環(huán)境化學物的毒性作用及其影響因素

1、※本章重點： 1.毒性作用的基本概念 2.影響毒性作用的因素※本章難點： 1.環(huán)境化學物的聯(lián)合毒性作用 2.毒性作用的機制,第一節(jié) 毒性作用,一、基本概念二、毒性作用的類型三、環(huán)境化學物的聯(lián)合毒性作用四、毒性作用的機理,返回本章目錄,一、基本概念,（一）毒物（二）毒性（三）中毒（四）危險度與危害性（五）劑量（六）效應和反應（七）劑量-效應

2、關系和劑量-反應關系,（一）毒物 毒物（toxicant）是指在一定條件下，較小劑量就能引起機體功能性或器質性損傷的化學物質。 （二）毒性 毒性（toxicity）是指一種物質能引起機體損害的性質和能力。,（三）中毒,中毒（toxication）是指機體受到某種化學物質的作用而引起功能性或器質性的病變。根據(jù)中毒發(fā)生發(fā)展的快慢，可區(qū)分為急性中毒、亞慢(急)性中毒和慢性中毒。,（四）危險度與危害性,危險度(

3、risk)也稱危險性或風險度，是指在一定暴露條件下引起機體某種不良效應發(fā)生的概率，即是指某種物質在具體的接觸條件下，對機體造成損害可能性的定量估計。 危害性(hazard)的意義與危險度相似，但缺乏定量概念，未考慮機體可能接觸的劑量和損害程度，一般指化學物對機體產(chǎn)生危害的可能性。,（五）劑量,劑量（dose）是指給予機體的或機體接觸的外源化學物的數(shù)量。 劑量的單位通常是以單位體質量接觸的外源化學物數(shù)量（mg/kg

4、體質量）或機體生存環(huán)境中的濃度（mg/m3空氣，mg/L水）表示。 劑量是決定外源化學物對機體造成損害作用的最主要因素。同一種化學物，不同劑量對機體作用的性質和程度不同。,毒理學常用的幾個劑量概念,1．致死劑量（Lethal dose，LD）,2．半數(shù)效應劑量（ED50）,3．最小有作用劑量（MEL）,4．最大無作用劑量（MNEL）,5．急性毒作用帶(Zac),致死劑量指以機體死亡為觀察指標而確定的外源化學物劑量。按照可引起

5、機體死亡率不同而有以下幾種致死劑量：,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半數(shù)致死量（LD50）,絕對致死量（LD100）,1．致死劑量（Lethal dose，LD）,2．半數(shù)效應劑量（ED50）,3．最小有作用劑量（MEL）,4．最大無作用劑量（MNEL）,5．急性毒作用帶(Zac),1. 致死劑量,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半數(shù)致死量（LD50）,絕對致死量（LD100）,(1)絕對致死量（LD100）

6、指能引起所觀察個體全部死亡的最低劑量，或在實驗中可引起實驗動物全部死亡的最低劑量。,(2)半數(shù)致死量和半數(shù)致死 濃度 半數(shù)致死量（LD50）又稱致死中量，指引起一群個體50%死亡所需劑量。 半數(shù)致死濃度（LC50），即引起一群個體50%死亡所需的濃度。一般以mg/m3空氣和mg/L水來表示。,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半數(shù)致死量（LD50）,絕對致死量（LD100）,最小致死

7、量（MLD、LDmin或LD01）指在一群個體中僅引起個別死亡的最低劑量。低于此劑量即不能使個體死亡。,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半數(shù)致死量（LD50）,絕對致死量（LD100）,(3)最小致死量,最大耐受量（MTD或LD0）指在一群個體中不引起死亡的最高劑量。,最大耐受量（MTD）,最小致死量（MLD）,半數(shù)致死量（LD50）,絕對致死量（LD100）,(4)最大耐受量,2. 半數(shù)效應劑量,1．致死劑量（Lethal

8、 dose，LD）,2．半數(shù)效應劑量（ED50）,3．最小有作用劑量（MEL）,4．最大無作用劑量（MNEL）,5．急性毒作用帶(Zac),半數(shù)效應劑量(ED50) 指外源化學物在一定的時間內按一定的方式與機體接觸，引起機體某項生物效應發(fā)生50%改變所需的劑量。,1．致死劑量（Lethal dose，LD）,2．半數(shù)效應劑量（ED50）,3．最小有作用劑量（MEL）,4．最大無作用劑量（MNEL）,5．急性毒作用帶(Zac),最小

9、有作用劑量（MEL）也稱中毒閾劑量或中毒閾值，指外源化學物按一定方式或途徑與機體接觸時，在一定時間內，使某項靈敏的觀察指標開始出現(xiàn)異常變化或機體開始出現(xiàn)損害作用所需的最低劑量。,3．最小有作用劑量,1．致死劑量（Lethal dose，LD）,2．半數(shù)效應劑量（ED50）,3．最小有作用劑量（MEL）,4．最大無作用劑量（MNEL）,5．急性毒作用帶(Zac),最大無作用劑量（MNEL） 又稱未觀察到作用劑量（NOEL）或稱未觀察到有

10、害作用的劑量(NOAEL），指外源化學物在一定時間內按一定方式或途徑與機體接觸后，用目前最為靈敏的方法和觀察指標，未能觀察到任何對機體損害作用的最高劑量。,4．最大無作用劑量,（六）效應和反應,1.效應效應（effect）指一定劑量外源化學物與機體接觸后所引起的生物學變化。此種變化的程度大多可用計量單位表示。2.反應反應（response）指一定劑量的外源化學物與機體接觸后，呈現(xiàn)某種效應并達到一定程度的比率，或產(chǎn)生效應的

11、個體數(shù)在某一群體中所占的比例。,（七）劑量-效應關系和劑量-反應關系,1．劑量-效應關系和劑量-反應關系 劑量–效應關系：是指不同劑量的外源化學物與其在個體或群體中所引起的量效應大小之間的相關關系。劑量–反應關系：是指不同劑量的外源化學物與其引起的效應發(fā)生率之間的關系。,2．劑量-效應關系和劑量-反應關系曲線,劑量–效應關系和劑量–反應關系均可用曲線表示(圖3-1)，即以表示效應強度的計量單位或表示反應的百分率或比值為縱坐標

12、，以劑量為橫坐標繪制散點圖所得的曲線。（1）直線型 （2）拋物線型 （3）S形曲線,圖3-1 劑量-反應曲線圖,,圖3-1a （直線型） 圖3-1b （拋物線型）,圖3-1c （S型線型） 圖3-1d 劑量–反應曲線,圖3-1 劑量-反應曲線圖,二、毒性作用的類型,（一）局部和全身毒性作用,（二）速發(fā)和遲發(fā)毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特異體質反應,某些環(huán)境化

13、學物可引起機體直接接觸部位的損傷，稱局部毒性作用。環(huán)境化學物被吸收后，隨血循環(huán)分布全身而呈現(xiàn)的毒性作用，稱為全身毒性作用。,（四）變態(tài)反應,（一）局部和全身毒性作用,（二）速發(fā)和遲發(fā)毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特異體質反應,某些環(huán)境化學物一次接觸后在短時間內引起的毒性作用，稱為速發(fā)毒性作用。遲發(fā)毒性作用是指一次或多次接觸某些化學物后，需經(jīng)一段時間后才呈現(xiàn)的毒性作用。,（四）變態(tài)反應,（一）局部和全身毒性作用,（二）速

14、發(fā)和遲發(fā)毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特異體質反應,停止接觸化學物后可逐漸消退的毒性作用，稱可逆毒性作用。如果機體接觸化學物的濃度低、時間短、損傷輕，可以是可逆的毒性作用。不可逆毒性作用是指停止接觸化學物后，其作用繼續(xù)存在，甚至損傷可進一步發(fā)展。化學物的致突變、致癌變作用是不可逆毒性作用。,（四）變態(tài)反應,（一）局部和全身毒性作用,（二）速發(fā)和遲發(fā)毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（四）變態(tài)反應,（五）特異體質反應,

15、變態(tài)反應(allergic reaction):是指機體對環(huán)境化學物產(chǎn)生的一種有害免疫介導反應，又稱過敏性反應。,（一）局部和全身毒性作用,（二）速發(fā)和遲發(fā)毒性作用,（三）可逆和不可逆毒性作用,（五）特異體質反應,特異體質反應(idiosyncratic reaction):一般是指遺傳所決定的特異體質對某種化學物的異常反應，又稱特發(fā)性反應。,（四）變態(tài)反應,三、環(huán)境化學物的聯(lián)合毒性作用,凡兩種或兩種以上的化學物同時或短期內先后作用于機

16、體所產(chǎn)生的綜合毒性作用，稱為化學物的聯(lián)合毒性作用。（一）聯(lián)合作用的類型,多種環(huán)境化學物同時作用于機體所產(chǎn)生的生物學作用的強度是各自單獨作用的總和，此種作用稱為相加作用。,兩種或兩種以上環(huán)境化學物同時作用于機體，所產(chǎn)生生物學作用的強度遠遠超過各化學物單獨作用強度的總和，此種作用稱為協(xié)同作用。,一種環(huán)境化學物本身對機體并無毒性，但能使與其同時進入機體的另一種環(huán)境化學物的毒性增強，此種作用稱為增強作用或增效作用。,兩種環(huán)境化學物同時作用于

17、機體時，其中一種化學物可干擾另一種化學物的生物學作用，或兩種化學物相互干擾，使混合物的毒作用強度低于各自單獨作用的強度之和，此種作用稱為頡頏作用。,兩種或兩種以上的環(huán)境化合物作用于機體，各自的作用方式、途徑、受體和部位不同，彼此互無影響，僅表現(xiàn)為各自的毒作用，對此稱為獨立作用。,（二）聯(lián)合作用類型的評定,1．聯(lián)合作用系數(shù)法 聯(lián)合作用系數(shù)（K）= 混合物的預期LD50∕混合物實測LD50?；旌衔锏念A期LD50值的計算公式如

18、下： 式中：A，B， ，N，代表混合物中的各化合物；a，b， ，n，分別為各化合物在混合物中所占的質量比例，,2．等效應線圖法,如圖3-2所示，本法只能評定兩個化合物的聯(lián)合作用，其原理是在試驗條件和接觸途徑相同情況下分別求出受試的甲、乙兩種化合物的LD50及其95%可信限。,注:ad—相加作用；at—頡頏作用；sy—協(xié)同作用橫縱坐標分別表示乙、甲化學物的LD50及其95%可信上下限(mg/kg)。,圖3-2

19、 聯(lián)合作用的等效應曲線,四、毒性作用的機理,（一）干擾正常受體-配體的相互作用受體（receptor）是許多組織細胞的生物大分子，與化學物即配體（ligand）相結合后形成配體–受體復合物，能產(chǎn)生一定的生物學效應。 許多環(huán)境化學物尤其是某些神經(jīng)毒物的毒性作用與其干擾正常受體–配體相互作用的能力有關。,在體內，肉毒毒素能特異性地與膽堿能神經(jīng)末梢突觸前膜的表面受體相結合，然后由吸附性胞飲而內轉進入細胞內（此過程稱為毒素的內轉

20、，internalization），因為此時囊泡不能再與突觸前膜融合，從而有效地阻抑了膽堿能神經(jīng)介質—乙酰膽堿的釋放。乙酰膽堿釋放的抑制有效地阻斷了膽堿能神經(jīng)傳導的生理功能，尤其是神經(jīng)–肌肉接頭部位特別敏感。呼吸肌麻痹是致死的主要原因。,（二）細胞膜損傷,維持細胞膜的穩(wěn)定性對機體內的生物轉運、信息傳遞及內環(huán)境穩(wěn)定是非常重要的?！?某些環(huán)境化學物可引起膜成分的改變?！?有些環(huán)境化學物可改變膜脂流動性。● 有的可影響膜上某些酶的活力。

21、● 膜通透性的改變主要也是膜蛋白的改變。,細胞膜通透性的改變,心臟毒素: 穿插到細胞膜上, 改變細胞膜間的通透性,利用三個指環(huán)與細胞膜作用。,,心臟毒素,(摘自:atp.life.nctu.edu.tw/ ~snake/protein/cxn_mem.html ),（三）干擾細胞內鈣穩(wěn)態(tài),正常情況下細胞內的鈣濃度較低（10-7~10-8 mol/L）, 細胞外濃度較高（10-3mol/L）, 內外濃 度相差103

22、?104倍。鈣作為細胞的第二信使,在調 節(jié)細胞內功能方面起著關鍵性作用。 環(huán)境化學物可以通過干擾細胞內鈣穩(wěn)態(tài)引起 細胞損傷和死亡。,各種細胞毒物如硝基酚、醌、過氧化物、醛類、二惡英、鹵化鏈烷、鏈烯和Cd2+、Pb2+、Hg2+等重金屬離子均能干擾細胞內鈣穩(wěn)態(tài), 從而引起細胞損傷或死亡。,（四）干擾細胞能量的產(chǎn)生,機體內的能量來源于糖類和脂肪類的生物氧化，所產(chǎn)生的能量以形成三磷酸腺苷 （ATP）的形式貯存起來

23、，為各種生命活動提供能量，這種氧化磷酸化過程又稱細胞呼吸鏈。 有些環(huán)境化學物可干擾糖類氧化，使細胞不能產(chǎn)生ATP。,細胞缺乏ATP可導致功能喪失或者死亡。,（五）自由基與脂質過氧化,自由基（free radical）是指具有奇數(shù)電子的分子，或者化合物的共價鍵發(fā)生均裂而產(chǎn)生具有奇數(shù)電子的產(chǎn)物。 有些環(huán)境化學物本身具有自由基性質，如NO2；有的環(huán)境化學物化學性質活潑，與多不飽和脂肪酸作用后可形成自由基，如O3、

24、單線態(tài)氧（?O2）；有的化合物可經(jīng)代謝形成自由基，自由基可引起脂質過氧化作用，還可攻擊核酸。,多不飽和脂肪酸鏈的過氧化作用,自由基對細胞膜的損傷,（六）與生物大分子結合,環(huán)境化學物與生物大分子結合可分非共價結合和共價結合。 共價結合可改變核酸、蛋白質和酶及脂質等生物大分子結構與功能，引起一系列生物學改變。,（七）選擇性細胞致死,有些外源化學物對某種組織器官的細胞有選擇性致死毒性。,（八）非致死性遺傳改變,某些環(huán)境化學物可干擾

25、DNA復制和修復，引起DNA損傷和染色體異常，這些毒性作用雖然不一定引起細胞死亡，但對體細胞可誘發(fā)細胞突變和癌變，對生殖細胞可遺傳于下代，有的還可產(chǎn)生遺傳性疾病，甚至畸胎。,摘自(人民網(wǎng)聯(lián)報網(wǎng)),返回本章目錄,第二節(jié) 影響毒性作用的因素,一、環(huán)境化學物的結構與性質二、機體（宿主）狀況三、接觸條件四、環(huán)境因素,返回本章目錄,一、環(huán)境化學物的結構與性質,（一）結構與毒性 研究外源化學物的結構與毒性之間的關系，有助于通過比

26、較來預測新化合物的生物活性、作用機理和安全限量范圍。如同系物的碳原子數(shù)、烴基 、分子飽和度、鹵素取代、羥基、酸基和酯基、胺基、構型及有機磷化合物結構與毒性。,（二）物理性質與毒性,環(huán)境化學物的物理性質如分子量、熔點、折射率等對其毒性均有影響，其中主要有以下幾點: 1.脂∕水分配系數(shù) 即化合物在脂（油）相和水相的溶解達到平衡時的平衡常數(shù)，稱為脂（油）∕水分配系數(shù)。 2.電離度 3.揮發(fā)度和蒸汽壓

27、 4.分散度 5.純度,①毒物在水中的溶解度直接影響毒性的大小，水中溶解度越大，毒性愈大。如As2S3溶解度較As2O3小3萬倍，其毒性亦小。,②影響毒性作用部位：如刺激性氣體中在水中易溶解的氟化氫(HF)、氨等主要作用于上呼吸道，而不易溶解的二氧化氮(NO2)則可深入至肺泡，引起肺水腫。,③脂溶性物質易在脂肪蓄積，易侵犯神經(jīng)系統(tǒng)。,,2.電離度,電離度愈低。非離子型比例越高，越易被吸收而發(fā)揮毒效應反之，離子型比例越高，較難

28、吸收而易隨尿液排出,3、揮發(fā)度和蒸汽壓,有些有機溶劑的LD50值相似，即其絕對毒性相當，但由于其各自的揮發(fā)度不同，所以實際毒性可以相差較大。如苯與苯乙烯的LC50值均為45mg／L，即其絕對毒性相同。但苯很易揮發(fā)，而苯乙烯的揮發(fā)度僅及苯的1／11，所以苯乙烯形成空氣中高濃度就較困難，實際上比苯的危害性為低。在慢性毒性試驗時，用喂飼法染毒應注意毒物的揮發(fā)性，毒物加入飼料中可因揮發(fā)而減低劑量。,4、分散度,粉塵、煙、霧等狀態(tài)物質，其毒性與分

29、散度有關。顆粒越小分散度越大，比表面積越大，生物活性也越強。分散度還與顆粒在呼吸道的阻留有關。 大于10μm顆粒在上呼吸道被阻， 5μm以下的顆?？蛇_呼吸道深部， 小于0.5μm的顆粒易經(jīng)呼吸道再排出， 小于0.1μm的顆粒因彌散作用易沉積于肺泡壁。 毒物顆粒的大小可影響其進入呼吸道的深度和溶解度，從而可影響毒性。,,5、純度,在生產(chǎn)環(huán)境中生產(chǎn)或使用的化學物

30、質常含有一定數(shù)量的不純物，其中有些不純物的毒性比原來化合物的毒性高，對此若不加注意，可影響對一些化合物毒性的正確評定。,例: 除草劑2,4,5-三氯苯氧乙酸(2,4,5-T)，在早期對此化合物進行研究時，由于樣本中夾雜有相當量的四氯二苯-對位-二惡烷(TCDD)(30mg/Kg)，此種雜質毒性非常大，急性經(jīng)口LD50(雌大鼠)僅為2,4,5-T的雌大鼠經(jīng)口LD50的400萬分之一。因此，即使2,4,5-T中雜質含量很低(低于0.5mg/

31、kg)，仍影響其毒性。2,4,5-T的胚胎毒性是由于雜質所引起，而不是2,4,5-T本身所致。,,,,二、機體（宿主）狀況,(一)種屬和個體差異,,,,,(二)性別與激素,(三)年齡,(四)營養(yǎng)與健康,(五)生物節(jié)律,機體對環(huán)境化學物的感受性和耐受性，與其種屬、年齡、性別、營養(yǎng)和健康狀況等有關。,,,(一)種屬和個體差異,,,,,,(二)性別與激素,(三)年齡,(四)營養(yǎng)與健康,(五)生物節(jié)律,不同種屬的動物和同種動物中的不同個體之間對

32、同一毒物的感受性有差異，其原因主要是由于毒物在體內的代謝差異（如代謝酶）所致。,物種間遺傳學差異：,解剖、生理的差異： 不同物種、種屬、品系的動物的解剖、生理、遺傳學和代謝過程均有差異。例如，肝臟分葉，狗為7葉，兔5葉，大鼠6葉，小鼠4葉，且大鼠無膽囊；大鼠和小鼠全年可發(fā)情，狗只有在春秋兩季兩次發(fā)情；體細胞染色體的數(shù)目狗為78條，兔44條，大鼠42條，小鼠40條，人46條。各種動物的脈率隨體重增加而降低。此外，以人心臟每分鐘輸

33、出量占總血量的比值為1，則小鼠為20，所以化學物從血漿中清除的半衰期小鼠較人短，相同劑量的化學物對人體的作用時間比小鼠長。這可以部分解釋人比小鼠對毒物更敏感。,代謝的差異： 包括量和質的差異，是影響化學物毒性的主要因素。 量的差異意味著占優(yōu)勢的代謝途徑不同，可導致毒性反應的不同。如小鼠每克肝臟的細胞色素氧化酶活性為141活性單位，大鼠為84，兔為22。苯胺在豬、狗體內轉化為毒性較強的鄰氨基苯酚，而在兔體內則

34、生成毒性較低的對氨基苯酚；β－萘胺在人體內經(jīng)N－羥化可誘發(fā)膀胱癌，而豚鼠肝臟內不能將其N-羥化，因而不誘發(fā)腫瘤。 代謝酶還存在質的差異。如貓，缺乏催化酚葡萄糖醛酸結合的同功酶，因而貓對苯酚的毒性反應比其他能通過葡萄糖醛酸結合解毒的動物敏感。,物種間遺傳學差異：,,(一)種屬和個體差異,,,,,,(二)性別與激素,(三)年齡,(四)營養(yǎng)與健康,(五)生物節(jié)律,性別對化學物毒性的影響主要見于成年動物。一般來說雌、雄兩

35、性動物對毒物的感受性相似。但是對一部分類型的化合物則出現(xiàn)性別差異，特別是大鼠。,,(一)種屬和個體差異,,,,,,(二)性別與激素,(三)年齡,(四)營養(yǎng)與健康,(五)生物節(jié)律,新生和幼年動物通常對毒物較成年動物敏感，約敏感1.5～10倍。動物發(fā)育的不同階段，某些組織器官和酶系等的發(fā)育并不相同。新生動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）發(fā)育還不完全，故對CNS的興奮劑敏感性較差，而對抑制劑則較敏感。,,(一)種屬和個體差異,,,,,,(二)性別與激

36、素,(三)年齡,(四)營養(yǎng)與健康,(五)生物節(jié)律,營養(yǎng)不足或失調將影響化學物的毒性作用。蛋白質缺乏將引起酶蛋白合成減少及酶活性降低，使毒物代謝減慢，機體對多數(shù)毒物的解毒能力降低，毒物毒性增加。,,(一)種屬和個體差異,,,,,,(二)性別與激素,(三)年齡,(四)營養(yǎng)與健康,(五)生物節(jié)律,生物節(jié)律即生物鐘是生命進化過程中長期歷史形成的基本特征，故化學物的毒性與其進入機體發(fā)揮作用的時間有關。,季節(jié)或晝夜節(jié)律,,（二）溶劑,（一）接觸途徑

37、,（三）毒物濃度與容積,（四）交叉接觸,三、接觸條件,,（一）接觸途徑,接觸化學物的途徑不同，則吸收、分布、首先到達的組織器官不同，對其代謝轉化、毒性反應的性質和程度也有影響。各種接觸途徑中以靜脈注射吸收最快，其它途徑的吸收速度一般依次為：呼吸道>腹腔注射>肌內注射>經(jīng)口>經(jīng)皮。吸入接觸與靜脈注射的吸收速率相近。,染毒時往往要將毒物用溶劑溶解或稀釋，有時還要用助溶劑。有的溶劑和助溶劑可改變化合物的理化性質和生物活

38、性。因此，選用的溶劑和助溶劑應是無毒的、與受試毒物無反應、且制成的溶液應穩(wěn)定。,（二）溶劑,,一般在同等劑量情況下，濃溶液較稀溶液毒作用強。,（三）毒物濃度與容積,毒物經(jīng)呼吸道接觸時，應保護皮膚，防止氣態(tài)毒物經(jīng)皮膚吸收。對易揮發(fā)化合物經(jīng)皮涂布接觸時，應將涂布處密封起來，以防其蒸氣經(jīng)呼吸道吸收或動物舔食涂布部位引起經(jīng)消化道吸收。,（四）交叉接觸,四、環(huán)境因素,許多環(huán)境因素可影響環(huán)境化學物的毒性作用，如氣溫、氣壓、晝夜或季節(jié)節(jié)律及其它物理因

39、素（如噪聲）、化學因素（聯(lián)合作用）等。,返回總目錄,返回本章目錄,1、氣溫,58種化合物在不同環(huán)境溫度(8℃、26℃和36℃)下對于大鼠LD50的影響:55種化合物在36℃高溫環(huán)境下毒性最大， 26℃環(huán)境下毒性最?。灰鸫x增高的毒物如五氯酚，2,4-二硝基酚在8℃毒性最低; 引起體溫下降的毒物如氯丙嗪在8℃時毒性最高。,高氣濕可造成冬季易散熱，夏季不易散熱，增加機體體溫調節(jié)的負荷。高氣濕伴高溫可因汗液蒸發(fā)減少，使皮膚角質層的水合作用