第五章 影响毒性作用的因素Factors Impact on Toxicity

袁占鹏， Ph.D.

武汉大学公共卫生学院卫生毒理学系电话： 6875 9982 ； 139 8612 0848

E-mail: zpyuan@whu.edu.cn

【目的要求】

• 掌握影响毒性作用的因素– 化学– 机体– 环境

• 掌握外源化学物联合作用及类型• 熟悉基因多态性

– 及环境基因组计划

【内容】• 化学物因素

– 化学结构– 理化性质

• 稳定性– 纯度 / 混合物

• 机体因素– 个体因素对毒性易感性的影响– 物种、个体间遗传差异 ( 基因多态性 )

• 环境基因组计划

• 环境因素– 温度– 湿度– 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

毒物或其代谢产物 ( 终毒物 ) 必须以具有生物学活性的形式到达靶器官 / 细胞，达到有效的剂量 / 浓度，并持续足够时间才能与靶分子相互作用或改变其微环境而产生毒性作用

了解影响毒作用因素的意义• 在评价化学物毒性时，可设法加以控制以避

免其干扰，使实验结果更准确，重复性更好• 人类接触化学物时，并不能控制所有这些因

素。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

第一节 毒物的化学特性因素Section 1 Factor of Chemical

Characteristics of Toxicant

一、化学结构• 化学结构与毒作用性质

– 化学结构所决定其固有的性质而决定毒性– 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

– 研究毒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

（二）化学结构与毒性大小• 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– 取代基的影响– 异构体和立体构型– 同系物的碳原子数和结构的影响– 分子饱和度– 与营养物和内源性物质的相似性

• 苯及其衍生物• 卤代烷烃类卤素数

– 如氯甲烷的肝毒性大小依次是CCl4 CHCl﹥ 3 CH﹥ 2Cl 2 CH﹥ 3Cl

• 异构体和立体构型– 基团的位置—如带两个基团苯环的毒性

• 对位﹥邻位﹥间位，如氨基酚：对 -﹥ 邻 -﹥ 间 -• 对称﹥非对称

– 手征性 (chirality)— 同素异构体• 如反应停： S(-) R(+)﹥

取代基的影响

• 同系物的碳原子数– 按同系物相比，烷、醇、酮等碳氢化合物碳原子

数愈多，则毒性愈大– 如随着碳原子数增多，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

同系物的碳原子数和结构的影响

分子饱和度• 毒性

– 乙烷﹤乙烯﹤乙炔– ？– 不饱和键？– 可能与不饱和键易代谢为环氧化物有关

与营养物或内源性物质的相似性• 转运：如毒物结构与主动转运载体的底物—

营养物或内源性物质类似，即可能通过这些特异的载体转运吸收

• 干扰、破坏细胞的正常功能

( 三 ) 化学结构与毒性的关系• 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 - 活性关系研究是毒理学的一个重要分支

• 定量构效关系法 (quantitative structure activity relationship, QSAR)– 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

二、理化性质哪些与其毒性或毒作用大小有关？

• 溶解度• 电离度• 挥发度• 分散度• 纯度等

• 脂 /水分配系数 (lipid/water partition coefficient)– 系数大，易溶于脂– 反之表明易溶于水

• 胞浆蛋白质 ( 酶 )催化的反应– 毒物在水 ( 体液 ) 中溶解度越大，毒性越大– 影响毒作用部位– 脂溶性物质易在脂肪中蓄积

（一）溶解度

• 是指物质被分散的程度– 与什么相关？–粉尘 (particle)

• 即颗粒越小分散度越大，反之，• 颗粒越大分散度越小

– 影响进入呼吸道的深度• 阻留！

– 影响溶解度：一般来说颗粒越大，越难溶解– 影响化学物活性

• 颗粒越小除分散度越大外• 表面积越大，生物活性也越强

（二）分散度

• 常温下容易挥发的化学物，其易形成较大蒸气压–会怎样？– 易于经呼吸道吸收–导致毒性相差较大

• 有机溶剂的 LD50值相似，即绝对毒性相当• 如苯与苯乙烯的 LC 50值均为 45mg/L

• 但苯较苯乙烯 (挥发度仅及苯的 1/11) 更易挥发• 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

（三）挥发性

• 长期空气不流通的环境，如沼气、矿井、地沟等，化学物因比重不同而分层– 如下水沟 H2S 中毒事件

（四）比重

• 电离度 (pKa 值 )– 毒物呈现 1/2 为电离型和 1/2 为非电离型时的

pH值，即为其 pKa值

• 如 pKa值不同的毒物在不同 pH值的局部环境中电离程度不同，从而影响跨膜转运– 为什么？– 化学物主要以简单扩散的方式跨膜转运

• 荷电性影响空气中毒物的沉降• 和在呼吸道的阻留率

（五）电离度与荷电性

• 在实际生活中，毒理学更经常的是针对毒物的工业品或商品的毒性或环境中的混合毒物

• 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、减弱、甚至完全改变– 原化学物的毒性或毒性效应

三、不纯物和化学物的稳定性

第二节 机体因素Section 2 Organismic Factors

机体内有哪些因素可影响毒物的毒性作用？– 物种间遗传学差异– 个体遗传学差异– 机体其他因素

• ？• 生长 (健康 )• 发育

• 不同物种（ species) 、品系 (strain) 的动物由于其遗传差异决定了它们对毒物的—差异– 代谢转化方式

• 选择毒性 (selective toxicity) ：在接触条件完全相同情况下，毒物对某种 ( 些 ) 生物物质 (living matter) 的毒性较大，而对另一种 ( 些 ) 生命物质的毒性较小的现象

– 转化速率– 细胞靶分子反应等

一、物种间遗传学的差异

• 给毒理学中用某一种属 ( 实验动物 )来预测毒物对另一种属的毒性效应造成一定困难或障碍

• 人们又利用生物的多样性和选择毒性，研究开发杀灭非期望型生命物质而对期望型生命物质无损害作用的新产品，如农药、 抗生素

• 同一物种动物的不同品系，其遗传学、 生理学也存在差异，从而也表现出对毒物毒性反应的差异

选择毒性的意义

二、个体间遗传学的差异

与个体遗传差异相关的重要概念• 高敏感性 (hypersensitivity)

– 是指对一般人不引起毒作用的剂量，对某些人却发生极为严重的毒性反应

•抵抗性 (resistance)– 是指多代暴露导致遗传改变而不敏感

• 耐受性 (tolerance)–即长期接触某一化学物的个体 (群体 ) 对其毒作

用的敏感性逐渐降低的现象• 诱导解毒酶活性升高或抑制活化酶

• 个体易感性差异的决定因素是遗传因素，表现为基因多态性 (genetic polymorphism)– 基因多态性：如果一个基因座位最常见的等位基

因频率不超过 99％，这个基因即具有多态性–也就是从“功能”上来说，群体中有大于 1％的

个体存在不同的等位基因形式，且其基因产物的结构和活性常不同

基因多态性分类• 单核苷酸多态性 (single nucleotide

polymorphism ， SNPs)– 是指一物种中分散在不同个体基因组中的单个碱

基的不同，包括置换、缺失 、插入–较普遍和较重要的是单个碱基置换，即单核苷酸

多态性，单碱基变异的频率在 1‰～ 2‰– 绝大多数位于非编码区

• 非编码区？重要吗？

基因多态性分类• 小卫星 DNA 重复序列 (minisatellite repeats)

–由 15～ 65bp 的基本单位串联组成的重复序列，总长度一般不超过 20kb ，表现出重复次数在人群中的高度变异

– 这种数目变异的串联重复决定了小卫星 DNA 长度的多态

– 为染色体的异染色质• 重要性？

基因多态性分类• 微卫星 DNA 重复序列 (microsatellite repeats)

–也是由重复序列串联构成，但他们的基本序列只有 1～ 8 bp ，通常只重复 10 ～ 60 次，重复次数在个体间呈高度变化

–现已知并定位的微卫星 DNA 重复序列位点己多达8000余个

–线粒体 DNA– 多处染色体末端

• 重要性？• 端粒 ( 酶 )

环境基因组计划 (EGP)

Environmental Genome Project

• 疾病是基因与环境等因素综合作用的结果• 疾病易感性的决定因素为易感基因多态性

环境基因组计划的提出环境基因组计划的提出

• 推进有重要功能意义的环境应答基因的多态性研究，确定它们引起环境暴露致病危险性的差异

• 以开展和推动环境 - 基因交互作用对疾病发生、发展影响的人群流行病学研究

• 最终目的？– 环境易感病基因 ( 型 )

环境基因组计划的主要目标环境基因组计划的主要目标

其可确切解释某一亚种人群对环境有害因素的易感性，这对环境有害因素的风险评价具有重要意义– 环境应答基因 (environmental response genes) ：

是指对环境因素作用产生 特定反应的基因– 环境基因组 (environmental genome) ：即指基因

组中环境应答基因的总和

基因多态性是 EGP 的重要研究内容

• HGP 是对人类自身内部的探索– 人类的全部 DNA序列

• HGP 已于 2003 年 4月完成– 现在我们可以阅读构筑人类自身的自然的完全的

遗传学蓝图 (complete genetic blueprint)

• EGP 是对环境危险因素遗传易感性的探讨• 关系

HGP 正常 gene功能；突变 gene 与疾病EGP gene 多态性；对环境反应的差别

EGPEGP 与与 HGPHGP 的关系的关系

• 识别人群中不同等位基因 ( 多态性 ) 的频率，及其与疾病易感性之间的关系，建立有关基因多态性中心数据库

• 充分利用这一中心数据库，支持开展等位基因的功能研究和以人群为基础的疾病病因流行病学研究

EGPEGP 的目标有二的目标有二

• 确定等位基因和环境因素对疾病的病因作用• 发现更多的疾病易感基因• 逐步开展以人群为基础的基因和环境因素交

互作用的病因学研究• 研究暴露后的不同反应及其影响因素，更好 地制定环境保护策略、预测影响健康的危险 因素，并进行有针对性地预防

EGPEGP 的中心任务有四的中心任务有四

• 七类环境相关疾病癌症 (肺癌、膀胱癌、乳腺癌及前列腺癌 ) 、呼吸系统疾病(哮喘、纤维囊性肿 ) 、退行性神经系统疾病 (早老性痴呆、帕金 森综合征、肌萎缩内侧硬化症 ) 、发育障碍 (智力低下、多动症 ) 、先天缺陷 (口面裂 ) 、生殖功能缺陷 ( 不育、子宫肌瘤、子宫内膜异位、青春期早熟 ) 、自身免疫疾病(全身性红斑狼疮、多发 性硬化症 )

• 十类候选基因 DNA修复基因、外源化学物代谢与解毒基因、代谢基因、信号转导基因、受体基因、介导免疫和感染反应的介质基因、参与氧化过程的基因、介导营养因素的基因、细胞周期控制基因、细胞药物敏感基因

EGPEGP 的主要对象的主要对象

DNA再测序 以确定基因多态性 多态性功能分析 基因多态性研究结果应用于人群流行病学实践 改进环境易感人群保护政策EGP 的提出和实施，为预防医学研究领域提供了全新的概念和技术

EGPEGP 的研究策略的研究策略

• 健康状况– 遗传缺陷或遗传病与毒作用敏感性有关

• 着色性干皮病（ XP）–当一种疾病对于机体所产生的损害和某种毒物作

用的部位或方式相同时，接触该毒物往往会加剧或加速毒作用出现

• 例如肝炎病人对许多药物或毒物的损伤更敏感– 免疫过高或过低– 不利的环境条件或刺激作用

• 如过度噪声引起的应激，可增加芳香烃的羟基化作用

三、其他因素对毒作用的影响三、其他因素对毒作用的影响

• 发育状态 /年龄–新生动物对毒性的反应比青年或成年动物敏感，敏

感性平均高• Rule of thumb: 3倍

– 原因• 主要是基因表达不一样

• 性别– 可能主要与性激素和代谢转化功能不同有关

• 营养状态– 影响机体对毒物的生物代谢和毒性效应

其他因素对毒作用的影响其他因素对毒作用的影响

第三节 环境因素Section 3 Environmental Factors

气温、气湿 / 湿度、气压、光照和季节或昼夜节律等

主要环境因素

第四节 多毒物的联合作用第四节 多毒物的联合作用Section 4. Combined Action Section 4. Combined Action

of Multiple Toxicantsof Multiple Toxicants

• 联合作用 (combined effect)

是指同时或先后接触两种或以上的毒物对机体产生的毒作用

➢ 机体总是同时接触多毒物，它们在机体内往往呈现十分复杂的交互作用➢ 或彼此影响代谢动力学过程，或引起毒性效应变化，最终影响各自的毒性或综合毒性

联合作用联合作用 (combined effect)(combined effect)

（一）（一）非交互作用非交互作用• 相加作用 (additive effect)

– 是指多种化学物在化学结构上如为同系物，或其毒作用的靶器官相同而对机体产生的总效应等于各个化学物单独效应的总和

• 如大部分刺激性气体的刺激作用一般呈相加作用

• 独立作用 (independent effect)– 是指两种或两种以上的化学物作用于机体表现出

毒物的各自的毒性效应

• 协同作用 (synergistic effect)– 是指多种毒物对机体所产生的总毒性效应大于各自单独对机体的毒性效应总和，即毒性增强

– 多个化学物之间发生协同作用的机理复杂而多样– 相互影响 ADME？

• 加强作用 (potentiation effect)–一种毒物的存在使机体对另一毒物同时或先后暴露时的毒性增强

• 如异丙醇本身并无肝脏毒性效应，但若同时给予四氯化碳，就会使四氯化碳的肝毒性大大增强

(( 二二 ) ) 交互作用交互作用

• 拮抗作用 (antagonistic effect)– 是指毒物对机体所产生的总毒性效应小 ( 低 )于各个毒物单独对机体的毒性效应总和

–该种作用是许多解毒药物的药理基础

• 大致可分为四种

交互作用交互作用

• 功能拮抗– 是指两种毒物作用于机体同一生理功能，但产生截然相

反的作用而使该生理功能仍可维持平衡

• 化学拮抗– 两种化学物之间发生反应而使两者的毒性下降。如二巯

基丙醇络合铅、砷和汞等毒物• 转运拮抗

– 干扰 / 改变另一毒物的 ADME 而使其毒性作用减弱• 受体拮抗

–当两种毒物共用受体结合时，如果给予两化学物所产生的毒性效应低于分别给予时，即受体拮抗

拮抗作用可分为

总之，影响毒作用的因素是多方面的，这些因素之间相互影响，最后形成一个综合的机体敏感性

➢ 加深对外源化学物所致毒作用机制的认识➢ 控制毒理学动物实验混杂因素的干扰，使毒理学试验更准确 ➢ 控制毒作用影响因素，减轻或消除化学毒物对机体的危害作用

毒物对机体的毒性小结毒物对机体的毒性小结