卫生部规划教材第四版《毒理学基础》 第五章 外源化学物毒性作用影响因素
第五章 外源化学物毒性作用的影响因素（胡渝华）
化学物对不同的物种、品系、个体，在不同的条件下，在不同的环境中所诱导的毒性是有差异的。认识外源化学物毒性作用的影响因素对外源化学物的安全性评价、毒理学研究的设计及其资料的评估都是十分重要的。
外源化学物或其代谢产物必须以具有生物学活性的形式到达靶器官、靶细胞，达到有效的剂量、浓度，持续足够的时间，并与靶分子相互作用，或改变其微环境，才能够造成毒性作用。任何影响这一过程的因素都会影响化学物的毒性作用，可归纳为四个方面的因素：①化学物因素；②机体因素；③化学物与机体所处的环境条件。④化学物的联合作用。
第一节 化学物因素
化学物的化学结构决定其理化性质和生物学活性，影响吸收、分布和排泄。而其剂型、不纯物含量、稳定性等因素也会影响其生物学活性。
一、化学结构
化学物的化学结构决定了将会发生的代谢转化类型，可能参与和干扰的生化过程，从而决定它的毒性作用的性质和大小。研究化学物的化学结构与其毒性作用之间的关系，找出其规律，有助于通过比较预测，开发高效低毒的新化学物；从分子水平上推测新化学物的毒作用机理；预测新化学物的毒性效应和安全接触限量。
（一）取代基的影响
苯具有麻醉作用和抑制造血机能的作用，当苯环中的氢被甲基取代后（成为甲苯或二甲苯）抑制造血机能的作用不明显但麻醉作用大于苯；被氨基取代后，有形成高铁血红蛋白的作用；而被硝基（硝基苯）或卤素取代（卤代苯）后，具有肝毒性。烷烃类的氢若被卤素取代，其毒性增强，对肝的毒作用增加，且取代愈多，毒性愈大，如CCl4＞CHCl3＞CH2Cl2＞CH3Cl。
（二）异构体和立体构型
异构体的生物活性有差异，典型的例子是六六六，有七种同分异构体。常用的有α、β、γ和δ等：γ、δ-六六六急性毒性强；β-六六六慢性毒性大；α、γ-六六六对中枢神经系统有很强的兴奋作用；β、δ-六六六则对中枢神经系统有抑制作用。带两个基团的苯环化合物的毒性是：对位＞邻位＞间位，分子对称的＞不对称的。三邻甲苯磷酸酯（TOCP）可导致迟发性神经毒性，但当邻位的甲基转到对位，则失去了其迟发性神经毒性。反应停的S(-)镜像物比R(+)镜像物有更强的胚胎毒性。
这是因为，某些酶和受体有立体构型的特异性，从而生物转运和生物转化的各个阶段都可能受到影响，如：L-二羧基苯丙胺酸比D-同分异构物更容易从胃肠管吸收；布洛芬(+)和(-)镜像物与血浆蛋白质的结合率之比是l.5；心得安的S镜像物选择性地储藏在某些组织如心脏的肾上腺素能神经末梢中；化学物的(+)与(-)镜像物在肾脏和胆汁中的排泄也是不同的。
酶通常以高度立体和对映体选择性方式与其底物交互作用，对对映体区别对待，不同的同分异构物代谢的比率可能不同。已有关于细胞增殖抑制药物，如环磷酰胺和异环磷酰胺；
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β-肾上腺素能拮抗药，如美多心安以及多种其他药物的对映体被选择性代谢的报道。而更受到关注的是前致癌物表现出立体选择性的活化作用。如：多环烃苯并[a]芘被特异的细胞色素P-450同工酶CYP1A1立体选择性地代谢为(+)-7R，8S环氧化物，再被环氧化物水解酶代谢为(-)-7R，8R二氢二醇，进而被代谢为(+)-苯并[a]芘7R，8S二氢二醇，9S，10R环氧化物，其羟基和环氧化物是反式（反镜像物）。这一有完全结构7R，8S，9S，10R的（+）-反镜像物诱变性和致癌性最高。这种情况下立体构型比化学反应性对其致癌性更重要。
当化学物的外消旋混合物被给予动物时，要么立体选择性地代谢，形成二种或更多不同的异构产物，要么只有一种同分异构物被代谢。这有重要的毒理学意义。
（三）同系物的碳原子数和结构的影响
饱和脂肪烃甲烷和乙烷是惰性气体，仅仅在高浓度时引起单纯窒息作用；从丙烷起随着碳原子数的增多麻醉作用增强，脂溶性随着碳原子数的增多而增加，超过9个碳原子后，水溶性下降，不利于经水相转运，在机体内易滞留于最先遇到的脂肪组织而不易到达靶组织，对人体产生麻醉作用的危险反而逐步减少。ω-氟羧酸的比较毒性研究表明：其碳原子数是奇数的毒性大，偶数的毒性小。而一般碳原子数相同时直链化合物毒性大于异构体，成环化合物毒性大于不成环化合物。如直链烷烃的麻醉作用大于其同分异构体：庚烷>异庚烷，正己烷>新己烷；环烷烃的麻醉作用>开链烃：环戊烷＞戊烷。
（四）分子饱和度
碳原子数相同时，不饱和键增加其毒性增加，如乙烷的毒性<乙烯的毒性<乙炔的毒性。 （五）营养物和内源性物质类似物
主动转运特异的载体系统通常是为氨基酸、必需营养物，前体或内源性分子及其类似物服务的。某些类似物可借助这些特异的载体系统吸收。例如，尿嘧啶类似物抗癌药物5-氟尿嘧啶被嘧啶转运系统携带；铬和锰通过铁转运机制吸收；铅在肠管经由钙转运系统主动吸收。除草剂百草枯被主动吸收进入肺组织决定了它的肺毒性。
毒性与化学结构的关系看来存在普遍规律。Pullmann提出了化合物致癌性的K区学说，认为致癌多环烃化合物分子都具有一个位于4，5-苯蒽键之间的高度化学活性区，其间电子密度特别高，因而易于与大分子化合物结合，导致癌变。但后来的研究表明，K区学说与实际有不符之处。如一些较强的致癌物没有K区，而K区较多的化合物，如蔻类（coronene）化合物却无致癌性。在多环烃化合物中K区环氧化合物的致癌性亦不如7，8-二氢二醇或9，10-二氢二醇强。后来，Jernia等提出了湾区（bay region）理论，认为湾区的末端环，在代谢活化和致癌性方面起关键作用，该区正离子的稳定愈高，则致癌性愈强。多环烃3，4-苯并芘的10与1碳位湾区所形成的终致癌物9，10－二氢二醇环氧化物比之其它部位的环氧化合物，更易形成正碳离子，致癌作用亦最强。近年来，还有人提出了多环烃致癌作用双区理论，认为具有致癌活性的物质必须具有两个亲电活性区。在多环烃中，这两个亲电碳原子最优距离近于0.28nm，与DNA链内碱基对之间股间负电荷中心距离相近，因而两者易产生横向交联，使DNA出现移码突变。K区、湾区与双区理论的提出，表明对致癌性与分子结构关系的认识正日益深化。
二、理化性质
化学物的理化特性对于它进入机体的机会和在体内的代谢转化过程均有重要影响。
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（一）溶解性
化学物的脂/水分配系数大表明脂溶性高，易以简单扩散的方式通过脂质双分子层，易在脂肪组织中蓄积，易侵犯神经系统。但是，脂溶性极大的化学物不利于经水相转运。化学物的脂/水分配系数小，即水溶性高。含有离子化基团的化合物在生理学pH通常是较水溶性的，较不容易通过膜吸收，较易随尿排出体外。
化学物水溶性越大，毒性愈大。如砒霜（As2O3）在水中的溶解度是雄黄（As2S3）的3万倍，其毒性远远大于雄黄。铅化物在体液中的溶解度为：一氧化铅＞金属铅＞硫酸铅＞碳酸铅。其毒性大小亦如此。气态化学物的水溶性可影响其在呼吸道的吸收部位：氟化氢（HF）氨等易溶于水的刺激性气体主要溶解于上呼吸道表皮上覆盖的水性粘液并引起局部刺激和损害作用，而不易溶解的二氧化氮（NO2）则可深入到肺泡，引起肺水肿。到达肺泡的气态物质的血/气分配系数越大，越易通过简单扩散跨呼吸膜吸收入血。
（二）大小
较小分子量（<200）的亲水性分子如乙醇或尿素能经膜孔（直径为0.4 nm）以滤过方式越过膜。然而离子化化合物、甚至小离子，例如钠，则不能通过膜孔，因在水性环境中钠离子事实上成为水合物而大于正常膜孔。化学物微粒的大小与分散度成反比。分散度越大粒子越小，其比表面积越大，表面活性越大。如一些金属烟的表面活性大，可以与呼吸道上皮细胞或细菌等蛋白作用，引起发烧（金属热）。而微粒较大的金属粉尘却不能引起金属热。分散度的大小还可影响其进入呼吸道的深度和溶解度，从而影响毒性作用。
（三）挥发性
在常温下挥发性大的液态化学物易形成较大的蒸汽压，易于经呼吸道吸入。例如，苯与苯乙烯的LC50均为45 mg／L左右，但苯的挥发性较苯乙烯大11倍，故其经呼吸道吸入的危害性远较苯乙烯为大。但对污染皮肤并经皮吸收的液态化学物，则挥发性大的较挥发性小、粘稠不易祛除的危害性小，因其接触时间较短。拌饲染毒时应注意，挥发性的化学物加入饲料后可因挥发而减少接触剂量。
（四）比重
在密闭的、长期空气不流通的空间，如沼气池、竖井、地窖、地沟和废矿井中，有毒气体可能因比重不同而分层，不乏贸然下去导致中毒事故的报道。化学性火灾的有毒烟雾比重较轻，应匍匐逃生。
（六）电离度和荷电性
化学物主要以简单扩散的方式跨生物膜转运，只有非离子化形式可以简单扩散通过脂质双分子层。Pka值不同的化学物在pH不同的局部环境中电离度不同，影响其跨膜转运。如在酸性条件下弱酸主要是非离子化的而弱碱主要是离子化的。空气中的化学物微粒的荷电性影响其在空气中的沉降和呼吸道的阻溜率。
三、不纯物和化学物的稳定性
评价化学物的毒性应尽可能采用其纯品。但实际工作中，常常需要评价工业品和商品的毒性。受检样品中常含有不纯物，包括原料、杂质、副产品、溶剂、赋形剂、稳定剂和着色剂等。这些不纯物可能影响受检化学物的毒性，甚至比受检化合物的毒性高，可影响对受检化合物毒性的正确评价。例如早期对除草剂2，4，5-T进行研究时，由于样本中含有相当量
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（30mg/kg）的剧毒物质二噁英（TCDD），其急性经口LD50（雌大鼠）仅为2，4，5-T的万分之一；其致胚胎毒性的剂量相当于2 4，5－T经口LD50（雌大鼠）的400万分之一。因而，得到的2，4，5-T的毒性结果都是TCDD的。即使2，4，5-T中杂质含量低于0.5 mg/kg，仍然影响其毒性。这提示我们，要尽可能弄清楚受检化学物的组成、成分及其比例，包括同分异构体的组成和比例。
毒物在使用情况下不稳定可能影响毒性。如有机磷酸酯杀虫剂库马福司在储存中形成的分解产物对牛的毒性增加。所以在进行毒理学实验研究之前，应获得使用情况下的稳定性资料。
第二节、机体因素
动物的不同种属、品系和个体，对同一化学物的毒性反应有量和质的差异。个体之间的反应也可从无到出现严重损伤以至死亡，即使在双生子之间亦不例外。而且，大多数化学毒物只造成机体一个或几个组织器官的损害，而不能使所有的组织器官受累。
目前认为引起物种、品系、个体差异以及选择毒性的比较重要的机体因素是：①.解剖、生理和生化的不同；②代谢酶的遗传多态性；③修复能力差异；④受体因素；⑤宿主的其它因素。
一、 解剖、生理和生化的不同
（一）解剖、生理
不同物种、种属、品系的动物的解剖，生理，遗传学和代谢过程均有差异。例如肝脏分叶，狗为7叶、兔5叶、大鼠6叶、小鼠4叶，且大鼠无胆囊。大鼠和小鼠全年均可发情，狗只有在春秋两季两次发情。体细胞染色体的数目狗为78个，兔44个，大鼠42个，小鼠40个，人46个。各种动物的脉率（次/分）随体重增加而降低：小鼠600，大鼠352，豚鼠290，猫240，兔251，狗120，绵羊43，马38。此外，以人心脏每分钟输出量占总血量的比值为1，则小鼠为20——所以化学物从血浆中清除的半衰期小鼠较人短，相同剂量的化学物对人体的作用时间比小鼠长。这可以部分解释人比小鼠对毒物更敏感。
（二）生物膜
在不同的生物甚至不同的组织器官中生物膜是不同的，如：蛋白质和磷脂的比例及其排列因细胞类型、膜的位置以及膜的局部而改变。蛋白质与脂类的比率在髓鞘膜中为0.25:1，但在肠上皮细胞中为4.6:1，而肝细胞中大约是l:l.4。神经系统的细胞膜含有高比例的脂类，因此允许亲脂性的物质迅速通过和蓄积。在转运中有特定作用的膜或膜的区域包含特定的载体，肾小球和肝实质的细胞膜有许多孔。膜蛋白有不同的特性和功能：结构蛋白，受体、离子通道、载体或酶。如肝细胞表面有与碳水化合物和氨基酸有关的转移酶，以及如象胰岛素这样的激素受体，而胆小管的膜表面有转运胆汁盐的特异蛋白质。所以质膜的最重要的特征是选择地可透过，只有具有特异的理化特性的化学物才能通过膜。质膜的四种基本磷脂类型的脂肪酸的链长、饱和程度都有重大的差异。膜磷脂中的双键易受过氧化作用影响。这些都会影响化学物的选择毒性。另外原核生物细菌有细胞壁，真核生物细胞则没有细胞壁。利用这些差异研制出来的各种抗菌药物，可以杀死致病菌而对人无害。
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（三）代谢的差异
代谢转化的差异，包括量的差异和质的差异，是影响化学物毒性的主要因素。量的差异意味着占优势的代谢途径不同，可导致毒性反应的不同。如小鼠每g肝脏的细胞色素氧化酶活性为141活性单位，大鼠为84，兔为22。苯胺在猪、狗体内转化为毒性较强的邻氨基苯酚，而在兔体内则生成毒性较低的对氨基苯酚；β-萘胺在人体内经N-羟化可诱发膀胱癌，而豚鼠肝脏内不能将其N-羟化，因而不诱发肿瘤。乙二醇氧化代谢生成草酸和CO2的代谢速率在不同的动物中不同，猫>大鼠>兔，其毒性反应也依此递减。
代谢酶还存在质的差异。如猫，缺乏催化酚葡萄糖醛酸结合的同工酶，因而猫对苯酚的毒性反应比其他能通过葡糖醛酸结合解毒的动物敏感。
为了对人类的情形作出切合实际的预测，选择正确的物种和品系是非常重要的。如，一般来说，灵长类大体上是与人关系密切的好动物模型。但如果猕猴研究烹饪的肉中存在的杂环胺的致癌作用，由于猕猴缺乏使大部份的杂环芳香胺活化所需要的CYPlA2，所以不是恰当的动物模型，可能得出假阴性结果。而另一种灵长类动物狨的肝脏有重要的CYPlA2表达，会将这些杂环胺转变为强致癌物。
二、 代谢酶的多态性
个体间化学物代谢差异的主要原因是参与的酶的多态性。代谢酶的多态性是指，一个基因座位的最常见的等位基因频率不超过0.99，这个基因即具有多态性。它表明在群体中>1 %的部份存在各自不同的等位基因形式，它们的基因产物或多或少有显著不同的特性。
许多代谢酶都具有多态性。目前研究较多的有以下几类： （－）细胞色素P-450酶类
细胞色素P-450也简称为P-450或CYPs，是微粒体上的一组酶，广泛分布于动植物界。Nelson曾经报道（1999）动物中有约43个家族。全部物种的细胞色素P-450基因统称为细胞色素P-450超家族，均表示为CYP，又分不同的家族（用1、2、3……表示）及其亚家族（用A、B、C……表示），每一亚家族可含有若干基因（用1、2、3……表示），其等位基因还可以在后面加*1、*2、*3……。如：CYP1A1*1；CYP1A1*2 等等。其基因产物（酶）可采用相同的表示法，但表示为正体而非斜体，如：CYP1A1*1；CYP1A1*2等。不同物种和种属、同一种属个体的不同器官组织，甚至细胞内不同的亚细胞结构中，其CYPs的含量、活性和功能都有很大的差异。
CYPs可催化内源性化合物的反应，如：类固醇的生物合成（CYP11A1，CYP21A1，CYP19、CYP110以及CYP11B2等），脂肪酸的代谢（CYP4A）和维生素D3代谢活化（肝脏的CYP27A1和肾脏的CYP27B1）；也催化许多外源化学物的代谢，如：脂肪族和芳香族羟化、环氧化、N-羟化、氧化性脱基团、脱烷基作用等。最重要的是多环芳烃经CYPs催化活化为致癌物。 CYPs的多态性有种族差异。如，在我国人群中，降压药物异喹胍羟化酶CYP2D6极快代谢型（ultrarapid metabolism， UM）占35.83 %、快代谢型（extensive metabolism， EM）占63.33 %、慢代谢型（poor metabolism，PM）占0.8 %。而高加索人中有5～10 %是PM。PM的第22条染色体上的CYP2D6基因发生了突变或缺失造成CYP2D6缺乏正常功能。PM个体使用冠心平后50 %的可能发生外周神经疾病，且对心律平的毒副作用更敏感。还有报道在英国肺癌病人中PM出现率约为1.6 %，而正常人对照组PM出现率约为10.4 %，提示不
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