生態(tài)毒理學(xué).ppt

毒性動(dòng)力學(xué),跨膜擴(kuò)散遵從Fick定律 D = (C0/Ci)SA/MW1/2d 其中，D：擴(kuò)散速率；C0/Ci：濃度梯度；MW：化學(xué)物分子量；S：膜中溶解度；A：膜表面積；d：膜的厚度。 分室模型 分室是一個(gè)完全抽象化概念，是根據(jù)化學(xué)物在體內(nèi)過程和速率的差異，將機(jī)體分為若干個(gè)假設(shè)的“空間”即“分室”(compartment)。 在同一分室內(nèi)化學(xué)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化是均一的。 因分室完全按速率觀點(diǎn)劃分，不具備解剖學(xué)的實(shí)體意義，一個(gè)房室可包括一個(gè)或多個(gè)組織器官。 (1) 單室模型 簡單地將機(jī)體視作由一個(gè)隔室組成。,有毒物進(jìn)入機(jī)體后能隨血液迅速分布至所有組織，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，盡管體內(nèi)各組織中的濃度可能不同，但血漿中濃度變化可反映全身組織中毒物濃度變化。 毒物在體內(nèi)分布的動(dòng)力學(xué)符合一室開放模型，毒物按一級(jí)動(dòng)力學(xué)從體內(nèi)消除。 (2) 兩室模型 有毒物進(jìn)入機(jī)體后，在各組織或器官中達(dá)到同一濃度水平(以血液循環(huán)為例，即血漿中濃度)所需時(shí)間不同，動(dòng)力學(xué)特征也不一樣，因此，不能用單室模型描述(基于所有器官組織迅速達(dá)到同一濃度水平)。為此，提出兩個(gè)不同的隔室分別加以描述。 該模型也是相當(dāng)簡化的，僅僅區(qū)分中央室和周邊室，前者達(dá)到平衡的時(shí)間短，后者則相對(duì)較慢。,(3) 多室模型 類似于兩室模型，只不過增加更多的分隔室。 通常將快速達(dá)到平衡的隔室稱為中央室(或I室)，而將平衡較慢地隔室稱為周邊室(II、III室)。 對(duì)照 (control) 為保證檢測體系的有效性和可靠性，對(duì)受試化學(xué)物的檢驗(yàn)應(yīng)選擇平行對(duì)照。分為陰性和陽性對(duì)照。 陰性對(duì)照指除受試化學(xué)物之外，其它條件與實(shí)驗(yàn)組完全一致，并確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是可靠的。 陽性對(duì)照指用已知能引發(fā)有顯著意義生物學(xué)效應(yīng)的化學(xué)物作為對(duì)照，用于確定受試系統(tǒng)是有反應(yīng)的。,幾個(gè)主要參數(shù),分布容積(distribution volume) 對(duì)于單室模型 Vd = Dose/C0 C0是在時(shí)間為零時(shí)外推得到的毒物濃度 對(duì)于兩室模型 Vd = Dose/(AUC) 從時(shí)間0至?xí)r間，曲線下面積(area under the curve, AUC)表達(dá)式： AUC = A/ + B/ AUC表示化學(xué)物吸收的程度，用于計(jì)算生物利用度的必要參數(shù)。,載體控制轉(zhuǎn)運(yùn) 不需能量的易化擴(kuò)散和需要能量支持的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，表明有毒物是與膜中有限數(shù)目的載體蛋白進(jìn)行可逆結(jié)合。 飽和膜轉(zhuǎn)運(yùn)載體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)可以由類似酶基質(zhì)動(dòng)力學(xué)解釋。 消除速率常數(shù) 毒物從體內(nèi)某一分室的消除經(jīng)常按一級(jí)動(dòng)力學(xué)方式進(jìn)行，消除速率與毒物量的比例常數(shù)稱為消除速率常數(shù)。 半減期 (biological half life, BHL) 某一毒物在體內(nèi)減少至最初攝入量一半時(shí)所需的時(shí)間。消除速率常數(shù)和半減期是常用的兩種衡量尺度。,表現(xiàn)分布容積Vd 是染毒劑量或體內(nèi)毒物總量與血液中毒物濃度間相互關(guān)系的一個(gè)比例常數(shù)。 它是假設(shè)毒物在體內(nèi)完全均勻分布，體內(nèi)全部毒物按血液中毒物濃度溶解時(shí)所需的體液總體積。 在某一毒物對(duì)血漿和機(jī)體所有組織的親和力相同(即濃度相同)時(shí)，使毒物達(dá)到血漿濃度所需的容積。 體內(nèi)毒物總量A理論上應(yīng)占有的體液容積Vd = A/血漿游離毒物濃度C 代表進(jìn)入體內(nèi)有毒物劑量或體內(nèi)有毒物的量與血漿毒物濃度之間相互關(guān)系的比例。 表現(xiàn)分布容積并非機(jī)體真正的容積數(shù)值，而是一種比例因素。表現(xiàn)分布容積較高，說明該毒物是隔離于某一特殊組織內(nèi)或定位于脂肪中。,表現(xiàn)分布體積數(shù)值依賴于毒物的理化性質(zhì)及其與組織細(xì)胞的親和力： 一般水溶性或極性大的毒物，不易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)或脂肪組織中，血液中毒物濃度較高，表觀分布容積較??； 而親脂性化合物，通常在血液中濃度較低，表觀分布容積較大，往往超過體液總量。 表觀分布容積能粗略地反映出毒物在組織器官中的分布情況，是一種毒物特征參數(shù)。 消除率 單位時(shí)間內(nèi)，毒物的消除量(消除速率)與當(dāng)時(shí)毒物濃度之比。 也可視為單位時(shí)間內(nèi)從模型中消除毒物的體積。,單室模型,體內(nèi)濃度 CB,外介濃度 CM,速率常數(shù) k2,速率常數(shù) k1,單個(gè)生物體對(duì)化學(xué)物積聚的 動(dòng)力學(xué)模型質(zhì)量平衡方程式： dCB/dt = k1CMk2CB,毒物濃度,毒物吸收速率,一級(jí)動(dòng)力學(xué),零級(jí)和一級(jí) 混和動(dòng)力學(xué),零級(jí)動(dòng)力學(xué),時(shí)間,LogCP,C0,斜率 = k2t/2.303,t1/2 = 0.693/k2,兩室模型,組織 T,血漿 P,k12,k21,廢棄 W (waste, excretion),代謝 M (metabolism),ke,km,dCP/dt = k21CTk12CP(ke+km)CP CP = Aet + Bet A, B, 和是k12, k21和(ke+km)的復(fù)合常數(shù),分布與排除,時(shí)間,LnC,LnB,LnA,LnC0,分布,排除,1,2,k12,k21,k10,LnC,時(shí)間,2,1,k21 = (A+B)/(A+B) k12 = +k21(kekm) ke+km = /k21,一室至三室開放模型,一室模型,周邊室 II,中央室 I,Ka,Ke,I,Ka,Ka,K12,K21,Ke,II,III,K21,K12,K13,K31,Ke,(1) 有毒物進(jìn)入機(jī)體后，在各組織或器官中達(dá)到同 一濃度水平(以血液循環(huán)中血漿濃度為例)所需時(shí)間 不同，動(dòng)力學(xué)特征不同，因此，不能用單室模型 描述(基于所有器官組織迅速達(dá)到同一濃度水平)， 提出不同的隔室分別加以描述。 (2) 兩室模型也是相當(dāng)簡化的，僅僅區(qū)分中央室和 周邊室，前者達(dá)到平衡的時(shí)間短，后者相對(duì)較慢。,吸收過程中機(jī)體不同分室內(nèi)單一毒物劑量的相對(duì)變化,毒性劑量比例,時(shí)間,P,T,M+W,P：血漿分室 T：組織分室 M+W：代謝和廢物分室之和 速率常數(shù)的變化對(duì)曲線形狀影響明顯,零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),零級(jí)動(dòng)力學(xué)特征 (1) 當(dāng)某些毒物劑量過大或機(jī)體消除能力有限，體內(nèi)毒物將以最大消除速率衰減，即恒量衰減。 時(shí)量曲線用普通坐標(biāo)顯示為直線，斜率為Vmax； (2) 毒物血漿濃度半減衰期不是恒定值，而隨毒物血漿濃度高低變化。 當(dāng)血漿濃度降低至最大消除能力以下時(shí)，轉(zhuǎn)為一級(jí)動(dòng)力學(xué)； (3) 在多次給毒時(shí)增加劑量，可超比例升高毒物的穩(wěn)定濃度和延長消除時(shí)間。 當(dāng)毒物劑量超過一定水平，毒物消除能力飽和，毒物在體內(nèi)的負(fù)荷急劇增加，將導(dǎo)致毒效應(yīng)急劇加強(qiáng)。,一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征 (1) 進(jìn)入體內(nèi)毒物量較少，機(jī)體代謝或排泄能力未被飽和，體內(nèi)毒物按恒比衰減，時(shí)量曲線用普通坐標(biāo)時(shí)，為曲線。 縱坐標(biāo)改為對(duì)數(shù)時(shí)為直線，斜率為K/2.303； (2) 毒物半減期恒定，不因血漿濃度高低而變化，也不受給毒途徑影響。 一次給毒物大約經(jīng)過5個(gè)半減期，體內(nèi)毒物量排泄96%以上。 每個(gè)半減期給毒一次，則經(jīng)過5個(gè)半減期，血漿濃度基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)濃度； (3) 多次給毒時(shí)，增加劑量能相應(yīng)增加血液濃度，并使時(shí)量曲線從下面按比例增加，但不能縮短達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，并不能按比例延長毒物消除完畢的時(shí)間。,多次給毒時(shí)： 血漿濃度提高一倍，毒作用維持時(shí)間延長一個(gè)半減期；血漿濃度增加四倍，毒作用維持時(shí)間延長兩個(gè)半減期。,酶基質(zhì)動(dòng)力學(xué),參數(shù)說明 載體蛋白摩爾濃度，P0； 未被占據(jù)的載體摩爾濃度，P； 游離化學(xué)物基質(zhì)摩爾濃度，S； 基質(zhì)載體絡(luò)合物摩爾濃度，PS。 基質(zhì)化學(xué)物作用的解離常數(shù)Km(Michaelis常數(shù)) Km = (P)(S)/(PS) = (P0PS)(S)/(PS) PS = (P0)(S)/(Km+(S) PS生成的速率常數(shù)v，v = k(PS) v = k(P0)(S)/(Km+(S) 當(dāng)載體達(dá)到飽和，v = k(P0)，達(dá)到最大值vmax，此時(shí) v = vmax(S)/(Km+(S) vmax，S，v均為實(shí)驗(yàn)測定。,Km當(dāng)載體被半飽和時(shí)載體濃度(最大反應(yīng)/轉(zhuǎn)運(yùn)速率一半時(shí)載體的濃度)。 Km反映外源化學(xué)物對(duì)酶的親和力大小，若一種酶有幾個(gè)載體，則對(duì)每一載體各有一個(gè)特定的Km值。 通過圖解法推導(dǎo) Km數(shù)值提供了載體對(duì)化學(xué)物(基質(zhì))親和力的一種量度，較小的Km值指示較高的載體基質(zhì)親合度。,Michaelis-Menten圖解飽和載體控制轉(zhuǎn)運(yùn),(a),(b),(c),S,(PS),P0 for (a) & (b),P0 for (c),1/2P0 for (a) & (b),1/2P0 for (c),Km for (a) & (c),Km for (b),P0：指對(duì)三個(gè)不同的系統(tǒng)a、b、c，載體蛋白上活性結(jié)合點(diǎn)位總數(shù)(承載容量)；其中： (1) a和b具有相同的承載容量； (2) a和c具有相同的基質(zhì)親和力，由描述基質(zhì)的Michaelis常數(shù)Km確定。 S：載體濃度； PS：載體基質(zhì)絡(luò)合物。,其它描述載體/底物與酶結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程,Hill方程 V/Vmax = Sn / (K + Sn) 其中，V表示底物濃度為S時(shí)，酶促反應(yīng)的初始速率，Vmax是表觀最大反應(yīng)速率，K是常數(shù)，n為每分子酶結(jié)合底物的數(shù)目。 Hill圖形 將上述公式兩側(cè)取對(duì)數(shù)進(jìn)行線性化， 以logV/(VmaxV)對(duì)logS作圖，斜率為n，截距為logK的直線。,有毒物抑制載體控制轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)源基質(zhì)的方式,競爭方式 競爭方式導(dǎo)致Km相對(duì)于正?；|(zhì)發(fā)生數(shù)值變化，引發(fā)曲線從曲線a向b逆轉(zhuǎn)，而載體總數(shù)未變。 此時(shí)，較高的Km數(shù)值反映降低的基質(zhì)親和力。 非競爭方式 另一方面，非競爭抑制方式由可用載體總數(shù)的降低表征。 盡管Km未受影響(如曲線c情形)，但這種降低導(dǎo)致飽和曲線的上部漸近線的數(shù)值降低(即最大通量速率較低)。,Scatchard圖示載體基質(zhì)動(dòng)力學(xué),P0/Km,P0,PS,PS/S,線性關(guān)系,排除過程的動(dòng)力學(xué)模型,排除過程的分室模型(compartment)可分為： 基于速率常數(shù)(rate)的模型 進(jìn)一步分為：一室、兩室和其它多重分室模型。 基于清除體積(clearance volume)的模式 用于建立更為復(fù)雜的參數(shù)模型，例如基于生理藥物動(dòng)力學(xué)模型(physiologicallybased pharmacokinetics, PBPK)。 逸度模式(fugacity model) 逸度f = 濃度C/逸度容量Z 有關(guān)專著： Mackay D. 1991, Multimedia Environmental Models: The Fugacity Approach Lewis Publisher, Chelsea, MI, 257p.,毒物進(jìn)入生物體攝入、吸收和蓄積的可能曲線,生物半衰期,毒物質(zhì)量單位,A：攝入量曲線,B：吸收量曲線,C：體內(nèi)蓄積曲線,致毒引起的病變,致毒效應(yīng)分類 致毒效應(yīng)包括毒物分子與某些作用器官的特異部位即受體之間相互作用，產(chǎn)生一系列反應(yīng)結(jié)果 (1) 機(jī)體受污染毒害后對(duì)健康損害； (2) 通過母體致胎兒先天性異?；?、功能不全等； (3) 作用于遺傳物質(zhì)的損害遺傳病。 對(duì)機(jī)體的直接毒害作用稱近期毒效應(yīng) 對(duì)胚胎和基因損害稱為遠(yuǎn)期毒效應(yīng) 致毒引起的病變： 組織細(xì)胞的病變 (1) 實(shí)質(zhì)細(xì)胞變性 顆粒性變性、水樣性變性、脂肪變性、玻璃樣變性等；,(2) 實(shí)質(zhì)細(xì)胞壞死 如壞死病理變化、壞死組織的表現(xiàn)、壞死組織的后果(吸收和修復(fù)，纖維化，潰瘍)； (3) 萎縮 (4) 間質(zhì)(結(jié)締組織)病變 如變性和硬化； 血液循環(huán)的障礙 (1) 充血：器官或組織內(nèi)血管擴(kuò)張，血量過多； (2) 缺血； (3) 出血：血管壁完整性被破壞，凝血?jiǎng)幽苁苷系K； (4) 血栓形成；聚集和凝固過程； (5) 栓塞：異物造成血管堵塞現(xiàn)象；,致毒引起的病變,(6) 梗死：血流受阻斷，側(cè)枝循環(huán)不能很快恢復(fù)，引起局部組織壞死。 炎癥 原因有兩類： (1) 感染或傳染性炎癥； (2) 由于機(jī)械損傷、等理化因子引起的炎癥，又分為急性、慢性和亞急性。 腫瘤 實(shí)質(zhì)部份由腫瘤細(xì)胞組成，間質(zhì)部份由結(jié)締組織和血管組成。,致毒效應(yīng)的機(jī)制,在分子水平、細(xì)胞水平、器官水平以及整體水平上出現(xiàn)多種響應(yīng)： 對(duì)細(xì)胞的損傷 (1) 直接作用； (2) 細(xì)胞膜通透性變化 維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性對(duì)機(jī)體內(nèi)生物轉(zhuǎn)運(yùn)、信息傳遞和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定非常重要。環(huán)境毒物可改變細(xì)胞膜成份、膜脂流動(dòng)性，影響膜通透性和鑲嵌蛋白活性； (3) 細(xì)胞內(nèi)消化； (4) 選擇性細(xì)胞死亡； (5) 對(duì)一般功能的影響 麻醉作用、干擾神經(jīng)傳導(dǎo)、對(duì)DNA、RNA、蛋白質(zhì)合成的干擾和抑制細(xì)胞生長、阻止氧的吸收、運(yùn)輸和利用、物理性積聚作用；,(6) 干擾細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)定性 鈣作為細(xì)胞的第二信使，在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)功能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。環(huán)境毒物可通過干擾細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)引起細(xì)胞損傷和死亡； (7) 干擾細(xì)胞能量的產(chǎn)生 機(jī)體內(nèi)的能量來自糖類和脂肪類的生物氧化，產(chǎn)生的能量以三磷酸腺苷ATP形式存儲(chǔ)，這種氧化磷酸化過程稱為細(xì)胞呼吸鏈。環(huán)境毒物可干擾糖類氧化，造成細(xì)胞不產(chǎn)生ATP。 對(duì)受體的作用 受體按功能分為神經(jīng)介質(zhì)、激素受體和藥物受體 涉及的機(jī)制 (1) 腺苷酸(或鳥苷酸)環(huán)化酶； (2) 鈣離子通道；,致毒效應(yīng)的機(jī)制,(3) 配位體與基于生物膜上的受體相互作用； (4) 附設(shè)的受體部位供競爭性拮抗劑占領(lǐng)； (5) 有活性和非活性兩種形式的處于動(dòng)態(tài)平衡的受體。 對(duì)酶作用的影響 (1) 與酶蛋白的金屬離子或活性中心功能團(tuán)作用； (2) 與輔酶作用； (3) 與酶激活劑作用； (4) 非競爭性抑制； (5) 競爭性抑制； (6) 體液中酶活性增高。 自由基與脂質(zhì)過氧化 自由基具有奇數(shù)電子的分子，因化合物共價(jià)鍵發(fā)生均裂產(chǎn)生。具有順磁性、化學(xué)反應(yīng)性高，半衰期短。,形成自由基的四種情況： (1) 外源性化學(xué)物本身即為自由基； (2) 外源性化學(xué)物不需要酶參與而轉(zhuǎn)化為自由基； (3) 外源性化學(xué)物經(jīng)酶催化轉(zhuǎn)化為自由基； (4) 外源性化學(xué)物也能形成自由基。 自由基在生物體內(nèi)的作用方式： (a) 對(duì)生物大分子影響：攻擊多不飽和脂肪酸，攻擊蛋白質(zhì)和酶，攻擊核酸； (b) 對(duì)生物膜的影響：包括對(duì)微粒體的影響，對(duì)線粒體的影響，對(duì)溶酶體的影響； (c) 影響脂質(zhì)過氧化和各種因素：肝微粒體混合功能氧化酶系統(tǒng)的活性程度，機(jī)體的抗氧化水平，機(jī)體抗氧化酶系統(tǒng)活性。,致毒效應(yīng)的機(jī)制,結(jié)合作用 (1) 非共價(jià)鍵結(jié)合 效應(yīng)包括： 改變酶活性； 干擾內(nèi)源性物質(zhì)與血紅蛋白的結(jié)合； 嵌入DNA分子； 對(duì)細(xì)胞直接作用； (2) 共價(jià)鍵結(jié)合 對(duì)免疫功能的干擾 (1) 使免疫功能受到抑制或產(chǎn)生免疫缺損； (2) 改變宿主體系的防御機(jī)制，降低抵抗力； (3) 產(chǎn)生變態(tài)反應(yīng)；,按過敏反應(yīng)出現(xiàn)的快慢、抗體是否存在分為四型： 速發(fā)型或過敏型； 溶細(xì)胞型； 免疫復(fù)合物型； 遲發(fā)型。 非致死性遺傳改變 干擾DNA復(fù)制和修復(fù)； 引起DNA損傷和染色體異常； 對(duì)體細(xì)胞可誘發(fā)細(xì)胞突變和癌變； 對(duì)生殖細(xì)胞可遺傳下代，產(chǎn)生遺傳性疾病和畸胎。 從分子機(jī)理分析毒性作用，分為： (1) 毒物與靶分子的不可逆作用而引起毒作用；,包括： 與生物大分子的共價(jià)結(jié)合， 脂質(zhì)過氧化作用， 致死性合成以及致死性滲入。 酶的不可逆性抑制涉及體內(nèi)攜帶/轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的化學(xué)性損傷，引起過敏性變態(tài)反應(yīng)物質(zhì)的毒作用； 其它，如局部刺激作用； (2) 毒物與靶分子的可逆作用而引起的毒作用； (3) 毒物物理蓄積引起的毒作用。,外源母體化學(xué)物和/或其化學(xué)反應(yīng)代謝物所誘發(fā)的毒性可能機(jī)制,去毒作用,外源母體化學(xué)物,反應(yīng)代謝產(chǎn)物,代謝活 化作用,共價(jià)結(jié)合,氧化,自由基形成,惰性代謝物,蛋白質(zhì)包括酶,核酸，RNA DNA,脂類,小分子物質(zhì),(ATP UDPG等),脂類或DNA 自由基,超氧化、氫過氧化 或羥氫氧自由基,潛在生態(tài)效應(yīng),+,生態(tài)毒理學(xué)研究方法,一般方法步驟： 從復(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)某些環(huán)境要素，研究在此環(huán)境要素條件下污染物的行為(即模擬分析)； 利用自然生態(tài)系研究污染物的變化； 詳細(xì)分析環(huán)境中的樣品，確定污染物定量方法。,毒性的影響因素,生物因素 (1) 生物分類組別 (taxonomic group) 種屬和個(gè)體差異 不同種屬生物或同一種屬不同個(gè)體之間對(duì)同一毒物的反應(yīng)差異，原因復(fù)雜。 但主體原因是毒物在體內(nèi)代謝差異(包括代謝酶)所致。 所以在進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇條件一致的生物以減少個(gè)體差異造成的影響。 (2) 年齡階段/機(jī)體大小 反應(yīng)靈敏度差異 新生和幼年生物通常對(duì)毒物較成年生物敏感。新生生物中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不完全，對(duì)有關(guān)的興奮劑敏感性差，而對(duì)抑制劑則較為靈敏。,新生生物的膜通透性較強(qiáng)，對(duì)某些脂溶性神經(jīng)毒物的毒性反應(yīng)較大。 經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化后毒性增強(qiáng)的化學(xué)物，對(duì)新生和幼年生物毒性較成年低，反之，在體內(nèi)可迅速代謝失活的化學(xué)物，對(duì)新生和幼年生物毒性可能較大。 (3) 營養(yǎng)與健康 營養(yǎng)不足或失調(diào)影響化學(xué)物毒性作用。 如蛋白質(zhì)缺乏引起酶蛋白合成減少、活性降