度和精确性、试验设计的剂量组数以及每

组受试对象数等多种因素的影响,准确的测
定阈剂量是很困难的,故该概念只有理论上 的意义。在毒理学试验中获得的类似参数是 观察到损害作用的最低剂量(lowest observed adverse effect level,LOAEL)。

3、最大无作用剂量
最大无作用剂量(maximal no-effect dose,ED0)
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。最 大无作用剂量也不能通过试验获得。只能确 定未观察到损害作用的剂量(no-observed adverse effect level,NOAEL)

3、最大无作用剂量
? 同一化学物质,不同种属动物、

染毒方法、接触时间和观察指标
时,可能得到不同的LOAEL和NOAEL

? 应注明具体实验条件
? LOAEL和NOAEL不是一成不变的

4、毒作用带
毒作用带(toxic effect zone)指

阈剂量作用下限与致死毒作用上限之间
的距离,是表示化学物质毒性和毒作用

特点的重要参数之一,综合评价外源化
学物的危险性的指标,分为急性毒作用 带与慢性毒作用带

4、毒作用带
1. 急性毒作用带(acute
toxic effect zone,Zac)

半数致死剂量与急性阈剂量的比值

Zac=LD50/Limac
Zac值小,说明化学物质从产生轻微损害 到导致急性死亡的剂量范围窄,引起死亡的 危险性大;反之,则说明引起死亡的危险性 小。

4、毒作用带
?

慢性毒作用带 (chronic Zch =

toxic effect zone,Zch )

急性阈剂量与慢性阈剂量的比值 Limac / Limch Zch值大,说明Limac与 Limch之间的剂量 范围大,由极轻微的毒效应到较为明显的 中毒表现之间发生发展的过程较为隐匿, 易被忽视,故发生慢性中毒的危险性大; 反之,则说明发生慢性中毒的危险性小。

第四节 安全限值
安全限值即卫生标准,是对各种环境 介质(空气、土壤、水、食品等)中的化 学、物理和生物有害因素规定的限量要求。
在低于此种浓度和接触时间内,根据 现有的知识,不会观察到任何直接和或间 接的有害作用。也就是说,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。

第四节 安全限值
?

?

?

?

每日容许摄入量(acceptable daily intake,ADI)是允 许正常成人每日由外环境摄入体内的特定化学物质的总 量。在此剂量下,终身每日摄入该化学物质不会对人体 健康造成任何可测量出的健康危害。mg/(kg bw) 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。 阈限量 (threshold limit value,TLV)为美国政府工业 卫生学家委员会推荐的生产车间空气中有害物质的职业 接触限值。为绝大多数工人每天反复接触不致引起损害 作用的浓度。 参考剂量 (reference dose,RfD) 是指一种日平均剂 量和估计值。人群(包括敏感亚群)终身暴露于该水平时, 预期在一生中发生非致癌(或非致突变)性有害效应的危 险度很低,在实际上是不可检出的。

第四节 安全限值
生活环境中,最高容许浓度(MAC)是指 对大气、水体、土壤等介质中有毒物质浓度

的限量标准。接触人群中最敏感的个体即刻
暴露或终生接触该水平的化学物质,不会对 其本人或后代产生有害影响。由于接触的具 体条件及人群的不同,即使是同一化学物质, 它在生活或生产环境中的MAC也不相同

第四节 安全限值
在制定安全限值时,最重要的毒性参 数是LOAEL和NOAEL。化学物质的安全限

值一般是将LOAEL或NOAEL缩小一定的倍
数来确定的。这个缩小的倍数称为安全

系数或不确定系数 在选择安全系数或不确定系数时要考
虑多种因素


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