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33.毒物学

章の編集者: エレン・K・シルバーゲルド


目次

表と図

概要
エレン・K・シルバーゲルド、チャプターエディター

毒物学の一般原則

定義と概念
ボー・ホルムバーグ、ヨハン・ホグバーグ、グンナー・ヨハンソン

トキシコキネティクス
ドゥシャン・ジュリック

標的臓器と重要な効果
マレク・ヤクボウスキー

年齢、性別、その他の要因の影響
スポメンカ・テリスマン

毒性反応の遺伝的決定因子
ダニエル・W・ネバートとロス・A・マッキノン

毒性のメカニズム

概要と概念
渡辺フィリップ

細胞損傷と細胞死
ベンジャミン・F・トランプとアイリーン・K・ベレゼスキー

遺伝毒性学
R. リタ ミスラとマイケル P. ウォールクス

免疫毒性学
Joseph G. Vos と Henk van Loveren

標的臓器毒性学
エレン・K・シルバーゲルド

毒性試験方法

バイオマーカー
フィリップ・グランジャン

遺伝毒性評価
デビッド・M・デマリーニとジェームズ・ハフ

In Vitro 毒性試験
ジョアン・ズルロ

構造活性関係
エレン・K・シルバーゲルド

規制毒物学

安全衛生規制における毒物学
エレン・K・シルバーゲルド

ハザード特定の原則 - 日本のアプローチ
池田正幸

生殖毒性物質および神経毒性物質のリスク評価に対する米国のアプローチ
エレン・K・シルバーゲルド

ハザード特定へのアプローチ - IARC
ハリ・ヴァイニオとジュリアン・ウィルボーン

付録 - ヒトに対する発がん性の総合評価: IARC モノグラフ ボリューム 1-69 (836)

発がん性リスク評価: その他のアプローチ
シース・A・ファン・デル・ハイデン

テーブル類 

記事のコンテキストで表を表示するには、下のリンクをクリックしてください.

  1. 重要な臓器と重要な影響の例
  2. 金属の可能な複数の相互作用の基本的な効果
  3. アニリンとアセトアニリドに曝露した労働者のヘモグロビン付加物
  4. 遺伝性でがんになりやすい疾患と DNA 修復の欠陥
  5. ヒト細胞で遺伝毒性を示す化学物質の例
  6. 免疫マーカー検査の分類
  7. 曝露のバイオマーカーの例
  8. ヒトのがんリスクを特定する方法の長所と短所
  9. 肝毒性研究のための in vitro システムの比較
  10. SAR & テストデータの比較: OECD/NTP 分析
  11. 法律による化学物質規制、日本
  12. 化審法試験項目
  13. 化学物質と化審法
  14. 選択された主要な神経毒性インシデント
  15. 神経毒性を測定するための特殊な試験の例
  16. 生殖毒性学におけるエンドポイント
  17. 低線量の外挿手順の比較
  18. 発がん性物質のリスク判定でよく引用されるモデル

フィギュア

サムネイルをポイントすると図のキャプションが表示され、クリックすると記事のコンテキストで図が表示されます.

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月曜日、12月20 2010 19:16

定義と概念

曝露、用量および反応

毒性 生物に悪影響を与える化学物質の固有の能力です。

生体異物 「異物」、つまり生体にとって異物の用語です。 その反対は内因性化合物です。 生体異物には、医薬品、工業用化学物質、自然発生する毒物、環境汚染物質が含まれます。

危険 特定の設定または状況で毒性が発現する可能性。

リスク 特定の悪影響が発生する確率です。 多くの場合、特定の集団における特定の期間の症例の割合として表されます。 リスクの推定は、実際のケースに基づくことも、外挿に基づく将来のケースの予測に基づくこともできます。

毒性評価 および 毒性分類 規制目的で使用できます。 毒性評価は、毒性効果を引き起こす用量または曝露レベルの任意の等級付けです。 格付けは、「超毒性」、「高毒性」、「中毒性」などです。 最も一般的な評価は、急性毒性に関するものです。 毒性分類は、最も重要な毒性効果に従って化学物質を一般的なカテゴリーに分類することに関するものです。 このようなカテゴリには、アレルギー性、神経毒性、発がん性などが含まれます。 この分類は、警告および情報として管理上の価値がある場合があります。

  用量効果関係 は、個人レベルでの用量と効果の関係です。 用量の増加は、影響の強さを増加させるか、より深刻な影響をもたらす可能性があります。 用量効果曲線は、生物全体、細胞または標的分子のレベルで得ることができる。 死亡や癌などの一部の毒性効果は等級付けされていませんが、「すべてかゼロか」の影響です。

  用量反応関係 線量と特定の効果を示す個人のパーセンテージとの関係です。 線量が増加すると、通常、被ばくした集団のより多くの個人が影響を受けます。

用量効果と用量反応関係を確立することは、毒物学にとって不可欠です。 医学(疫学)研究において、因子と疾患との間の因果関係を受け入れるためにしばしば使用される基準は、効果または反応が用量に比例するというものです。

化学物質について、影響の種類ごとに 100 つずつ、いくつかの用量反応曲線を描くことができます。 ほとんどの毒性効果の用量反応曲線 (大規模な集団で研究した場合) は、シグモイド形状をしています。 通常、応答が検出されない低用量範囲があります。 用量が増加するにつれて、反応は上昇曲線をたどり、通常は XNUMX% の反応でプラトーに達します。 用量反応曲線は、集団内の個人間の変動を反映しています。 曲線の傾きは、化学物質ごとに、また効果の種類によって異なります。 特定の効果を持つ一部の化学物質 (発がん物質、イニシエーター、変異原物質) の場合、用量反応曲線は、特定の用量範囲内で用量ゼロから直線になる場合があります。 これは、閾値が存在せず、少量の線量でもリスクがあることを意味します。 その用量範囲を超えると、リスクは線形速度よりも大きく増加する可能性があります。

XNUMX 日の曝露量の変動と生涯の曝露時間の合計は、結果 (反応) にとって、平均または平均または統合された用量レベルと同じくらい重要である可能性があります。 高いピーク暴露は、より均一な暴露レベルよりも有害である可能性があります。 これは、一部の有機溶剤の場合です。 一方、一部の発がん物質については、XNUMX 回の投与を複数回に分けて同じ総投与量で行うと、腫瘍の発生に効果的であることが実験的に示されています。

A 線量 多くの場合、生体内に侵入する生体異物の量として表されます (mg/kg 体重などの単位)。 投与量は、さまざまな (多かれ少なかれ有益な) 方法で表すことができます。 被ばく線量、これは特定の期間 (通常、労働衛生では XNUMX 時間) 中に吸入された汚染物質の空気濃度、または 保持された or 吸収線量 (産業衛生では、 体への負担) は、暴露中または暴露後の特定の時点で体内に存在する量です。 の 組織線量 特定の組織内の物質の量であり、 目標用量 重要な分子に結合した物質 (通常は代謝産物) の量です。 目標用量は、組織内の特定の高分子 XNUMX mg あたりの結合化学物質の mg として表すことができます。 この概念を適用するには、分子レベルでの毒性作用のメカニズムに関する情報が必要です。 目標用量は、毒性効果とより正確に関連しています。 被ばく線量や身体への負担はより簡単に入手できるかもしれませんが、これらは影響との正確な関連性は低くなります。

線量の概念には、常に表現されているわけではありませんが、時間の側面が含まれることがよくあります。 ハーバーの法則による理論線量は D = ct、 コラボレー D は投与量、 c は空気中の生体異物の濃度であり、 t 化学物質への暴露期間。 この概念が標的器官または分子レベルで使用される場合、一定時間にわたる組織または分子の mg あたりの量が使用される場合があります。 通常、時間の側面は、単回暴露や急性影響よりも、反復暴露や慢性影響を理解する上でより重要です。

付加効果 化学物質の組み合わせへの曝露の結果として発生し、個々の毒性が単純に相互に追加されます(1 + 1 = 2). 化学物質が同じメカニズムを介して作用する場合、実際には必ずしもそうではありませんが、それらの効果の相加性が想定されます。 化学物質間の相互作用は、阻害を引き起こす可能性があります (拮抗)、個々の化学物質の効果の加算 (1+1 2) から予想される効果よりも小さい効果です。 あるいは、化学物質の組み合わせは、追加によって予想されるよりも顕著な効果を生み出す可能性があります (個人間の反応の増加または集団における反応の頻度の増加)。 相乗効果 (1+1 >2)。

待ち時間 最初の曝露から検出可能な効果または反応が現れるまでの時間。 この用語は、しばしば発がん性の影響に使用され、腫瘍は曝露開始から長時間経過した後、場合によっては曝露停止後も長期間にわたって現れることがあります。

A 線量閾値 それ以下では観察可能な影響が生じない用量レベルです。 急性毒性効果などの特定の効果には閾値が存在すると考えられています。 しかし、発がん効果のような他のものではありません(DNA付加物形成イニシエーターによる). ただし、特定の母集団に反応がないというだけで、閾値が存在する証拠と見なすべきではありません。 応答がないのは、単純な統計的現象が原因である可能性があります。低頻度で発生する悪影響は、小さな集団では検出できない可能性があります。

LD50 (実効用量) は、動物集団で 50% の致死率を引き起こす用量です。 LD50 古い文献では、化学物質の急性毒性の尺度としてしばしば与えられます。 LDが高いほど50、低い方が急性毒性です。 毒性の高い化学物質(LD値が低い)50) であると言われています 強力な. 急性毒性と慢性毒性の間には必ずしも相関関係はありません。 ED50 (実効用量) は、動物の 50% で致死以外の特定の影響を引き起こす用量です。

ノエル(NOAEL) 観察されない(有害な)効果レベル、または毒性効果を引き起こさない最高用量を意味します。 NOEL を確立するには、複数回の投与、大規模な母集団、および反応の欠如が単なる統計的現象ではないことを確認するための追加情報が必要です。 ロエル 用量反応曲線上で観察された最小有効用量、または効果を引き起こす最小用量です。

A 安全係数 は、動物実験から得られた NOEL または LOEL を除算してヒトの暫定的な許容用量を求める、正式な恣意的な数値です。 これは、食品毒性学の分野でよく使用されますが、職業毒性学でも使用される場合があります。 安全係数は、小さな母集団から大きな母集団へのデータの外挿にも使用できます。 安全係数は 10 から0 10へ3. 安全係数 1,000 は通常、深刻度の低い影響 (刺激など) から保護するのに十分であり、非常に深刻な影響 (がんなど) には XNUMX もの大きな係数が使用される場合があります。 用語 安全係数 という用語に置き換えたほうがよいでしょう。 保護 要因 あるいは、 不確実性要因. 後者の用語の使用は、特定の化学物質、毒性効果、または暴露状況について、正確な用量反応データを動物からヒトに変換できるかどうかなど、科学的な不確実性を反映しています。

外挿 ある種から別の種へのデータの変換、またはデータが存在しない用量反応領域への XNUMX セットの用量反応データ (通常は高用量範囲) から得られる毒性の理論的定性的または定量的推定 (リスク外挿) です。 観察範囲外の毒性反応を予測するには、通常、外挿を行う必要があります。 数学的モデリングは、生体内での化学物質の挙動の理解 (トキシコキネティック モデリング)、または特定の生物学的事象が発生する統計的確率の理解 (生物学的または機構に基づくモデル) に基づく外挿に使用されます。 一部の国家機関は、規制目的でリスクを予測するための正式な方法として、洗練された外挿モデルを開発しました。 (この章の後のリスク評価の議論を参照してください。)

全身効果 吸収経路から離れた組織における毒性効果です。

対象臓器 曝露後に影響を受ける主要または最も敏感な臓器です。 同一の化学物質が、被ばく線量、線量率、性別、種などの異なる経路で体内に侵入しても、異なる標的臓器に影響を与える可能性があります。 化学物質間、または化学物質と他の要因との間の相互作用は、さまざまな標的臓器にも影響を与える可能性があります。

急性の影響 限られた暴露後および暴露後短時間 (数時間、数日) に発生し、可逆的または不可逆的である可能性があります。

慢性的な影響 長期間(数か月、数年、数十年)暴露した後に発生する、および/または暴露が終わった後も持続する。

急性 暴露 は短時間の露出ですが、 慢性暴露 長期(場合によっては生涯にわたる)暴露です。

公差 化学物質への暴露が繰り返されると、前処理なしで予想されるよりも低い反応が生じる可能性があります。

取り込みと処分

輸送プロセス

. 異物が生体内に入り、損傷部位に到達するためには、細胞とその膜を含むいくつかの障壁を通過する必要があります。 ほとんどの有毒物質は、拡散によって受動的に膜を通過します。 これは、水性チャネルを通過する小さな水溶性分子の場合、または脂溶性分子の場合、膜の脂質部分への溶解と拡散によって発生する可能性があります。 エタノールは、水溶性と脂溶性を併せ持つ小分子で、細胞膜を介して急速に拡散します。

弱酸と弱塩基の拡散. 弱酸および弱塩基は、イオン化されていない脂溶性の形態では膜を容易に通過できますが、イオン化された形態は極性が強すぎて通過できません。 これらの物質のイオン化の程度は、pH に依存します。 したがって、メンブレン全体に pH 勾配が存在する場合、それらは片側に蓄積します。 弱酸および弱塩基の尿中排泄は、尿の pH に大きく依存します。 胎児または胚の pH は母体の pH よりもやや高く、胎児または胚に弱酸がわずかに蓄積します。

促進拡散. 物質の通過は、膜内の担体によって促進される場合があります。 促進拡散は、タンパク質が介在し、選択性が高く、可飽和であるという点で、酵素プロセスに似ています。 他の物質は、生体異物の促進された輸送を阻害する可能性があります。

能動輸送. 一部の物質は、細胞膜を介して活発に輸送されます。 この輸送は、酵素のプロセスに類似したプロセスで担体タンパク質によって媒介されます。 能動輸送は促進拡散に似ていますが、濃度勾配に逆らって発生する場合があります。 それにはエネルギーの投入が必要であり、代謝阻害剤がそのプロセスをブロックする可能性があります。 ほとんどの環境汚染物質は積極的に輸送されません。 XNUMX つの例外は、腎臓での活発な尿細管分泌と酸代謝物の再吸収です。

食作用 マクロファージなどの特殊化された細胞が、その後の消化のために粒子を飲み込むプロセスです。 この輸送プロセスは、例えば、肺胞内の粒子の除去にとって重要です。

バルクフロー. また、呼吸による呼吸器系の空気の動きや、血液、リンパ液、尿などの動きによって物質が体内を運ばれます。

濾過。 静水圧または浸透圧により、水は内皮の細孔を通って大量に流れます。 十分に小さい溶質は、水と一緒にろ過されます。 ろ過は、すべての組織の毛細血管床である程度発生しますが、腎臓糸球体での一次尿の形成において特に重要です。

吸着

吸収とは、環境から生物への物質の取り込みです。 この用語は通常、バリア組織への入り口だけでなく、循環血液へのさらなる輸送も含みます。

肺吸収. 肺は、空気中の小さな粒子、ガス、蒸気、エアロゾルの沈着と吸収の主要な経路です。 水溶性の高いガスと蒸気の場合、取り込みの大部分は鼻と呼吸器系で発生しますが、溶解性の低い物質の場合、主に肺胞で発生します。 肺胞は非常に大きな表面積(約100m2 人間で)。 さらに、拡散障壁は非常に小さく、わずか XNUMX つの薄い細胞層と、肺胞の空気から全身の血液循環までの距離がマイクロメートルのオーダーです。 これにより、肺は酸素と二酸化炭素の交換だけでなく、他のガスや蒸気の交換においても非常に効率的になります. 一般に、肺胞壁を横切る拡散は非常に速いため、取り込みが制限されません。 吸収率は、流量 (肺換気量、心拍出量) と溶解度 (血液: 空気分配係数) に依存します。 もう XNUMX つの重要な要素は、代謝による除去です。 肺吸収に対するこれらの要因の相対的な重要性は、物質によって大きく異なります。 身体活動は、肺換気量と心拍出量の増加、および肝血流の減少をもたらします (したがって、生体内変化率)。 多くの吸入物質では、これにより肺吸収が著しく増加します。

経皮吸収. 皮膚は非常に効率的なバリアです。 体温調節の役割とは別に、微生物、紫外線、その他の有害物質から生物を保護し、過度の水分損失からも保護するように設計されています. 真皮での拡散距離は、数十分の一ミリ程度です。 さらに、ケラチン層は、ほとんどの物質の拡散に対して非常に高い耐性を持っています。 それにもかかわらず、一部の物質、例えば有機リン系殺虫剤や有機溶剤などの毒性の高い脂溶性物質では、毒性をもたらす重大な経皮吸収が発生する可能性があります。 液体物質にさらされた後、かなりの吸収が起こる可能性があります。 蒸気の経皮吸収は、蒸気圧が非常に低く、水や皮膚への親和性が高い溶媒にとって重要な場合があります。

消化管吸収 偶発的または意図的な摂取後に発生します。 もともと吸入されて気道に沈着した大きな粒子は、咽頭への粘液線毛輸送の後に飲み込まれる可能性があります。 事実上、すべての可溶性物質は胃腸管で効率的に吸収されます。 腸の低い pH は、例えば金属の吸収を促進する可能性があります。

その他のルート. 毒性試験やその他の実験では、利便性のために特別な投与経路がよく使用されますが、これらはまれであり、通常は職業上の状況には関係ありません. これらの経路には、静脈内 (IV)、皮下 (sc)、腹腔内 (ip)、および筋肉内 (im) 注射が含まれます。 一般に、物質はこれらの経路によってより高い速度で、より完全に吸収されます。特に IV 注射後は顕著です。 これにより、持続時間は短いが高濃度のピークが生じ、用量の毒性が高まる可能性があります。

販売

生体内での物質の分布は、さまざまな組織への血流とその物質に対する親和性だけでなく、取り込みと排出の速度に依存する動的なプロセスです。 水溶性の小さい非荷電分子、一価陽イオン、およびほとんどの陰イオンは容易に拡散し、最終的には体内で比較的均一に分布します。

流通量 ある時点で体内にある物質の量を、その時点での血液、血漿、または血清中の濃度で割った値です。 多くの物質は生体内に均一に分布していないため、この値は物理量としての意味を持ちません。 XNUMX l/kg 体重未満の分布量は、血液 (または血清または血漿) に優先的に分布することを示し、XNUMX を超える値は、脂溶性物質が脂肪組織などの末梢組織に優先的に分布することを示します。

累積 血液や血漿よりも高いレベルで、組織や臓器に物質が蓄積することです。 それはまた、有機体における時間の経過に伴う漸進的な蓄積を指す場合もあります. 多くの生体異物は脂溶性が高く、脂肪組織に蓄積する傾向がありますが、骨に特別な親和性を持つものもあります。 例えば、骨中のカルシウムは、鉛、ストロンチウム、バリウム、およびラジウムの陽イオンと交換される可能性があり、骨中のヒドロキシル基はフッ化物と交換される可能性があります。

障壁. 脳、精巣、胎盤の血管には、タンパク質などの大きな分子の通過を阻害する特別な解剖学的特徴があります。 これらの機能は、しばしば血液脳関門、血液精巣関門、および血液胎盤関門と呼ばれ、物質の通過を妨げるという誤った印象を与える可能性があります. これらの障壁は、細胞膜を通って拡散する可能性のある生体異物にとってほとんどまたはまったく重要ではありません。

血の結合. 物質は、赤血球または血漿成分に結合している場合もあれば、血液中に結合していない場合もあります。 一酸化炭素、ヒ素、有機水銀、および六価クロムは赤血球との親和性が高く、無機水銀と三価クロムは血漿タンパク質を好みます。 他の多くの物質も血漿タンパク質に結合します。 非結合画分のみが濾過または排泄器官への拡散に利用できます。 したがって、血液結合は生体内の滞留時間を増加させる可能性がありますが、標的器官による取り込みを減少させます。

制圧

制圧 体内の物質が消失することです。 除去には、体からの排泄または特定の測定方法では捕捉されない他の物質への変換が含まれる場合があります。 消失速度は、消失速度定数、生物学的半減期、またはクリアランスによって表すことができます。

濃度-時間曲線. 血液 (または血漿) 中の濃度対時間の曲線は、生体異物の取り込みと配置を説明する便利な方法です。

曲線下面積 (AUC) は、経時的な血中 (血漿) 濃度の積分です。 代謝飽和やその他の非線形プロセスがない場合、AUC は物質の吸収量に比例します。

生物学的ハーフタイム (または半減期) は、暴露終了後、生体内の量が半分になるまでに必要な時間です。 物質の総量を評価することは困難な場合が多いため、血中(血漿)中濃度などの測定値が使用されます。 ハーフタイムは、線量や曝露時間などによって変化する可能性があるため、注意して使用する必要があります。 さらに、多くの物質は、いくつかの半減期を持つ複雑な減衰曲線を持っています。

バイオアベイラビリティ 体循環に入る投与量の割合です。 前全身クリアランスがない場合、または 初回通過代謝、分数は XNUMX です。 経口ばく露では、消化管内容物、腸壁または肝臓内での代謝が全身前クリアランスの原因である可能性があります。 初回通過代謝は物質の全身吸収を減少させ、代わりに代謝産物の吸収を増加させます。 これにより、異なる毒性パターンが生じる可能性があります。

在庫一掃 物質が完全に除去された単位時間あたりの血液 (血漿) の量です。 腎クリアランスと区別するために、例えば、総、代謝、または血液 (血漿) という接頭辞がしばしば追加されます。

固有クリアランス 物質を変換する内因性酵素の能力であり、単位時間あたりの体積でも表されます。 臓器内の内因性クリアランスが血流よりもはるかに低い場合、代謝は制限されていると言われます. 逆に、内因性クリアランスが血流よりもはるかに高い場合、代謝は血流制限されます。

排泄

排泄は、生物からの物質とその生体内変化生成物の出口です。

尿および胆汁への排泄. 腎臓は最も重要な排泄器官です。 一部の物質、特に高分子量の酸は、胆汁とともに排泄されます。 胆汁に排泄された物質の一部は、腸で再吸収されることがあります。 このプロセス、 腸肝循環、コンジュゲートの腸内加水分解後のコンジュゲート物質では一般的です。

その他の排泄経路. 有機溶媒やアセトンなどの分解生成物などの一部の物質は揮発性が高く、吸入後にかなりの割合が呼気によって排出される可能性があります。 小さな水溶性分子と脂溶性分子は、胎盤を介して胎児に容易に分泌され、哺乳動物の乳汁に分泌されます。 母親にとって、授乳は持続性脂溶性化学物質の定量的に重要な排泄経路となり得る. 子孫は、妊娠中および授乳中に母親を介して二次的に暴露される可能性があります。 水溶性化合物は、汗や唾液中にある程度排泄されることがあります。 これらのルートは、一般的にあまり重要ではありません。 しかし、大量の唾液が生成されて飲み込まれると、唾液の排泄が化合物の再吸収に寄与する可能性があります。 水銀などの一部の金属は、毛髪のケラチンのスルフヒドリル基に永久に結合することによって排出されます。

トキシコキネティック モデル

数学的モデルは、異物の取り込みと処分を理解し、説明するための重要なツールです。 ほとんどのモデルはコンパートメントです。つまり、生物は XNUMX つ以上のコンパートメントで表されます。 コンパートメントは、物質が均一かつ瞬時に分布すると想定される、化学的および物理的に理論的なボリュームです。 単純なモデルは指数項の和として表すことができますが、より複雑なモデルでは、解を求めるためにコンピュータ上で数値的な手順が必要になります。 モデルは、記述的モデルと生理学的モデルの XNUMX つのカテゴリに分類できます。

In 記述的な モデル、測定データへのフィッティングは、モデルパラメータの数値またはモデル構造自体を変更することによって実行されます。 モデル構造は通常、生物の構造とはほとんど関係がありません。 記述的アプローチの利点は、仮定がほとんど行われないことと、追加のデータが必要ないことです。 記述モデルの欠点は、外挿の有用性が限られていることです。

生理学的モデル 生理学的、解剖学的およびその他の独立したデータから構成されています。 その後、モデルは改良され、実験データと比較して検証されます。 生理学的モデルの利点は、外挿目的で使用できることです。 例えば、吸入された物質の取り込みと体内動態に対する身体活動の影響は、換気と心拍出量の既知の生理学的調整から予測できます。 生理学的モデルの欠点は、大量の独立したデータが必要なことです。

生体内変換

生体内変換 体内の外来化合物 (生体異物) の代謝変換をもたらすプロセスです。 このプロセスは、生体異物の代謝と呼ばれることがよくあります。 原則として、代謝は脂溶性生体異物を効果的に排泄できる大きな水溶性代謝物に変換します。

肝臓は生体内変化の主要部位です。 腸から取り込まれたすべての生体異物は、単一の血管によって肝臓に運ばれます (大静脈ポルタ)。 異物が少量摂取されると、全身循環や他の臓器に到達する前に肝臓で完全に代謝されることがあります (初回通過効果)。 吸入された生体異物は、全身循環を介して肝臓に分配されます。 その場合、他の臓器に到達する前に、投与量のほんの一部が肝臓で代謝されます。

肝細胞には、生体異物を酸化するいくつかの酵素が含まれています。 この酸化は、通常、化合物を活性化します。つまり、親分子よりも反応性が高くなります。 ほとんどの場合、酸化された代謝産物は、第 XNUMX 段階で他の酵素によってさらに代謝されます。 これらの酵素は、代謝物を内因性基質と結合させ、分子がより大きくなり、極性が高くなるようにします。 これにより、排泄が促進されます。

生体異物を代謝する酵素は、肺や腎臓などの他の臓器にも存在します。 これらの器官では、特定の生体異物の代謝において、特定の質的に重要な役割を果たしている可能性があります。 ある器官で形成された代謝産物は、別の器官でさらに代謝される可能性があります。 腸内の細菌も生体内変化に関与している可能性があります。

生体異物の代謝物は、腎臓または胆汁を介して排泄されます。 また、肺から吐き出されたり、体内の内因性分子に結合したりすることもあります。

生体内変化と毒性の関係は複雑です。 生体内変化は、生存に必要なプロセスと見なすことができます。 体内に有害物質が蓄積するのを防ぐことにより、生物を毒性から保護します。 しかし、反応性中間代謝物が生体内変化で形成される可能性があり、これらは潜在的に有害です。 これを代謝活性化といいます。 したがって、生体内変化も毒性を誘発する可能性があります。 共役していない酸化された中間代謝物は、細胞構造に結合して損傷する可能性があります。 例えば、異物代謝物が DNA に結合すると、突然変異が誘発される可能性があります (「遺伝毒性学」を参照)。 生体内変換システムが過負荷になると、必須タンパク質または脂質膜の大規模な破壊が発生する可能性があります. これは、細胞死を引き起こす可能性があります (「細胞損傷と細胞死」を参照)。

生体内変化と同じ意味でよく使われる言葉です。 これは、体内の酵素によって触媒される化学分解または合成反応を示します。 食品からの栄養素、内因性化合物、生体異物はすべて体内で代謝されます。

代謝活性化 反応性の低い化合物が反応性の高い分子に変換されることを意味します。 これは通常、フェーズ 1 の反応中に発生します。

代謝不活化 活性分子または毒性分子が活性の低い代謝物に変換されることを意味します。 これは通常、フェーズ 2 の反応中に発生します。 場合によっては、不活性化された代謝産物が、例えば酵素切断によって再活性化されることがあります。

フェーズ1反応 異物代謝の最初のステップを指します。 これは通常、化合物が酸化されていることを意味します。 酸化は通常、化合物の水溶性を高め、さらなる反応を促進します。

チトクロムP450酵素 フェーズ 1 反応で生体異物を優先的に酸化する酵素のグループです。 さまざまな酵素は、特定の特性を持つ生体異物の特定のグループを処理するために特化されています。 内因性分子も基質です。 チトクローム P450 酵素は、生体異物によって特定の方法で誘導されます。 チトクローム P450 の誘導データを取得することは、以前の暴露の性質に関する情報を提供する可能性があります (「毒性反応の遺伝的決定要因」を参照)。

フェーズ2反応 生体異物代謝の第 XNUMX 段階を指します。 これは通常、酸化された化合物が内因性分子と共役 (結合) していることを意味します。 この反応は、水溶性をさらに増加させます。 多くの抱合代謝物は、腎臓を介して活発に排泄されます。

トランスフェラーゼ フェーズ 2 反応を触媒する酵素のグループです。 それらは、生体異物をグルタチオン、アミノ酸、グルクロン酸、硫酸塩などの内因性化合物と結合させます。

グルタチオン 第 2 相反応で生体異物と共役する内因性分子、トリペプチドです。 それはすべての細胞に(そして高濃度で肝細胞に)存在し、通常は活性化された生体異物から保護します. グルタチオンが枯渇すると、活性化された生体異物代謝物とタンパク質、脂質、または DNA との間で毒性反応が発生する可能性があります。

誘導 生体内変化に関与する酵素が、生体異物暴露への反応として (活性または量で) 増加することを意味します。 場合によっては、数日以内に酵素活性が数倍に増加することがあります。 誘導は多くの場合、フェーズ 1 とフェーズ 2 の両方の反応が同時に増加するようにバランスが取れています。 これは、より迅速な生体内変化につながる可能性があり、耐性を説明できます。 対照的に、不均衡な誘導は毒性を高める可能性があります。

阻害 XNUMX つの生体異物が同じ酵素によって代謝される場合、生体内変化が起こる可能性があります。 XNUMX つの基質は競合する必要があり、通常はいずれかの基質が優先されます。 その場合、第 XNUMX の基質は代謝されないか、ゆっくりと代謝されるだけです。 誘導と同様に、阻害が増加するだけでなく、毒性が減少する可能性があります。

酸素活性化 特定の生体異物の代謝物によって引き起こされる可能性があります。 それらは、活性酸素種の生成下で自動酸化する可能性があります。 スーパーオキシド、過酸化水素、およびヒドロキシルラジカルを含むこれらの酸素由来種は、細胞内の DNA、脂質、およびタンパク質を損傷する可能性があります。 酸素活性化は、炎症プロセスにも関与しています。

遺伝的変異 個人間の違いは、フェーズ 1 およびフェーズ 2 酵素をコードする多くの遺伝子に見られます。 特定の個体が他の個体よりも生体異物の毒性影響を受けやすい理由は、遺伝的多様性によって説明できるかもしれません。

 

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月曜日、12月20 2010 19:18

トキシコキネティクス

人間の生物は、分子細胞レベルから組織や臓器に至るまで、さまざまなレベルの組織で複雑な生物学的システムを表しています。 有機体は開放系であり、動的平衡における多数の生化学反応を通じて環境と物質とエネルギーを交換します。 環境は汚染されているか、さまざまな有毒物質で汚染されている可能性があります。

職場環境や生活環境から有毒物質の分子やイオンがこのような強く調整された生物系に浸透すると、正常な細胞の生化学的プロセスが可逆的または不可逆的に乱されたり、細胞を傷つけたり破壊したりする可能性があります(「細胞損傷と細胞死」を参照)。

環境から生物体内の毒性作用部位への毒性物質の浸透は、次の XNUMX つの段階に分けることができます。

  1. 暴露段階には、さまざまな毒物と環境要因 (光、温度、湿度など) の影響との間で発生するすべてのプロセスが含まれます。 化学変化、分解、生物分解 (微生物による)、および毒物の崩壊が起こる可能性があります。
  2. トキシコキネティック段階は、生物への毒性物質の吸収と、体液による輸送、組織や臓器への分布と蓄積、代謝産物への生体内変換、および生物からの毒性物質および/または代謝産物の排除 (排泄) に続くすべてのプロセスを含みます。
  3. トキシコダイナミクス相とは、毒性物質 (分子、イオン、コロイド) と細胞上または細胞内の特定の作用部位 (受容体) との相互作用を指し、最終的に毒性効果を生み出します。

 

ここでは、環境中の毒物にさらされた後の人体内部のトキシコキネティックス プロセスだけに注目します。

環境に存在する毒物の分子またはイオンは、侵入点に応じて、皮膚や粘膜、または呼吸器や消化管の上皮細胞を介して生物に浸透します。 つまり、毒性物質の分子とイオンは、これらの生物学的システムの細胞膜と、細胞内の複雑な内膜システムを通過する必要があります。

トキシコキネティックおよびトキシコダイナミクスのすべてのプロセスは、分子細胞レベルで発生します。 多くの要因がこれらのプロセスに影響を与え、これらは次の XNUMX つの基本グループに分けることができます。

  • 毒物の化学構造と物理化学的性質
  • 細胞の構造、特に細胞周囲の膜とその内部オルガネラの特性と機能。

 

毒物の物理化学的性質

1854 年、ロシアの毒物学者 EV ペリカンは、物質の化学構造とその生物活性との関係、つまり構造活性相関 (SAR) に関する研究を開始しました。 化学構造は物理化学的特性を直接決定し、その一部は生物活性に関与しています。

化学構造を定義するために、多数のパラメーターを記述子として選択できます。記述子はさまざまなグループに分類できます。

1. 物理化学:

  • 一般—融点、沸点、蒸気圧、解離定数 (pKa)
  • 電気—イオン化ポテンシャル、誘電率、双極子モーメント、質量電荷比など
  • 量子化学 - 原子電荷、結合エネルギー、共鳴エネルギー、電子密度、分子反応性など

 

 2. 立体: 分子の体積、形状と表面積、部分構造の形状、分子の反応性など
 3. 構造: 結合の数 環の数 (多環式化合物)、分岐の程度など

 

各毒物について、特定の活動メカニズムに関連する一連の記述子を選択する必要があります。 ただし、トキシコキネティックスの観点からは、XNUMX つのパラメーターがすべての毒物にとって一般的に重要です。

  • ネルンスト分配係数 (P) は、XNUMX 相オクタノール (油)-水系における毒物分子の溶解度を確立し、それらの脂溶性または水溶性と相関します。 このパラメーターは、生体内の毒物分子の分布と蓄積に大きく影響します。
  • 解離定数 (pKa) は、特定の pH における有毒物質の分子の荷電陽イオンと陰イオンへのイオン化 (電解解離) の程度を定義します。 この定数は、50% のイオン化が達成される pH を表します。 分子は親油性または親水性の場合がありますが、イオンは体液および組織の水にのみ溶けます。 pKを知るa Henderson-Hasselbach の式を使用して、各 pH に対する物質のイオン化の程度を計算することができます。

 

吸入された粉塵やエアロゾルの場合、粒子のサイズ、形状、表面積、密度もトキシコキネティクスとトキシコダイナミクスに影響を与えます。

膜の構造と性質

ヒトおよび動物の真核細胞は、物質の輸送を調節し、細胞の恒常性を維持する細胞質膜によって取り囲まれています。 細胞小器官(核、ミトコンドリア)も膜を持っています。 細胞の細胞質は、複雑な膜構造、小胞体、およびゴルジ複合体 (内膜) によって区画化されています。 これらの膜はすべて構造的に似ていますが、脂質とタンパク質の含有量が異なります。

膜の構造的枠組みは、脂質分子 (リン脂質、スフィンゴ脂質、コレステロール) の二重層です。 リン脂質分子の主鎖はグリセロールであり、16 つの -OH 基が 18 ~ XNUMX 個の炭素原子を持つ脂肪族脂肪酸によってエステル化され、XNUMX 番目の基はリン酸基と窒素化合物 (コリン、エタノールアミン、セリン) によってエステル化されます。 スフィンゴ脂質では、スフィンゴシンが塩基です。

脂質分子は、極性の親水性の「頭」(アミノアルコール、リン酸、グリセロール)と非極性のツイン「尾」(脂肪酸)で構成されているため、両親媒性です。 脂質二重層は、親水性の頭が膜の外面と内面を構成し、親油性の尾部が水、さまざまなイオン、分子を含む膜内部に向かって伸びるように配置されています。

タンパク質と糖タンパク質は、脂質二重層に挿入されるか (内因性タンパク質)、膜表面に付着します (外因性タンパク質)。 これらのタンパク質は、膜の構造的完全性に寄与しますが、酵素、担体、孔壁、または受容体としても機能する可能性があります。

膜は、機能的な必要性に応じて、脂質とタンパク質の異なる割合で分解および再構築できる動的構造を表しています。

細胞内外への物質輸送の調節は、外膜と内膜の基本的な機能の XNUMX つです。

一部の親油性分子は、脂質二重層を直接通過します。 親水性分子とイオンは細孔を介して輸送されます。 膜は、さまざまなサイズの特定の細孔を開いたり閉じたりすることで、変化する条件に対応します。

次のプロセスとメカニズムは、毒性物質を含む物質の膜を介した輸送に関与しています。

  • 脂質二重層を介した拡散
  • 細孔を通した拡散
  • キャリアによる輸送(促進拡散)。

 

アクティブなプロセス:

  • キャリアによる能動輸送
  • エンドサイトーシス(ピノサイトーシス)。

 

これは、高濃度または高電位の領域から低濃度または電位の領域 (「下り坂」) への、脂質二重層または細孔を通る分子およびイオンの移動を表します。 濃度または電荷の違いは、両方向のフラックスの強度に影響を与える駆動力です。 平衡状態では、流入は流出と等しくなります。 拡散速度はフィッケの法則に従い、利用可能な膜の表面、濃度 (電荷) 勾配の差、および特性拡散係数に正比例し、膜の厚さに反比例すると述べています。

小さな親油性分子は、ネルンスト分配係数に従って、膜の脂質層を容易に通過します。

大きな親油性分子、水溶性分子、およびイオンは、それらの通過に水性細孔チャネルを使用します。 サイズと立体配置は、分子の通過に影響を与えます。 イオンの場合、サイズの他に、電荷のタイプが決定的になります。 細孔壁のタンパク質分子は、正または負の電荷を獲得できます。 狭い細孔は選択的である傾向があります。負に帯電した配位子は陽イオンのみを通過させ、正に帯電した配位子は陰イオンのみを通過させます。 ポアズイユの法則に従って、細孔径が大きくなると、流体力学的流れが支配的になり、イオンと分子が自由に通過できるようになります。 このろ過は、浸透圧勾配の結果です。 場合によっては、イオンが特定の複雑な分子を貫通することがあります—イオノフォア—これは、抗生物質効果を持つ微生物 (ノナクチン、バリノマイシン、グラマシジンなど) によって生成されます。

促進または触媒拡散

これには、膜内の担体、通常はタンパク質分子 (パーミアーゼ) の存在が必要です。 担体は、基質-酵素複合体に似た物質を選択的に結合します。 同様の分子 (毒性物質を含む) は、飽和点に達するまで、特定の担体をめぐって競合する可能性があります。 有毒物質は担体をめぐって競合する可能性があり、担体に不可逆的に結合すると、輸送がブロックされます。 輸送速度は、キャリアの種類ごとに特徴的です。 輸送が両方向に行われる場合、交換拡散と呼ばれます。

能動輸送

細胞にとって重要ないくつかの物質を輸送するために、特別なタイプの担体が使用され、濃度勾配または電位に逆らって輸送します(「上り坂」)。 キャリアは非常に立体特異的で、飽和する可能性があります。

上り坂の輸送にはエネルギーが必要です。 必要なエネルギーは、酵素アデノシントリホスファターゼ (ATP-アーゼ) による ATP 分子の ADP への触媒切断によって得られます。

毒素は、キャリアの競合的または非競合的阻害、または ATP アーゼ活性の阻害によって、この輸送を妨害する可能性があります。

エンドサイトーシス

エンドサイトーシス 細胞膜が物質を包囲して小胞​​を形成し、細胞を介して物質を輸送する輸送メカニズムとして定義されます。 材料が液体の場合、このプロセスは 飲作用. 場合によっては、物質が受容体に結合し、この複合体が膜小胞によって輸送されます。 このタイプの輸送は、特に胃腸管の上皮細胞、および肝臓と腎臓の細胞によって使用されます。

毒物の吸収

人々は、職場や生活環境に存在する多数の有毒物質にさらされており、これらの有毒物質は、次の XNUMX つの主要な入口から人体に侵入する可能性があります。

  • 汚染された空気の吸入による気道経由
  • 汚染された食べ物、水、飲み物の摂取による胃腸管経由
  • 真皮、皮膚浸透による皮膚を通して。

 

産業におけるばく露の場合、有毒物質の主な侵入経路は吸入であり、皮膚浸透がこれに続きます。 農業では、皮膚吸収による農薬曝露は、吸入と皮膚浸透を組み合わせた場合とほぼ同じです。 一般集団は、主に汚染された食品、水、飲料の摂取によって暴露され、次に吸入によって暴露され、皮膚浸透による暴露はそれほど多くありません。

気道からの吸収

肺での吸収は、多数の空気中の有毒物質 (ガス、蒸気、煙、霧、煙、粉塵、エアロゾルなど) の主な取り込み経路です。

気道 (RT) は、表面が 30 m の膜を持つ理想的なガス交換システムを表しています。2 (有効期限) ~ 100m2 (深いインスピレーション)、その背後には約2,000kmの毛細血管のネットワークがあります。 進化の過程で開発されたこのシステムは、肋骨で保護された比較的小さな空間(胸腔)に収められています。

解剖学的および生理学的に、RT は XNUMX つのコンパートメントに分けることができます。

  • RT の上部、または鼻咽頭 (NP) は、鼻孔から始まり、咽頭および喉頭まで伸びています。 この部分は空調システムとして機能します
  • 気管気管支樹 (TB) は、さまざまなサイズの多数の管を含み、肺に空気をもたらします。
  • ブドウのようなクラスターに配置された何百万もの肺胞 (気嚢) で構成される肺コンパートメント (P)。

 

親水性の毒物は、鼻咽頭領域の上皮によって容易に吸収されます。 NP 領域と TB 領域の上皮全体が水の膜で覆われています。 親油性毒物は部分的に NP と TB に吸収されますが、大部分は肺胞毛細血管膜を介した拡散によって肺胞に吸収されます。 吸収率は、肺の換気量、心拍出量 (肺を通る血流)、毒物の血中溶解度、およびその代謝率に依存します。

肺胞では、ガス交換が行われます。 肺胞壁は、上皮、基底膜の間質性フレームワーク、結合組織、および毛細血管内皮で構成されています。 有毒物質の拡散は、約 0.8 μm の厚さを持つこれらの層を介して非常に急速に進みます。 肺胞では、毒物が空気相から液相 (血液) に移動します。 毒物の吸収率 (空気から血液への分布) は、肺胞の空気中の濃度と血液のネルンスト分配係数 (溶解度係数) に依存します。

血液中で毒物は、単純な物理的プロセスによって液相に溶解するか、または化学的親和性または吸着によって血球および/または血漿成分に結合する可能性があります。 血液の水分含有量は 75% であるため、親水性のガスや蒸気は血漿 (アルコールなど) に高い溶解度を示します。 親油性毒物(ベンゼンなど)は、通常、細胞または卵白などの巨大分子に結合しています。

肺への暴露の最初から、吸収と脱着という 0 つの反対のプロセスが発生しています。 これらのプロセス間の平衡は、肺胞の空気と血液中の毒物の濃度に依存します。 曝露開始時の血中毒物濃度は 100 で、血中残留率はほぼ XNUMX% です。 曝露を続けると、吸収と脱着の間の平衡が達成されます。 親水性毒物は急速に平衡に達し、吸収率は血流よりも肺換気に依存します。 親油性毒物は平衡に達するまでにより長い時間を必要とし、ここでは不飽和の血液の流れが吸収率を支配します。

RT での粒子およびエアロゾルの沈着は、物理的および生理学的要因、ならびに粒子サイズに依存します。 つまり、粒子が小さいほど、RT に深く浸透します。

高度にばく露された人 (例えば、鉱夫) の肺における粉塵粒子の滞留が比較的一定して低いことは、粒子のクリアランスのための非常に効率的なシステムが存在することを示唆しています。 RT (気管気管支) の上部では、粘膜繊毛ブランケットがクリアランスを行います。 肺の部分では、(1) 粘膜繊毛ブランケット、(2) 食作用、(3) 肺胞壁を介した粒子の直接浸透の XNUMX つの異なるメカニズムが働いています。

気管気管支ツリーの 17 の分岐の最初の 23 は、繊毛上皮細胞を所有しています。 これらの繊毛は、ストロークによって粘液ブランケットを口に向かって絶えず動かします。 この粘膜線毛ブランケットに沈着した粒子は、口の中で飲み込まれます (摂取)。 粘液ブランケットも肺胞上皮の表面を覆い、粘液線毛ブランケットに向かって移動します。 さらに、特殊な移動細胞である食細胞は、肺胞内の粒子と微生物を飲み込み、次の XNUMX つの方向に移動します。

  • それらを口に運ぶ粘液繊毛ブランケットに向かって
  • 肺胞壁の細胞間隙を通って肺のリンパ系へ。 また、粒子はこの経路によって直接侵入することができます。

 

消化管による吸収

誤って飲み込んだり、汚染された食べ物や飲み物を摂取したり、RT から除去された粒子を飲み込んだりすると、毒物が摂取される可能性があります。

食道から肛門までの消化管全体は、基本的に同じように作られています。 粘膜層 (上皮) は、結合組織によって支えられ、毛細血管と平滑筋のネットワークによって支えられています。 胃の表面上皮は、吸収/分泌表面積を増やすために非常に皺が寄っています。 腸の領域には多数の小さな突起物 (絨毛) があり、「ポンピング」によって物質を吸収することができます。 腸で吸収される有効面積は約100m2.

消化管 (GIT) では、すべての吸収プロセスが非常に活発です。

  •  脂質層および/または細胞膜の細孔を介した拡散による経細胞輸送、および細孔ろ過
  •  細胞間の接合部を通る傍細胞拡散
  •  促進された拡散と能動輸送
  •  エンドサイトーシスと絨毛のポンプ機構。

 

有毒な金属イオンの中には、必須元素の特殊な輸送システムを使用するものがあります。タリウム、コバルト、マンガンは鉄システムを使用しますが、鉛はカルシウム システムを使用するようです。

多くの要因が、GIT のさまざまな部分での毒物の吸収速度に影響を与えます。

  • 毒物の物理化学的性質、特にネルンスト分配係数と解離定数。 粒子の場合、粒子サイズが重要です。サイズが小さいほど、溶解度が高くなります
  • GITに存在する食物の量(希釈効果)
  • GIT の各部分での滞留時間
  • 上皮の吸収面積と吸収能力
  • 解離した毒物の吸収を支配する局所pH。 胃の酸性pHでは、解離していない酸性化合物がより迅速に吸収されます
  • 蠕動(筋肉による腸の動き)と局所血流
  • 胃および腸の分泌物は、毒性物質を多かれ少なかれ可溶性の製品に変換します。 胆汁は、より可溶性の複合体を生成する乳化剤です(ヒドロトロフィ)
  • 吸収過程で相乗効果または拮抗効果を生み出す可能性のある他の毒物への複合曝露
  • 錯化剤/キレート剤の存在
  • RT(約1.5kg)のミクロフローラの作用で、毒物の生体内変化を行うことができる約60種類の細菌種。

 

腸肝循環についても言及する必要があります。 極性毒物および/または代謝物 (グルクロニドおよび他のコンジュゲート) は、胆汁とともに十二指腸に排泄されます。 ここで、微生物叢の酵素が加水分解を行い、遊離した生成物は再吸収され、門脈によって肝臓に輸送されます。 肝毒性物質の場合、このメカニズムは非常に危険であり、一時的に肝臓に蓄積する可能性があります。

毒性物質が肝臓で毒性の低い代謝物または非毒性の代謝物に生体内変換される場合、摂取は危険性の低い侵入口となる可能性があります。 GIT で吸収された後、これらの毒物は門脈によって肝臓に運ばれ、そこで生体内変化によって部分的に解毒されます。

皮膚からの吸収(真皮、経皮)

皮膚 (1.8 m2 体の開口部の粘膜とともに、体の表面を覆っています。 それは、身体の完全性と恒常性を維持し、他の多くの生理学的タスクを実行する、物理的、化学的、および生物学的因子に対する障壁を表しています。

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  • 脂質膜 (バリア) を介した拡散による経表皮吸収。大部分は親油性物質 (有機溶媒、殺虫剤など) によるもので、一部の親水性物質は細孔を介してわずかに吸収されます。
  • 膜バリアを迂回して、毛包への毛茎の周りの経毛包吸収。 この吸収は、皮膚の毛深い領域でのみ発生します
  • 総皮膚面積の約 0.1 ~ 1% の断面積を有する汗腺のダクトを介した吸収 (相対吸収はこの割合です)
  • 機械的、熱的、化学的または皮膚疾患による損傷時の皮膚からの吸収。 ここでは、脂質バリアを含む皮膚層が破壊され、毒物や有害物質が侵入する道が開かれています.

 

皮膚からの吸収率は、多くの要因によって異なります。

  • 毒物の濃度、媒体の種類(媒体)、その他の物質の存在
  • 皮膚の水分量、pH、温度、局所血流、発汗、汚染された皮膚の表面積、皮膚の厚さ
  • 性別、年齢、個人差、民族や人種による違いなどによる皮膚の解剖学的・生理学的特徴。

血液とリンパによる毒物の輸送

これらの入り口のいずれかによって吸収された後、毒物は血液、リンパ液、またはその他の体液に到達します。 血液は、毒物とその代謝物の主要な運搬手段です。

血液は液体循環器官であり、必要な酸素と生命維持に必要な物質を細胞に運び、代謝の老廃物を取り除きます。 血液には、多くの生理学的機能に関与する細胞成分、ホルモン、およびその他の分子も含まれています。 血液は、心臓の活動によって押し出された、比較的十分に閉鎖された高圧の血管循環系内を流れます。 高圧のため液漏れが発生します。 リンパ系は、軟部組織や臓器を介して枝分かれする小さくて薄い壁のリンパ毛細血管の細かいメッシュの形で、排水システムを表します。

血液は、液相 (血漿、55%) と固体血球 (45%) の混合物です。 血漿には、タンパク質 (アルブミン、グロブリン、フィブリノゲン)、有機酸 (乳酸、グルタミン酸、クエン酸) およびその他の多くの物質 (脂質、リポタンパク質、糖タンパク質、酵素、塩、生体異物など) が含まれています。 血球要素には、赤血球 (Er)、白血球、網状赤血球、単球、および血小板が含まれます。

毒物は分子やイオンとして吸収されます。 血液 pH の一部の毒物は、この液体中で XNUMX 番目の形態としてコロイド粒子を形成します。 毒物の分子、イオン、およびコロイドは、血液中を移動するさまざまな可能性があります。

  •  物理的または化学的に血液要素、主にErに結合すること
  •  遊離状態で血漿に物理的に溶解する
  •  XNUMXつまたは複数のタイプの血漿タンパク質に結合するか、有機酸と複合体を形成するか、血漿の他の画分に結合します。

 

血液中の毒性物質のほとんどは、部分的に血漿中に遊離状態で存在し、部分的に赤血球および血漿成分に結合しています。 分布は、これらの成分に対する毒性物質の親和性に依存します。 すべての画分は動的平衡状態にあります。

一部の毒物は、血液要素によって運ばれます。大部分は赤血球によって運ばれ、白血球によって運ばれることはほとんどありません。 毒物は、Er の表面に吸着するか、間質のリガンドに結合することができます。 それらが Er に浸透すると、ヘム (一酸化炭素やセレンなど) またはグロビン (Sb) に結合することができます。111、ポー210)。 Er によって運ばれる有毒物質には、ヒ素、セシウム、トリウム、ラドン、鉛、ナトリウムなどがあります。 六価クロムは排他的にErに結合し、三価クロムは血漿のタンパク質に結合します。 亜鉛の場合、Er とプラズマの間で競合が発生します。 鉛の約 96% は Er によって輸送されます。 有機水銀は主に Er に結合し、無機水銀は主に血漿アルブミンによって運ばれます。 ベリリウム、銅、テルル、ウランのごく一部が Er によって運ばれます。

毒物の大部分は、血漿または血漿タンパク質によって輸送されます。 多くの電解質は、解離していない分子がプラズマ画分に遊離または結合した状態で平衡状態にあるイオンとして存在します。 この有毒物質のイオン画分は非常に拡散性が高く、毛細血管の壁を通って組織や臓器に浸透します。 ガスや蒸気はプラズマに溶解できます。

血漿タンパク質は総表面積が約600~800kmあります2 有毒物質の吸収のために提供されます。 アルブミン分子は、約 109 の陽イオン性リガンドと 120 の陰イオン性リガンドをイオンの処分で所有しています。 ジニトロクレゾールおよびオルトクレゾール、芳香族炭化水素のニトロ誘導体およびハロゲン化誘導体、フェノールなどの化合物と同様に、多くのイオンがアルブミン (銅、亜鉛、カドミウムなど) によって部分的に運ばれます。

グロブリン分子 (アルファおよびベータ) は、有毒物質の小分子、一部の金属イオン (銅、亜鉛、鉄) およびコロイド粒子を輸送します。 フィブリノーゲンは、特定の小分子に対して親和性を示します。 多くの種類の結合が毒物の血漿タンパク質への結合に関与する可能性があります: ファン デル ワールス力、電荷の引力、極性基と非極性基の間の会合、水素橋、共有結合。

血漿リポタンパク質は、PCB などの親油性毒物を輸送します。 他の血漿画分も輸送媒体として機能します。 血漿タンパク質に対する毒性物質の親和性は、分布中の組織および器官内のタンパク質に対する毒性物質の親和性を示唆しています。

有機酸 (乳酸、グルタミン、クエン酸) は、いくつかの毒物と複合体を形成します。 アルカリ土類および希土類、ならびに陽イオンの形態の一部の重元素は、有機オキシ酸およびアミノ酸とも錯体を形成しています。 これらの複合体はすべて拡散性があり、組織や臓器に容易に分布します。

トランスフェリンやメタロチオネインなどの血漿中の生理学的キレート剤は、陽イオンを求めて有機酸やアミノ酸と競合し、安定したキレートを形成します。

拡散性遊離イオン、一部の複合体、および一部の遊離分子は、血液から組織や臓器に容易に除去されます。 イオンと分子の遊離部分は、結合部分と動的平衡状態にあります。 血液中の毒性物質の濃度は、組織や臓器への分布速度、またはそれらから血液への移動速度を支配します。

生物における毒物の分布

人間の体は次のように分けられます。 コンパートメント. (1) 内臓、(2) 皮膚と筋肉、(3) 脂肪組織、(4) 結合組織と骨。 この分類は、ほとんどの場合、血管 (血液) 灌流の程度に基づいています。 たとえば、総重量のわずか 12% を占める内臓 (脳を含む) は、総血液量の約 75% を受け取ります。 一方、結合組織と骨 (総体重の 15%) は、総血液量の XNUMX% しか受け取りません。

十分に灌流された内臓は、通常、最短時間で最高濃度の毒物を達成し、血液とこのコンパートメントの間の平衡を達成します. 灌流の少ない組織による毒性物質の取り込みははるかに遅くなりますが、灌流が低いため、保持は高くなり、滞留期間 (蓄積) がはるかに長くなります。

毒性物質の細胞内分布には XNUMX つの要素が重要です。さまざまな組織や器官の細胞内の水分、脂質、タンパク質の含有量です。 上記のコンパートメントの順序は、セル内の水分含有量の減少にも密接に従います。 親水性の毒物は体液と水分含有量の高い細胞により迅速に分配され、親油性の毒物は脂質含有量の高い細胞 (脂肪組織) に分配されます。

この生物は、以下のような特定の臓器や組織への、主に親水性のいくつかのグループの毒性物質の浸透を損なういくつかの障壁を持っています。

  • 血液脳関門 (脳脊髄関門) は、脳や CNS への高分子や親水性毒物の浸透を制限します。 この障壁は、内皮細胞の密接に結合した層で構成されています。 したがって、親油性毒物はそれを透過することができます
  • 母親の血液から胎児への毒性物質の浸透に同様の影響を与える胎盤関門
  • 毛細血管の壁にある組織血液学的バリアであり、イオンだけでなく、小および中サイズの分子、一部のより大きな分子も透過します。

 

前述のように、血漿中の遊離形態の毒性物質 (分子、イオン、コロイド) のみが、分布に関与する毛細血管壁を通過できます。 この遊離画分は、結合画分と動的平衡状態にあります。 血液中の毒性物質の濃度は、臓器や組織の濃度と動的平衡にあり、それらからの保持 (蓄積) または動員を支配します。

生体の状態、臓器の機能状態(特に神経液性調節)、ホルモンバランス、およびその他の要因が分布に影響を与えます。

特定のコンパートメントでの毒性物質の保持は、一般に一時的なものであり、他の組織への再分布が発生する可能性があります。 保持と蓄積は、吸収率と排出率の差に基づいています。 コンパートメントでの滞留期間は、生物学的半減期で表されます。 これは、有毒物質の 50% が組織または臓器から除去され、生物から再分配、移動、または排除される時間間隔です。

生体内変化プロセスは、さまざまな臓器や組織での分布と保持中に発生します。 生体内変化は、より極性が高く、より親水性の代謝物を生成し、より簡単に排除されます。 親油性毒性物質の生体内変化率が低いと、一般にコンパートメントに蓄積します。

毒性物質は、特定のコンパートメントでの親和性、優勢な保持および蓄積に従って、XNUMX つの主要なグループに分けることができます。

  1. 体液に溶ける毒素は、コンパートメントの水分量に応じて均一に分布しています。 多くの一価陽イオン (例: リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム) と一部の陰イオン (例: 塩素、臭素) は、このパターンに従って分布しています。
  2. 親油性毒性物質は、脂質が豊富な臓器 (CNS) および組織 (脂肪、脂肪) に対して高い親和性を示します。
  3. コロイド粒子を形成する毒物は、臓器や組織の細網内皮系 (RES) の特殊な細胞によって捕捉されます。 三価および四価の陽イオン (ランタン、セシウム、ハフニウム) は、組織や臓器の RES に分布しています。
  4. 骨および結合組織に対して高い親和性を示す毒物(骨向性元素、ボーンシーカー)には、二価カチオン(例、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、ラドン、ベリリウム、アルミニウム、カドミウム、鉛)が含まれます。

 

脂質が豊富な組織への蓄積

体重 70kg の「標準的な男性」には、体重の約 15% の脂肪組織が含まれており、肥満とともに 50% まで増加します。 ただし、この脂質画分は均一に分布していません。 脳 (CNS) は脂質が豊富な器官であり、末梢神経は脂質が豊富なミエリン鞘とシュワン細胞で包まれています。 これらの組織はすべて、親油性毒物が蓄積する可能性があります。

適切なネルンスト分配係数を持つ多数の非電解質および非極性毒性物質、ならびに多数の有機溶媒 (アルコール、アルデヒド、ケトンなど)、塩素化炭化水素 (DDT などの有機塩素系殺虫剤を含む)、一部の不活性ガス(ラドン)など

脂肪組織は、血管新生が低く、生体内変化率が低いため、毒物を蓄積します。 ここで、毒性物質の蓄積は、毒性効果の標的がないため、一種の一時的な「中和」を表している可能性があります。 しかし、このコンパートメントから循環への毒性物質の動員の可能性により、生物に対する潜在的な危険が常に存在します。

脳 (CNS) または末梢神経系のミエリン鞘の脂質が豊富な組織に毒物が沈着すると、非常に危険です。 神経毒性物質は、標的のすぐ隣に置かれます。 内分泌腺の脂質が豊富な組織に保持された毒性物質は、ホルモン障害を引き起こす可能性があります。 血液脳関門にもかかわらず、親油性の多くの神経毒が脳 (CNS) に到達します: 麻酔薬、有機溶剤、殺虫剤、四エチル鉛、有機水銀剤など。

細網内皮系での保持

各組織や臓器では、特定の割合の細胞が食作用に特化しており、微生物、粒子、コロイド粒子などを飲み込んでいます。 このシステムは網内系 (RES) と呼ばれ、固定された細胞と移動する細胞 (食細胞) で構成されます。 これらの細胞は非活性型で存在します。 上述の微生物および粒子の増加は、細胞を飽和点まで活性化する。

コロイド状の毒物は、臓器や組織のRESによって捕捉されます。 分布はコロイドの粒子サイズに依存します。 より大きな粒子の場合、肝臓での保持が優先されます。 コロイド粒子が小さいほど、脾臓、骨髄、肝臓の間で多かれ少なかれ均一な分布が生じます。 RES からのコロイドのクリアランスは非常に遅いですが、小さな粒子は比較的速くクリアされます。

骨への蓄積

約 60 の要素がオステオトロピック要素、またはボーン シーカーとして識別できます。

オステオトロピック要素は、次の XNUMX つのグループに分けることができます。

  1. 骨の生理学的構成要素を表す、または置き換える要素。 XNUMX のそのような要素がより多くの量で存在します。 他のものは微量に現れます。 慢性暴露の条件下では、鉛、アルミニウム、水銀などの有毒金属も骨細胞のミネラルマトリックスに入る可能性があります.
  2. カルシウムと同様のイオン直径を持つカチオンを形成するアルカリ土類およびその他の元素は、骨ミネラル中でカルシウムと交換可能です。 また、一部の陰イオンは、骨ミネラルの陰イオン (リン酸、ヒドロキシル) と交換可能です。
  3. マイクロコロイド(希土類)を形成する元素は、骨ミネラルの表面に吸着している可能性があります。

 

標準的な男性の骨格は、総体重の 10 ~ 15% を占めており、これは骨向性毒物を貯蔵する可能性のある貯蔵庫となる可能性があります。 骨は、54% のミネラルと 38% の有機マトリックスからなる高度に特殊化された組織です。 骨のミネラルマトリックスはハイドロキシアパタイト、Ca10(PO4)6(ああ)2 ここで、Ca と P の比率は約 1.5 対 100 です。 吸着可能な鉱物の表面積は約XNUMXm2 骨XNUMXgあたり。

骨格の骨の代謝活動は、次の XNUMX つのカテゴリに分けることができます。

  • 吸収と新しい骨の形成、または既存の骨のリモデリングのプロセスが非常に広範囲に及ぶ活動的な代謝骨。
  • リモデリングまたは成長率が低い安定した骨。

 

胎児、幼児、幼児の代謝性骨 (「利用可能な骨格」を参照) は、骨格のほぼ 100% を占めています。 年齢とともに、この代謝骨の割合は減少します。 暴露中の毒性物質の取り込みは、代謝骨およびよりゆっくりと回転するコンパートメントに現れます。

毒物が骨に取り込まれるには、次の XNUMX つの方法があります。

  1. イオンの場合、生理学的に存在するカルシウム陽イオンまたは陰イオン (リン酸塩、ヒドロキシル) とのイオン交換が起こります。
  2. コロイド粒子を形成する毒物は、鉱物表面に吸着します。

 

イオン交換反応

骨のミネラルであるヒドロキシアパタイトは、複雑なイオン交換システムを表しています。 カルシウム陽イオンは、さまざまな陽イオンと交換できます。 骨に存在する陰イオンは、陰イオンによって交換することもできます: リン酸塩はクエン酸塩および炭酸塩と、ヒドロキシルはフッ素と交換されます。 交換できないイオンは、鉱物の表面に吸着することができます。 毒物イオンがミネラルに取り込まれると、ミネラルの新しい層がミネラルの表面を覆い、毒物を骨構造に埋めます。 イオン交換は、イオンの濃度、pH、および液体の量に応じて、可逆的なプロセスです。 したがって、例えば、食事中のカルシウムの増加は、ミネラル格子中の毒物イオンの沈着を減少させる可能性があります。 イオン交換は継続しますが、年齢とともに代謝骨の割合が減少することが言及されています。 加齢に伴い、骨密度が実際に低下する骨密度の吸収が起こります。 この時点で、骨の毒物が放出される可能性があります (例: 鉛)。

骨ミネラルに取り込まれたイオンの約 30% は緩く結合されており、交換され、天然のキレート剤によって捕捉され、15 日間の生物学的半減期で排泄されます。 残りの 70% はよりしっかりと結合されています。 この画分の動員と排泄は、骨のタイプに応じて 2.5 年以上の生物学的半減期を示します (リモデリング プロセス)。

キレート剤 (Ca-EDTA、ペニシラミン、BAL など) はかなりの量の重金属を動員することができ、尿中への排泄が大幅に増加します。

コロイド吸着

鉱物表面にコロイド粒子が膜として吸着(100m)2 ファンデルワールス力または化学吸着による。 ミネラル表面のコロイドのこの層は、形成されたミネラルの次の層で覆われており、毒物は骨構造にさらに埋もれています. 動員と排除の速度は、改造プロセスに依存します。

髪や爪への蓄積

髪と爪にはケラチンが含まれており、スルフヒドリル基は水銀や鉛などの金属カチオンをキレート化することができます.

細胞内の毒物分布

最近、組織や臓器の細胞内の毒性物質、特に一部の重金属の分布が重要になっています。 超遠心分離技術を使用すると、細胞のさまざまな画分を分離して、金属イオンやその他の毒性物質の含有量を決定できます。

動物実験では、細胞に浸透した後、いくつかの金属イオンが特定のタンパク質であるメタロチオネインに結合することが明らかになりました。 この低分子量タンパク質は、肝臓、腎臓、その他の臓器や組織の細胞に存在します。 そのスルフヒドリル基は、XNUMX 分子あたり XNUMX つのイオンと結合できます。 金属イオンの存在が増加すると、このタンパク質の生合成が誘導されます。 カドミウムイオンは最も強力な誘導物質です。 メタロチオネインは、重要な銅イオンと亜鉛イオンの恒常性を維持する役割も果たします。 メタロチオネインは、亜鉛、銅、カドミウム、水銀、ビスマス、金、コバルト、およびその他の陽イオンを結合できます。

毒性物質の生体内変化と除去

さまざまな組織や器官の細胞内に保持されている間、毒物は酵素にさらされて生体内変換 (代謝) され、代謝物が生成されます。 毒物および/または代謝産物の除去には多くの経路があります: 肺を介した呼気、腎臓を介した尿、胃腸を介した胆汁、皮膚を介した汗、口粘膜を介した唾液、腸を介した牛乳乳腺、および正常な成長と細胞代謝回転による髪と爪によって。

吸収された毒物の除去は、侵入口によって異なります。 肺では、吸収/脱着プロセスがすぐに開始され、毒物は吐き出された空気によって部分的に除去されます。 他の侵入経路によって吸収された毒性物質の排除は長期化され、血液による輸送後に始まり、最終的には分布と生体内変化の後に完了します。 吸収中、血中と組織および臓器中の毒物の濃度の間に平衡が存在します。 排泄は毒物の血中濃度を低下させ、組織から血中への毒物の動員を誘発する可能性があります。

多くの要因が、身体からの毒物とその代謝物の排出速度に影響を与える可能性があります。

  • 毒性物質の物理化学的性質、特にネルンスト分配係数 (P)、解離定数 (pKa)、極性、分子構造、形状と重量
  • 暴露レベルと暴露後除去の時間
  • 入り口
  • 血液および血液灌流との交換レートが異なる身体コンパートメントでの分布
  • 親油性毒物からより親水性の代謝物への生体内変化率
  • 生物の全体的な健康状態、特に排泄器官(肺、腎臓、GIT、皮膚など)の健康状態
  • 除去を妨げる可能性のある他の毒物の存在。

 

ここでは、コンパートメントの 1 つのグループを区別します。 急速交換システム— これらのコンパートメントでは、毒性物質の組織濃度は血液の濃度に似ています。 および (2) 低速交換システム結合と蓄積により、毒性物質の組織濃度が血中よりも高い場合、脂肪組織、骨格、および腎臓は、ヒ素や亜鉛などの毒性物質を一時的に保持することができます.

毒物は、XNUMX つ以上の排泄経路から同時に排泄されることがあります。 ただし、通常は XNUMX つのルートが支配的です。

科学者たちは、特定の毒物の排泄を記述する数学的モデルを開発しています。 これらのモデルは、XNUMX つまたは両方のコンパートメント (交換システム)、生体内変化などからの動きに基づいています。

肺を介した呼気による排出

揮発性の高い毒物(有機溶媒など)では、肺を介した排出(脱着)が一般的です。 血液への溶解度が低いガスや蒸気はこの方法で迅速に除去されますが、血液への溶解度が高い毒物は他の経路で除去されます。

消化管または皮膚に吸収された有機溶媒は、十分な蒸気圧がある場合、血液が肺を通過するたびに吐き出された空気によって部分的に排泄されます。 飲酒運転の疑いがある場合に使用される飲酒検査は、この事実に基づいています。 呼気中の CO 濃度は、CO-Hb 血中濃度と平衡状態にあります。 放射性ガスのラドンは、骨格に蓄積されたラジウムの崩壊により、吐き出された空気中に現れます。

吐き出された空気による毒性物質の排出量は、暴露後の時間との関係で、通常、XNUMX 段階の曲線で表されます。 第 XNUMX 段階は、血液からの毒物の除去を表し、短い半減期を示します。 XNUMX 番目の遅い段階は、組織や臓器との血液の交換による排泄です (クイック交換システム)。 XNUMX 番目の非常にゆっくりとした段階は、血液と脂肪組織および骨格との交換によるものです。 毒物がそのようなコンパートメントに蓄積されていない場合、曲線は XNUMX 段階になります。 場合によっては、XNUMX 相曲線も可能です。

ばく露後の呼気中のガスおよび蒸気の測定は、作業員のばく露評価に使用されることがあります。

腎排泄

腎臓は、生物の恒常性を維持しながら、多数の水溶性毒物および代謝産物の排泄に特化した器官です。 各腎臓には、排泄を行うことができる約 XNUMX 万個のネフロンがあります。 腎排泄は、次の XNUMX つの異なるメカニズムを含む非常に複雑なイベントです。

  • ボーマン嚢による糸球体濾過
  • 近位尿細管の能動輸送
  • 遠位尿細管の受動輸送。

 

腎臓から尿への毒性物質の排泄は、ネルンスト分配係数、尿の解離定数と pH、分子サイズと形状、より親水性の代謝産物への代謝速度、および腎臓の健康状態に依存します。

毒物またはその代謝産物の腎排泄の動態は、血液との交換速度が異なるさまざまな身体コンパートメントにおける特定の毒物の分布に応じて、XNUMX、XNUMX、または XNUMX 段階の排泄曲線で表すことができます。

唾液

一部の薬物および金属イオンは、唾液によって口の粘膜から排泄される可能性があります。たとえば、鉛 (「リード線」)、水銀、ヒ素、銅、臭化物、ヨウ化物、エチル アルコール、アルカロイドなどです。 その後、毒物は飲み込まれ、GIT に到達し、そこで糞便によって再吸収または排泄されます。

多くの非電解質は汗によって皮膚から部分的に排出されます: エチルアルコール、アセトン、フェノール、二硫化炭素、塩素化炭化水素。

ミルク

多くの金属、有機溶剤、および一部の有機塩素系農薬 (DDT) は、母乳中の乳腺を介して分泌されます。 この経路は、授乳中の乳児にとって危険である可能性があります。

ヘア

髪の分析は、いくつかの生理学的物質の恒常性の指標として使用できます。 また、一部の有毒物質、特に重金属への曝露は、この種のバイオアッセイによって評価できます。

体内からの有毒物質の除去は、次の方法で増やすことができます。

  • 胃洗浄、輸血または透析による機械的転座
  • 食事によって有毒物質を動員する生理的条件の作成、ホルモンバランスの変化、利尿薬の適用による腎機能の改善
  • 錯化剤(クエン酸塩、シュウ酸塩、サリチル酸塩、リン酸塩)またはキレート剤(Ca-EDTA、BAL、ATA、DMSA、ペニシラミン)の投与; この方法は、厳格な医学的管理下にある人にのみ適応されます。 キレート剤の適用は、治療の過程で暴露された労働者の体から重金属を除去するためによく使用されます。 この方法は、全身負担や過去の暴露レベルの評価にも使用されます。

 

ばく露判定

血液、呼気、尿、汗、糞便、および毛髪中の毒物および代謝物の測定は、ヒトへの暴露の評価 (暴露試験) および/または中毒の程度の評価にますます使用されています。 したがって、生物学的暴露限界 (生物学的 MAC 値、生物学的暴露指数 - BEI) が最近確立されました。 これらのバイオアッセイは、有機体の「内部暴露」、つまり、すべての侵入口による作業環境と生活環境の両方での身体の総暴露を示します (「毒性試験方法: バイオマーカー」を参照)。

多重暴露による複合効果

職場および/または生活環境にいる人々は、通常、さまざまな物理的および化学的因子に同時にまたは連続してさらされています。 また、薬の服用、喫煙、飲酒、添加物を含む食品の摂取なども考慮する必要があります。 これは、通常、多重露光が発生していることを意味します。 物理的および化学的作用物質は、トキシコキネティックスおよび/またはトキシコダイナミクス プロセスの各段階で相互作用し、次の XNUMX つの影響をもたらす可能性があります。

  1. 独立した. 各薬剤は、異なる作用機序により異なる効果を生み出します。
  2. 相乗的. 組み合わせた効果は、それぞれの単独の効果よりも大きくなります。 ここでは、XNUMX つのタイプを区別します。(a) 組み合わせた効果が各薬剤によって個別に生成された効果の合計に等しい相加効果と、(b) 組み合わせた効果が相加効果より大きい増強効果です。
  3. 拮抗的. 複合効果は相加効果よりも低くなります。

 

ただし、複合効果に関する研究はまれです。 この種の研究は、さまざまな要因とエージェントの組み合わせにより、非常に複雑です。

人体が XNUMX つ以上の毒物に同時にまたは連続して暴露された場合、トキシコキネティック プロセスの速度を増減させる複合効果の可能性を考慮する必要があると結論付けることができます。

 

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月曜日、12月20 2010 19:21

標的臓器と重大な影響

職業および環境毒物学の優先目標は、一般環境および職業環境における有害物質への暴露による健康への影響の防止または実質的な制限を改善することです。 この目的のために、特定の暴露に関連する定量的リスク評価のためのシステムが開発されました (「規制毒物学」のセクションを参照)。

特定のシステムや器官に対する化学物質の影響は、暴露の大きさと、暴露が急性か慢性かに関連しています。 XNUMX つのシステムまたは臓器内でも毒性効果の多様性を考慮して、さまざまな環境媒体における毒性物質のリスク評価および健康に基づく推奨濃度限界の開発を目的として、重要な臓器および重要な効果に関する統一された哲学が提案されています。 .

予防医学の観点からは、早期の影響を防止または制限することで、より深刻な健康への影響が発生するのを防ぐことができるという一般的な仮定に基づいて、早期の悪影響を特定することが特に重要です。

このようなアプローチは、重金属に適用されています。 鉛、カドミウム、水銀などの重金属は、活動の慢性的な影響が臓器への蓄積に依存する特定の毒性物質グループに属していますが、以下に示す定義は、金属毒性に関するタスク グループ (Nordberg 1976)。

金属毒性に関するタスク グループによって提案された重要臓器の定義は、わずかな修正を加えて採用されました。 金属 という表現に置き換えられました。 潜在的に有毒な物質 (ダフス 1993)。

特定の臓器またはシステムが重要であると見なされるかどうかは、有害物質の毒物力学だけでなく、吸収経路と曝露された集団にも依存します。

  • セルの臨界濃度: 細胞内で可逆的または不可逆的な有害な機能変化が起こる濃度。
  • 重要臓器濃度: 臓器内で最も感受性の高いタイプの細胞が臨界濃度に達する時点での臓器内の平均濃度。
  • 重要臓器: 特定の暴露環境下で、特定の人口に対して、金属の臨界濃度に最初に到達する特定の臓器。
  • クリティカル効果: 個体における用量と影響との関係における定義されたポイント、すなわち、重要臓器の細胞機能に悪影響が生じるポイント。 重要な臓器に金属の臨界濃度を与えるよりも低い曝露レベルでは、細胞機能自体を損なうことはないが、生化学的およびその他の試験によって検出可能な影響が発生する可能性があります。 そのような効果は次のように定義されます。 亜臨界効果.

 

亜臨界効果の生物学的意味は不明な場合があります。 それは、曝露バイオマーカー、適応指数、または重大な影響の前駆体を表す場合があります (「毒性試験方法: バイオマーカー」を参照)。 後者の可能性は、予防活動の観点から特に重要である可能性があります。

表 1 は、さまざまな化学物質の重要な臓器と影響の例を示しています。 カドミウムへの慢性的な環境曝露では、吸収経路はさほど重要ではありません (カドミウムの空気中濃度は 10 ~ 20μg/mXNUMX の範囲です)。3 都市部で 1 ~ 2 μg/m3 農村地域では)、重要な臓器は腎臓です。 TLVが50μg/mに達する職業環境では3 吸入が主な暴露経路であるため、肺と腎臓の XNUMX つの臓器が重要と見なされます。

表 1. 重要な臓器と重要な影響の例

物質 慢性暴露における重要臓器 クリティカル効果
カドミウム 肺臓 非閾値:
肺がん (単位リスク 4.6 x 10-3)
  腎臓 しきい値:
低分子タンパク質(β2 –M、RBP) 尿中
  肺臓 肺気腫 わずかな機能変化
Lead 大人
造血系
尿中のデルタ-アミノレブリン酸排泄の増加 (ALA-U); 赤血球中の遊離赤血球プロトポルフィリン(FEP)濃度の増加
  末梢神経系 より遅い神経線維の伝導速度の低下
水銀(エレメンタル) 幼児
中枢神経系
IQの低下およびその他の微妙な影響; 水銀性振戦(指、唇、まぶた)
水銀(水銀) 腎臓 タンパク尿
マンガン 大人
中枢神経系
精神運動機能の障害
  子供達
肺臓
呼吸器症状
  中枢神経系 精神運動機能の障害
トルエン 粘膜 刺激
塩化ビニル 肝臓
(血管肉腫単位リスク 1 x 10-6 )
酢酸エチル 粘膜 刺激

 

鉛の場合、成人の重要な臓器は造血系と末梢神経系であり、重要な影響 (例、遊離赤血球プロトポルフィリン濃度 (FEP) の上昇、尿中のδ-アミノレブリン酸の排泄の増加、または末梢神経伝導障害) が現れるのは次の場合です。血中鉛濃度(システム内の鉛吸収の指標)は 200 ~ 300μg/l に近づきます。 小さな子供の場合、重要な臓器は中枢神経系 (CNS) であり、心理検査バッテリーを使用して検出される機能障害の症状は、約 100μg/l Pb の範囲の濃度でさえ、検査された集団に現れることがわかっています。血で。

概念の意味をよりよく反映する他の多くの定義が定式化されています。 WHO (1989) によると、臨界効果は、「臨界臓器で閾値 (臨界) 濃度または用量に達したときに現れる最初の悪影響」と定義されています。 濃度の閾値が定義されていない癌などの有害作用は、しばしば重大なものと見なされます。 影響が重大であるかどうかの決定は、専門家の判断の問題です。」 化学物質安全性に関する国際プログラム (IPCS) のガイドラインでは、 環境衛生基準文書、重要な影響は、「耐容摂取量を決定するために最も適切であると判断される悪影響」として説明されています。 後者の定義は、一般環境における健康に基づく暴露限界を評価する目的で直接策定されました。 この文脈において、最も重要なことは、どの効果が悪影響と見なされるかを決定することであると思われる. 現在の用語に従うと、悪影響は「生物の形態、生理学、成長、発達、または寿命の変化であり、その結果、追加のストレスを補う能力が損なわれるか、他の環境影響の有害な影響に対する感受性が高まります。 何らかの影響が有害であるかどうかの決定には、専門家の判断が必要です。」

図 1 は、さまざまな効果に対する仮想的な用量反応曲線を示しています。 鉛への曝露の場合、 A 亜臨界効果(赤血球ALA-デヒドラターゼの阻害)を表すことができます。 B 重要な効果(赤血球亜鉛プロトポルフィリンの増加またはδ-アミノレブリン酸の排泄の増加、 C 臨床効果(貧血)および D 致命的な効果(死)。 鉛暴露については、暴露の特定の影響が血中の鉛濃度 (用量の実際の対応物) にどのように依存しているかを、用量反応関係の形で、またはさまざまな変数 (性別、年齢など) との関係で示す豊富な証拠があります。 .)。 ヒトにおける重要な影響とそのような影響の用量反応関係を決定することにより、特定の集団における特定の用量またはその対応物(生体物質の濃度)に対する特定の影響の頻度を予測することが可能になります。

図 1. さまざまな影響に対する仮説上の用量反応曲線

TOX080F1

重大な影響には、閾値があると考えられるものと、どのような曝露レベルでも何らかのリスクがあると考えられるもの (非閾値、遺伝毒性発がん物質および生殖変異原物質) の 200 種類があります。 可能な限り、適切な人間のデータをリスク評価の基礎として使用する必要があります。 一般集団の閾値効果を決定するために、暴露レベル (耐容摂取量、暴露のバイオマーカー) に関する仮定は、特定の有害物質に暴露された集団における重大な影響の頻度が頻度に対応するように行われなければなりません。一般集団におけるその効果の。 鉛暴露では、一般集団の最大推奨血中鉛濃度 (100μg/l、中央値は 1987μg/l 未満) (WHO 10) は、想定される重大な影響の閾値 (遊離赤血球プロトポルフィリン濃度の上昇) を実質的に下回っています。小児の中枢神経系への影響または成人の血圧への影響に関連するレベルを下回っていません。 一般に、観察された悪影響レベルを定義する適切に実施されたヒト集団研究からのデータが安全性評価の基礎である場合、400 の不確実係数が適切であると考えられています。 職業被ばくの場合、重大な影響は人口の特定の部分 (例えば 10%) に関係している可能性があります。 したがって、職業上の鉛曝露では、血中鉛の推奨される健康ベースの濃度は男性では 5mg/l であると採用されており、約 300 ~ 400mg/l の PbB 濃度で 200mg/l の ALA-U に対する 10% の応答レベルが発生しました。 . カドミウムへの職業的暴露 (低重量タンパク質の尿中排泄の増加が重大な影響であると仮定) については、腎皮質における 1996ppm のカドミウムのレベルが許容値と見なされてきました。暴露人口。 これらの値は両方とも、現在 (つまり XNUMX 年) 多くの国で引き下げが検討されています。

遺伝毒性発がん物質など、重大な影響が閾値を持たない可能性がある化学物質のリスク評価のための適切な方法論について、明確なコンセンサスはありません。 このような影響の評価には、主に用量反応関係の特徴付けに基づく多くのアプローチが採用されています。 発がん性物質による健康リスクが社会政治的に受け入れられていないため、 ヨーロッパの大気質ガイドライン (WHO 1987)、単位生涯リスクなどの値のみ (つまり、1 μg/m への生涯曝露に関連するリスク)3 有害物質の影響)は、非閾値効果について提示されています(「規制毒物学」を参照)。

現在、リスク評価のための活動を行う基本的なステップは、重要な臓器と重要な影響を決定することです。 重大な影響と有害な影響の両方の定義は、特定の臓器またはシステム内の影響のうちどれを重大と見なすべきかを決定する責任を反映しており、これは、一般環境における特定の化学物質の推奨値のその後の決定に直接関係しています。 -例えば、 ヨーロッパの大気質ガイドライン (WHO 1987) または職業被ばくの健康に基づく制限 (WHO 1980)。 亜臨界影響の範囲内から臨界影響を決定することは、一般環境または職業環境における有毒化学物質濃度の推奨限度を実際に維持することが不可能な状況につながる可能性があります。 初期の臨床効果と重複する可能性のある効果を重要なものと見なすと、母集団の一部で悪影響が発生する可能性のある値が採用される可能性があります。 特定の影響を重大と見なすべきかどうかの決定は、毒性とリスク評価を専門とする専門家グループの責任のままです。

 

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月曜日、12月20 2010 19:23

年齢、性別、その他の要因の影響

有毒化学物質に対する反応の強さ、および生涯にわたる個人の感受性の変動には、多くの場合、人間の間で大きな違いがあります。 これらは、特定の化学物質の吸収率、体内分布、生体内変化、および/または排泄率に影響を与える可能性のあるさまざまな要因に起因する可能性があります。 ヒトの化学毒性に対する感受性の増加と関連があることが明確に示されている既知の遺伝的要因 (「毒性反応の遺伝的決定要因」を参照) とは別に、他の要因には以下が含まれます。 既存の疾患状態または臓器機能の低下 (非遺伝性、すなわち後天性); 食生活、喫煙、飲酒、薬の使用。 生物毒素 (さまざまな微生物) および物理的要因 (放射線、湿度、特にガスの分圧に関連する極度の低温または高温または気圧) への同時曝露、ならびに付随する運動または心理的ストレス状況; 特定の化学物質への以前の職業的および/または環境的暴露、および特に他の化学物質への同時暴露、 必然的に有毒(例えば、必須金属)。 健康への悪影響に対する感受性の増加または減少における前述の要因の考えられる寄与、およびそれらの作用メカニズムは、特定の化学物質に固有のものです。 したがって、最も一般的な要因、基本的なメカニズム、およびいくつかの特徴的な例のみをここに示しますが、特定の化学物質に関する具体的な情報は、このドキュメントの他の場所で見つけることができます。 百科事典.

これらの要因が作用する段階 (特定の化学物質の吸収、分布、生体内変化、または排泄) に従って、メカニズムは相互作用の 1 つの基本的な結果に従って大まかに分類できます。すなわち、生物におけるその影響の部位(トキシコキネティック相互作用)、または(2)標的器官における化学物質の量に対する特定の反応の強度の変化(トキシコダイナミクス相互作用) . いずれかのタイプの相互作用の最も一般的なメカニズムは、他の化学物質との、生体内での輸送に関与する同じ化合物 (例: 特定の血清タンパク質) への結合および/または同じ生体内変化経路 (例:特定の酵素) 最初の反応と最終的な健康への悪影響の間の速度またはシーケンスの変化をもたらします。 しかし、トキシコキネティックとトキシコダイナミクスの両方の相互作用が、特定の化学物質に対する個人の感受性に影響を与える可能性があります。 いくつかの付随する要因の影響により、次のいずれかが発生する可能性があります。 追加効果—複合効果の強度は、各因子によって個別に生成された効果の合計に等しい、(b) 相乗効果—複合効果の強度が、各要因によって個別に生み出された効果の合計よりも大きい、または (c) 拮抗作用-複合効果の強度は、各要因によって個別に生成された効果の合計よりも小さい.

特定の有毒な化学物質または特徴的な代謝物の人体への影響部位における量は、生物学的モニタリングによって多かれ少なかれ評価することができます。重要な臓器と測定された生物学的コンパートメントの両方における特定の化学物質の生物学的半減期を考慮に入れます。 しかし、人間の個々の感受性に影響を与える可能性のある他の要因に関する信頼できる情報は一般的に不足しており、その結果、さまざまな要因の影響に関する知識の大部分は実験動物のデータに基づいています.

場合によっては、同等レベルに対する反応の強さ、および/または多くの有毒化学物質への曝露期間において、ヒトと他の哺乳類との間に比較的大きな違いが存在することを強調しておく必要があります。 たとえば、人間はラットよりもいくつかの有毒金属の健康への悪影響に対してかなり敏感であるように思われます (実験動物研究で一般的に使用されます)。 これらの違いのいくつかは、さまざまな化学物質の輸送、分布、および生体内変換経路が、組織の pH および生体内の酸化還元平衡の微妙な変化 (さまざまな酵素の活性と同様) に大きく依存しているという事実に起因する可能性があります。ヒトの酸化還元系は、ラットのそれとはかなり異なります。

これは明らかに、ビタミン C やグルタチオン (GSH) などの重要な抗酸化物質に当てはまります。これらは酸化還元平衡を維持するために不可欠であり、酸素または生体異物由来のフリーラジカルの悪影響から保護する役割を果たします。さまざまな病理学的状態 (Kehrer 1993)。 ラットとは異なり、ヒトはビタミン C を自己合成することができず、ヒトの赤血球 GSH のレベルとターンオーバー率はラットよりもかなり低い. ヒトはまた、ラットや他の哺乳動物と比較して、保護的な抗酸化酵素のいくつかを欠いています (例えば、GSH-ペルオキシダーゼはヒトの精子では活性が低いと考えられています)。 これらの例は、ヒトの酸化ストレスに対する脆弱性が潜在的に大きいことを示しています (特に感受性細胞では、例えば、毒性の影響に対するヒトの精子の脆弱性は、ラットの精子より明らかに大きい)。他の哺乳類と比較して、人間のさまざまな要因 (Telišman 1995)。

年齢の影響

大人と比較して、非常に幼い子供は、腸上皮の透過性が高いため吸入量と胃腸吸収速度が比較的大きく、解毒酵素系が未熟で有毒化学物質の排泄速度が比較的小さいため、化学物質毒性の影響を受けやすいことがよくあります。 . 中枢神経系は、鉛やメチル水銀などのさまざまな化学物質の神経毒性に関して、発生の初期段階で特に影響を受けやすいようです。 一方、高齢者は、化学物質への曝露歴や一部の生体異物の体内貯蔵量の増加、または標的臓器および/または関連酵素の既存の機能障害により、解毒および排泄速度が低下するため、感受性が高くなる可能性があります。 これらの要因のそれぞれが、体の防御力の弱体化に寄与する可能性があります。つまり、予備能力が低下し、その後他の危険にさらされる可能性が高まります. たとえば、シトクロム P450 酵素 (ほぼすべての有毒化学物質の生体内変換経路に関与) は、生涯にわたるさまざまな要因 (食習慣、喫煙、アルコール、薬の使用、および環境異物への曝露)。

セックスの影響

感受性の性差は多数の有毒化学物質 (約 200 種) について報告されており、そのような差は多くの哺乳類種で見られます。 一般に、男性は腎毒素に対してより感受性が高く、女性は肝臓毒素に対して感受性が高いようです。 男性と女性の間の異なる反応の原因は、さまざまな生理学的プロセスの違いに関連しています (例えば、女性は、月経血の損失、母乳および/または胎児への移行を通じて、いくつかの有毒化学物質を追加で排泄することができますが、女性は妊娠、出産、授乳中に追加のストレスを経験します)、酵素活性、遺伝子修復メカニズム、ホルモン要因、または女性の比較的大きな脂肪蓄積の存在により、有機溶剤や一部の薬物などの親油性毒性化学物質の蓄積が増加します。 .

食生活の影響

食生活は化学毒性に対する感受性に重要な影響を及ぼします。これは主に、健康を維持するための体の化学防御システムの機能に十分な栄養が不可欠であるためです。 必須金属 (メタロイドを含む) とタンパク質、特に硫黄含有アミノ酸の適切な摂取は、さまざまな解毒酵素の生合成と、内因性および外因性化合物との抱合反応のためのグリシンとグルタチオンの提供に必要です。 脂質、特にリン脂質、およびリポトロープ (メチル基供与体) は生体膜の合成に必要です。 炭水化物は、さまざまな解毒プロセスに必要なエネルギーを提供し、有毒化学物質とその代謝産物の抱合のためのグルクロン酸を提供します. セレン(必須メタロイド)、グルタチオン、およびビタミン C(水溶性)、ビタミン E、ビタミン A(脂溶性)などのビタミンは、抗酸化物質として重要な役割を果たします(例、脂質過酸化の制御および細胞膜の完全性の維持)。有毒な化学物質から保護するためのフリーラジカルスカベンジャー。 さらに、さまざまな食事成分 (タンパク質と繊維の含有量、ミネラル、リン酸塩、クエン酸など) および消費される食物の量が、多くの有毒化学物質の消化管吸収率 (例: 水溶性物質の平均吸収率) に大きな影響を与える可能性があります。断食中の被験者の約 60% とは対照的に、食事と一緒に摂取される鉛塩は約 XNUMX% です)。 しかし、食事自体が、さまざまな有毒化学物質への個々の曝露の追加的な原因となる可能性があります(たとえば、汚染された魚介類を消費する被験者におけるヒ素、水銀、カドミウムおよび/または鉛の大幅な増加と蓄積)。

喫煙の影響

たばこの煙に含まれる多数の化合物 (特に多環式芳香族炭化水素、一酸化炭素、ベンゼン、ニコチン、アクロレイン、一部の農薬、カドミウム、および、程度は低いが、鉛やその他の有毒金属など)、その一部は、出生前の生活を含め、生涯にわたって人体に蓄積する可能性があります(鉛やカドミウムなど)。 相互作用は主に、さまざまな有毒化学物質が、生物内での輸送と分布のための同じ結合部位、および/または特定の酵素が関与する同じ生体内変化経路をめぐって競合するために発生します。 たとえば、いくつかのタバコの煙成分はシトクロム P450 酵素を誘発する可能性がありますが、他の成分はそれらの活性を低下させる可能性があり、有機溶剤や一部の医薬品など、他の多くの有毒化学物質の一般的な生体内変化経路に影響を与えます。 長期にわたる大量の喫煙は、他のライフスタイル要因の悪影響に対処するための予備能力を低下させることにより、体の防御メカニズムを大幅に低下させる可能性があります.

アルコールの影響

アルコール (エタノール) の消費は、いくつかの方法で多くの有毒化学物質に対する感受性に影響を与える可能性があります。 体内の特定の化学物質の吸収率と分布に影響を与える可能性があります。たとえば、鉛の胃腸吸収率を高めたり、吸入した水銀蒸気の保持に必要な酸化を阻害することで水銀蒸気の肺吸収率を低下させたりします。 エタノールはまた、組織の pH の短期的な変化、およびエタノール代謝に起因する酸化還元電位の増加を通じて、さまざまな化学物質に対する感受性に影響を与える可能性があります。これは、エタノールがアセトアルデヒドに酸化することと、アセトアルデヒドがアセテートに酸化することの両方が、還元されたニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NADH) と同等のものを生成するためです。水素 (H+)。 さまざまな化合物や組織に結合するための必須および毒性の金属および半金属の親和性は、pH および酸化還元電位の変化によって影響を受けるため (Telišman 1995)、エタノールを適度に摂取しただけでも、次のような一連の結果が生じる可能性があります。 1) 生物学的に活性な鉛画分を支持する、人体に長期的に蓄積された鉛の再分配、(2) 亜鉛含有酵素における鉛による必須亜鉛の置換、したがって酵素活性に影響を与える、または可動性の影響カルシウム、鉄、銅、セレンなどの生体内の他の必須金属および半金属の分布に鉛を適用し、(3) 亜鉛の尿中排泄を増加させるなど。 アルコール飲料には、容器や加工工程からのかなりの量の鉛が含まれている可能性があるため、前述の事象の可能性が高まる可能性があります (Prpic-Majic et al. 1984; Telišman et al. 1984; 1993)。

感受性がエタノールに関連して変化するもう 450 つの一般的な理由は、さまざまな有機溶媒などの多くの有毒化学物質が、シトクロム P1991 酵素を含む同じ生体内変化経路を共有していることです。 有機溶媒への暴露の強さ、およびエタノール摂取の量と頻度 (すなわち、急性または慢性のアルコール消費) に応じて、エタノールはさまざまな有機溶媒の生体内変化率を減少または増加させ、したがってそれらの毒性に影響を与える可能性があります (Sato XNUMX)。 .

薬の影響

多くの薬物が血清タンパク質に結合し、さまざまな有毒化学物質の輸送、分布、または排泄速度に影響を与えるため、または多くの薬物が関連する解毒酵素を誘導したり、それらの活性を抑制したりすることができるため、さまざまな薬物の一般的な使用が有毒化学物質に対する感受性に影響を与える可能性があります。 (例えば、シトクロム P450 酵素)、したがって、同じ生体内変化経路を持つ化学物質の毒性に影響を与えます。 いずれのメカニズムの特徴も、サリチル酸、スルホンアミド、またはフェニルブタゾンを使用した場合のトリクロロ酢酸 (いくつかの塩素化炭化水素の代謝産物) の尿中排泄の増加、およびフェノバルビタールを使用した場合の四塩化炭素の肝腎毒性の増加です。 さらに、一部の医薬品には、潜在的に有毒な化学物質がかなりの量含まれています。たとえば、慢性腎不全で発生する高リン血症の治療管理に使用されるアルミニウム含有制酸剤または製剤です。

他の化学物質への同時暴露の影響

さまざまな化学物質の相互作用による健康への悪影響に対する感受性の変化 (すなわち、相加的、相乗的、または拮抗的効果の可能性) は、ほぼ例外なく実験動物、主にラットで研究されてきました。 関連する疫学および臨床研究が不足しています。 これは、ラットや他の哺乳類と比較して、ヒトにおけるいくつかの有毒化学物質の反応の強度またはさまざまな健康への悪影響が比較的大きいことを考えると、特に懸念されます。 薬理学の分野で公開されたデータは別として、ほとんどのデータは、さまざまな農薬、有機溶媒、または必須および/または有毒な金属および半金属など、特定のグループ内の XNUMX つの異なる化学物質の組み合わせにのみ関連しています。

さまざまな有機溶媒への複合曝露は、主に互いの生体内変化に影響を与える能力のために、さまざまな相加効果、相乗効果、または拮抗効果をもたらす可能性があります (特定の有機溶媒の組み合わせ、それらの強度および曝露時間に依存します) (Sato 1991)。

別の特徴的な例は、必須および/または有毒な金属と半金属の相互作用であり、これらは年齢 (例、環境中の鉛とカドミウムの生涯にわたる体内蓄積)、性別 (例、女性の一般的な鉄欠乏症) の影響の可能性に関与しています。 )、食習慣(例、有毒金属および半金属の食事摂取の増加および/または必須金属および半金属の食事摂取不足)、喫煙習慣およびアルコール消費(例、カドミウム、鉛および他の有毒金属へのさらなる暴露)、および使用(例えば、制酸剤を 50 回服用すると、食物からのアルミニウムの 1 日平均摂取量が 1995 倍に増加する可能性がある)。 ヒトにおけるさまざまな金属およびメタロイドへの暴露によるさまざまな相加的、相乗的、または拮抗的効果の可能性は、主要な毒性元素に関連する基本的な例によって説明できます (表 XNUMX を参照)。 (例えば、胃腸吸収率および亜鉛の代謝に対する銅のよく知られた拮抗作用、およびその逆)。 これらすべての相互作用の主な原因は、さまざまな酵素、金属タンパク質 (特にメタロチオネイン)、および組織 (細胞膜や臓器バリアなど) における同じ結合部位 (特にスルフヒドリル基、-SH) に対するさまざまな金属および半金属の競合です。 これらの相互作用は、フリーラジカルと酸化ストレスの作用によって媒介されるいくつかの慢性疾患の発症に関連する役割を果たしている可能性があります (Telišman XNUMX)。

表 1. 哺乳類における主な有毒金属および/または必須金属およびマタロイドに関する可能性のある複数の相互作用の基本的な影響

有毒な金属または半金属 他の金属またはメタロイドとの相互作用の基本的な効果
アルミニウム(Al) Ca の吸収速度を低下させ、Ca の代謝を損なう。 カルシウムが不足すると、アルミニウムの吸収率が上がります。 リン酸代謝を損なう。 Fe、Zn、および Cu との相互作用に関するデータはあいまいです (つまり、メディエーターとしての別の金属の役割の可能性)。
ヒ素(As) Cu の分布に影響を与えます (腎臓での Cu の増加、および肝臓、血清、尿での Cu の減少)。 Fe の代謝を損なう (肝臓での Fe の増加とそれに伴うヘマトクリットの減少)。 Zn は、無機 As の吸収速度を低下させ、As の毒性を低下させます。 Se は As の毒性を低下させ、逆も同様です。
カドミウム(Cd) Ca の吸収速度を低下させ、Ca の代謝を損なう。 Ca が不足すると、Cd の吸収率が上昇します。 リン酸塩の代謝を損なう、すなわちリン酸塩の尿中排泄を増加させます。 Feの代謝を損なう; 食事中の鉄が不足すると、カドミウムの吸収率が上昇します。 Zn の分布に影響します。 Zn は Cd の毒性を低下させますが、Cd の吸収率への影響はあいまいです。 Se は Cd の毒性を低下させます。 Mn は、Cd への低レベルの暴露で Cd の毒性を低下させます。 Cu との相互作用に関するデータはあいまいです (つまり、メディエータとしての Zn または別の金属の役割の可能性)。 Pb、Ni、Sr、Mg、または Cr(III) の高い食事レベルは、Cd の吸収率を低下させる可能性があります。
水銀(Hg) Cu の分布に影響を与えます (肝臓での Cu の増加)。 Zn は、無機 Hg の吸収率を低下させ、Hg の毒性を低下させます。 Se は Hg の毒性を低下させます。 Cd は腎臓内の Hg の濃度を増加させますが、同時に腎臓内の Hg の毒性 (Cd が誘導するメタロチオネイン合成の影響) を減少させます。
鉛(Pb) Ca の代謝を損なう; 食事性 Ca が不足すると、無機鉛の吸収率が上昇し、鉛の毒性が高まります。 Feの代謝を損なう; 食物中の Fe が不足すると、Pb の毒性が増加しますが、Pb の吸収率への影響は明確ではありません。 Zn の代謝を阻害し、Zn の尿中排泄を増加させます。 食物中の亜鉛が不足すると、無機鉛の吸収率が上昇し、鉛の毒性が上昇します。 Se は Pb の毒性を低下させます。 Cu および Mg との相互作用に関するデータはあいまいです (つまり、メディエーターとしての Zn または別の金属の役割の可能性)。

注: データは主にラットでの実験的研究に関連していますが、関連する臨床および疫学的データ (特に定量的な用量反応関係に関する) は一般的に不足しています (Elsenhans et al. 1991; Fergusson 1990; Telišman et al. 1993)。

 

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月曜日、12月20 2010 19:25

毒性反応の遺伝的決定因子

環境化学物質に対する各人の反応が異なることは、長い間認識されてきました。 分子生物学と遺伝学における最近の爆発的な進歩により、そのような多様性の分子基盤についてより明確な理解がもたらされました。 化学物質に対する個人の反応の主な決定要因には、酵素の XNUMX 以上のスーパーファミリー間の重要な違いが含まれます。 生体異物- (体にとって異物)または 薬物代謝 酵素。 これらの酵素の役割は、古典的に解毒と見なされてきましたが、これらの同じ酵素は、多くの不活性化合物を毒性の高い中間体に変換します. 最近、これらの酵素をコードする遺伝子の多くの微妙な違いと全体的な違いが特定されており、酵素活性の顕著な変動をもたらすことが示されています。 各個人が生体異物代謝酵素活性の異なる補完物を持っていることは今や明らかです。 この多様性は、「代謝指紋」と考えることができます。 特定の個人における化学物質の運命と毒性の可能性だけでなく、曝露の評価も最終的に決定するのは、これらの多くの異なる酵素スーパーファミリーの複雑な相互作用です。 この記事では、シトクロム P450 酵素スーパーファミリーを使用して、化学物質に対する個人の反応を理解する上でなされた目覚ましい進歩を説明することにしました。 これらの酵素の特定の遺伝子変化を特定するように設計された比較的単純な DNA ベースのテストの開発により、化学物質への曝露に対する個人の反応をより正確に予測できるようになりました。 その結果が予防毒物学になることを願っています。 言い換えれば、各個人は、自分が特に敏感な化学物質について学ぶことができ、それによって、以前は予測できなかった毒性や癌を回避できる可能性があります。

一般的には認識されていませんが、人間は無数の多様な化学物質の集中砲火に毎日さらされています。 これらの化学物質の多くは非常に有毒であり、さまざまな環境および食事源に由来します。 このような暴露と人間の健康との関係は、世界中の生物医学研究努力の主要な焦点であり続けています。

この化学爆撃の例にはどのようなものがありますか? 赤ワインから 400 を超える化学物質が分離され、特徴付けられています。 火のついたたばこからは、少なくとも 1,000 種類の化学物質が生成されると推定されています。 化粧品や香料入り石鹸には無数の化学物質が含まれています。 化学物質への曝露のもう 75,000 つの主な原因は農業です。米国だけでも、農地は毎年 XNUMX を超える化学物質を殺虫剤、除草剤、肥料剤の形で受け取っています。 植物や放牧動物、近くの水路の魚に取り込まれた後、人間 (食物連鎖の終点) がこれらの化学物質を摂取します。 体内に取り込まれる高濃度の化学物質の他の XNUMX つの原因には、(a) 慢性的に摂取される薬物と、(b) 雇用期間にわたる職場での有害物質への曝露が含まれます。

化学物質への曝露が人間の健康の多くの側面に悪影響を及ぼし、慢性疾患や多くの癌の発症を引き起こす可能性があることは、現在十分に確立されています. 過去 XNUMX 年ほどの間に、これらの関係の多くの分子基盤が解明され始めました。 さらに、人間は化学物質への暴露の有害な影響に対する感受性が著しく異なるという認識が浮上しています。

化学物質への暴露に対する人間の反応を予測するための現在の取り組みは、1 つの基本的なアプローチを組み合わせたものです (図 XNUMX): 生物学的マーカー (バイオマーカー) による人間への暴露の程度を監視することと、特定のレベルの暴露に対する個人の反応を予測することです。 これらのアプローチはどちらも非常に重要ですが、両者は明確に異なることを強調しておく必要があります。 この記事では、 遺伝的要因 特定の化学物質への曝露に対する潜在的な個人の感受性。 この研究分野は広く 生態遺伝学または 薬理遺伝学 (Kalow 1962 および 1992 を参照)。 化学毒性に対する個々の感受性を決定する上での最近の進歩の多くは、人間や他の哺乳類が化学物質を解毒するプロセスと、関与する酵素システムの驚くべき複雑さをより深く理解することから発展しました。

図 1. 暴露評価、民族差、年齢、食事、栄養、および遺伝的感受性評価の間の相互関係 - これらはすべて、毒性とがんの個々のリスクに関与しています。TOX050F1

まず、ヒトにおける毒性反応の変動性について説明します。 次に、外来化学物質の代謝の違いによる、このような応答の変化の原因となる酵素のいくつかを紹介します. 次に、シトクロム P450 スーパーファミリーの歴史と命名法について詳しく説明します。 450 つのヒト P450 多型といくつかの非 PXNUMX 多型について簡単に説明します。 これらは、毒性反応における人間の違いの原因です。 次に、環境モニタリングによって決定されるように、個人の遺伝的差異が暴露評価に影響を与える可能性があるという点を強調するために、例を説明します。 最後に、重要な生命機能におけるこれらの生体異物代謝酵素の役割について説明します。

ヒト集団における毒性反応の変動

毒物学者と薬理学者は一般に、人口の 50% の平均致死量 (LD50)、人口の 50% の平均最大耐用量 (MTD50)、および人口の 50% に対する特定の薬物の平均有効用量 (ED50)。 しかし、これらの線量は私たち一人一人にどのような影響を与えるのでしょうか? 言い換えれば、非常に敏感な個人は、人口の中で最も抵抗力のある個人よりも 500 倍影響を受けるか、影響を受ける可能性が 500 倍高くなる可能性があります。 これらの人々のために、LD50 (および MTD50 ED50) 値にはほとんど意味がありません。 LD50、MTD50 ED50 値は、母集団全体を参照する場合にのみ関連します。

図2 任意の集団における個人による毒性反応の仮説的な用量反応関係を示しています。 この一般的な図は、喫煙したタバコの数に応じた気管支癌、職場のダイオキシン レベルの関数としての塩素座瘡、オゾンまたはアルデヒドの空気濃度の関数としての喘息、紫外線に応じた日焼け、凝固時間の減少を表しています。アスピリン摂取の関数、または数に応じた胃腸障害 ハラペニョ ピーマン消費。 一般に、これらの事例のそれぞれにおいて、暴露が大きければ大きいほど、毒性反応が大きくなります。 人口のほとんどは、用量の関数として毒性反応の平均と標準偏差を示します。 「耐性外れ値」(図 2 の右下) は、より高い用量または曝露で反応が少ない個人です。 「敏感な外れ値」(左上)は、比較的少量の線量または曝露に対して誇張された反応を示す個人です。 これらの外れ値は、集団内の大多数の個人と比較して反応が極端に異なるため、科学者が毒性反応の根底にある分子メカニズムを理解しようとするのに役立つ重要な遺伝的変異を表している可能性があります。 

図 2. 毒性反応と、環境、化学、または物理因子の投与量との一般的な関係

TOX050F2

家族研究でこれらの外れ値を使用して、多くの研究室の科学者は、特定の毒性反応に対するメンデル遺伝の重要性を認識し始めています. その後、分子生物学と遺伝子研究に目を向けて、遺伝子レベルで根底にあるメカニズムを特定することができます(遺伝子型) 環境に起因する病気の原因 (表現型).

生体異物または薬物代謝酵素

私たちがさらされている無数の外因性化学物質に、体はどのように反応するのでしょうか? 人間や他の哺乳類は、酵素の XNUMX 以上の異なるスーパーファミリーを含む非常に複雑な代謝酵素システムを進化させてきました。 人間がさらされるほぼすべての化学物質は、体内からの異物の除去を促進するために、これらの酵素によって変更されます。 まとめて、これらの酵素はしばしば次のように呼ばれます。 薬物代謝酵素 or 生体異物代謝酵素. 実際、どちらの用語も誤称です。 第一に、これらの酵素の多くは薬物を代謝するだけでなく、何十万もの環境および食事化学物質を代謝します. 第二に、これらの酵素はすべて、基質として正常な体内化合物も持っています。 これらの酵素はどれも、外来化学物質のみを代謝しません。

3 年以上にわたり、これらの酵素によって媒介される代謝プロセスは、通常、フェーズ I またはフェーズ II のいずれかに分類されてきました (図 XNUMX.). フェーズ I (「機能化」) 反応は、一般に、より水溶性の代謝産物を生成するために、酸化、還元、または加水分解による親化学物質の比較的小さな構造変更を含みます。 多くの場合、第 I 相反応は、後続の第 II 相反応による化合物のさらなる修飾の「ハンドル」を提供します。 第 I 相反応は主に、シトクロム P450 と総称される汎用性の高い酵素のスーパーファミリーによって媒介されますが、他の酵素スーパーファミリーも関与する可能性があります (図 4)。

図 3. 第 I 相および第 II 相生体異物または薬物代謝酵素の古典的な名称tox050f4

図4 薬物代謝酵素の例

TOX050T1

フェーズ II 反応は、排泄を促進するために、水溶性内因性分子を化学物質 (親化学物質またはフェーズ I 代謝産物) にカップリングすることを伴います。 フェーズ II 反応は、「結合」または「誘導体化」反応と呼ばれることがよくあります。 フェーズ II 反応を触媒する酵素スーパーファミリーは、一般に、関与する内因性結合部分に従って命名されます。たとえば、N-アセチルトランスフェラーゼによるアセチル化、スルホトランスフェラーゼによる硫酸化、グルタチオントランスフェラーゼによるグルタチオン結合、UDP グルクロノシルトランスフェラーゼによるグルクロン酸抱合などです (図 4)。 . 薬物代謝の主要な器官は肝臓ですが、いくつかの薬物代謝酵素のレベルは胃腸管、生殖腺、肺、脳、腎臓で非常に高く、そのような酵素は間違いなくすべての生きている細胞にある程度存在します.

生体異物代謝酵素は諸刃の剣 刀剣

人間の健康異常につながる生物学的および化学的プロセスについてさらに学ぶにつれて、薬物代謝酵素が相反する方法で機能することがますます明らかになりました (図 3)。 ほとんどの場合、脂溶性化学物質はより容易に排泄される水溶性代謝物に変換されます。 しかし、多くの場合、同じ酵素が他の不活性化学物質を反応性の高い分子に変換できることは明らかです。 これらの中間体は、タンパク質や DNA などの細胞高分子と相互作用することができます。 したがって、ヒトが曝露される各化学物質について、競合する経路の可能性が存在します。 代謝活性化 および 解毒.

遺伝学の簡単なレビュー

ヒトの遺伝学では、各遺伝子 () は、23 対の染色体の XNUMX つにあります。 二つ 対立遺伝子 (ペアの各染色体に XNUMX つずつ存在する) は同じ場合もあれば、互いに異なる場合もあります。 たとえば、 B および b 対立遺伝子 B (茶色の目)が優勢です b (青い目): 茶色の目の表現型の個人は、 BB or Bb 遺伝子型、一方、青い目の表現型の個人は、 bb 遺伝子型

A 多型 同じ遺伝子に由来する XNUMX つ以上の安定して継承された表現型 (形質) として定義されます。これらは集団内で維持されますが、その理由は必ずしも明らかではありません。 遺伝子が多型であるためには、遺伝子産物が発生、生殖力、またはその他の重要な生命過程に不可欠であってはなりません。 実際、ヘテロ接合体がいずれかのホモ接合体よりも明確な生存優位性を持っている「バランスのとれた多型」(例えば、マラリアへの抵抗性、および鎌状赤血球ヘモグロビン対立遺伝子) は、集団内の対立遺伝子を他の方法では説明できない高い状態に維持するための一般的な説明です。周波数 (参照 ゴンザレスとネバート 1990)。

生体異物代謝酵素のヒト多型

さまざまな薬物および環境化学物質の代謝における遺伝的差異は、1962 年以上前から知られていました (Kalow 1992 および XNUMX)。 これらの違いは、しばしば次のように呼ばれます。 薬理遺伝学 または、より広く、 生態遺伝的多型. これらの多型は、集団内で比較的高い頻度で発生するバリアント対立遺伝子を表し、一般に酵素の発現または機能の異常に関連しています。 歴史的に、多型は通常、治療薬に対する予想外の反応に続いて特定されました。 最近では、組換え DNA 技術により、科学者はこれらの多型の原因となる遺伝子の正確な変化を特定できるようになりました。 多型は現在、フェーズ I とフェーズ II の両方の酵素を含む、多くの薬物代謝酵素で特徴付けられています。 より多くの多型が特定されるにつれて、各個人が薬物代謝酵素の異なる補数を持っている可能性があることがますます明らかになりつつあります。 この多様性は「代謝フィンガープリント」と呼ばれるかもしれません。 特定の化学物質に対する特定の反応を最終的に決定するのは、個人内のさまざまな薬物代謝酵素スーパーファミリーの複雑な相互作用です (Kalow 1962 および 1992; Nebert 1988; Gonzalez および Nebert 1990; Nebert および Weber 1990)。

ヒト異物代謝酵素の細胞内発現 文化

化学物質に対するヒトの毒性反応のより良い予測因子を開発するにはどうすればよいでしょうか? 薬物代謝酵素の多様性を定義する進歩には、どの酵素が個々の化学物質の代謝運命を決定するかについての正確な知識が伴わなければなりません。 実験室のげっ歯類研究から集められたデータは、確かに有用な情報を提供しています。 ただし、生体異物代謝酵素の種間で大きな違いがあるため、データをヒト集団に外挿する際には注意が必要です。 この困難を克服するために、多くの研究所は、培養中のさまざまな細胞株を操作して、安定した高濃度の機能的なヒト酵素を生成できるシステムを開発しました (Gonzalez、Crespi、および Gelboin 1991)。 ヒト酵素の生産は、細菌、酵母、昆虫、哺乳類などのさまざまな細胞株で成功しています。

化学物質の代謝をより正確に定義するために、 複数の酵素 また、単一の細胞株で成功裏に生産されています (Gonzalez、Crespi、および Gelboin 1991)。 このような細胞株は、特定の化合物および有毒な代謝産物の代謝処理に関与する正確な酵素に関する貴重な洞察を提供します。 この情報をヒト組織内の酵素の存在とレベルに関する知識と組み合わせることができれば、これらのデータは応答の貴重な予測因子を提供するはずです。

チトクロムP450

歴史と命名法

チトクローム P450 スーパーファミリーは、最も研究されている薬物代謝酵素スーパーファミリーの 450 つであり、化学物質に反応する個人差が非常に大きい。 シトクロム PXNUMX は、無数の内因性および外因性基質の代謝において極めて重要な酵素の大きなスーパーファミリーを表すために使用される便利な総称です。 用語 シトクロムP450 1962年に未知のものを説明するために初めて造られました 顔料 還元されて一酸化炭素と結合すると、450 nmで特徴的な吸収ピークを生成する細胞で。 1980 年代初頭以来、cDNA クローニング技術は、シトクロム P450 酵素の多様性に驚くべき洞察をもたらしました。 現在までに、動物、植物、細菌、酵母で 400 を超える異なるシトクロム P450 遺伝子が同定されています。 ヒトなどの任意の哺乳類種は、60 個以上の異なる P450 遺伝子を持っている可能性があると推定されています (Nebert and Nelson 1991)。 P450 遺伝子の多様性は、標準化された命名体系の開発を必要とした (Nebert et al. 1987; Nelson et al. 1993)。 1987 年に最初に提案され、半年ごとに更新された命名法は、P450 タンパク質間のアミノ酸配列比較の分岐進化に基づいています。 P450 遺伝子はファミリーとサブファミリーに分けられます。ファミリー内の酵素は 40% を超えるアミノ酸類似性を示し、同じサブファミリー内の酵素は 55% の類似性を示します。 P450遺伝子はルート記号で命名されています CYP その後に、P450 ファミリーを示すアラビア数字、サブファミリーを示す文字、および個々の遺伝子を示すアラビア数字が続きます (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991)。 したがって、 CYP1A1 は、ファミリー 450 およびサブファミリー A の P1 遺伝子 1 を表します。

1995 年 403 月現在、XNUMX 人 CYP データベース内の遺伝子は、59 のファミリーと 105 のサブファミリーで構成されています。 これらには、下等真核生物の 15 科、植物の 19 科、および細菌の 15 科が含まれます。 450 のヒト P26 遺伝子ファミリーは 22 のサブファミリーを含み、そのうち XNUMX はゲノムの大部分の染色体位置にマッピングされています。 一部のシーケンスは、多くの種にわたって明らかにオルソロガスです。たとえば、XNUMX つだけです。 CYP17 (ステロイド 17α-ヒドロキシラーゼ) 遺伝子は、これまでに調査されたすべての脊椎動物で発見されています。 サブファミリー内の他の配列は非常に重複しているため、オルソログペアの識別が不可能です (例: CYP2C 亜科)。 興味深いことに、ヒトと酵母はオーソロガス遺伝子を共有しています。 CYP51 家族。 P450 スーパーファミリーに関するさらなる情報を求める読者のために、多数の包括的なレビューが利用可能です (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991; Nebert and McKinnon 1994; Guengerich 1993; Gonzalez 1992)。

P450 命名体系の成功により、UDP グルクロノシルトランスフェラーゼ (Burchell et al. 1991) およびフラビン含有モノオキシゲナーゼ (Lawton et al. 1994) に対して同様の用語体系が開発されました。 発散進化に基づく同様の命名法は、他のいくつかの薬物代謝酵素スーパーファミリー (例えば、スルホトランスフェラーゼ、エポキシド加水分解酵素、およびアルデヒド脱水素酵素) についても開発中です。

最近、哺乳類の P450 遺伝子スーパーファミリーを 1994 つのグループに分類しました (Nebert and McKinnon 450)。主に外来化学代謝に関与するグループ、さまざまなステロイド ホルモンの合成に関与するグループ、およびその他の重要な内因性機能に関与するグループです。 毒性の予測に最も重要であると想定されるのは、生体異物を代謝する PXNUMX 酵素です。

異物代謝P450酵素

外来化合物および薬物の代謝に関与する P450 酵素は、ほとんどの場合、家族内で発見されます。 CYP1、CYP2、CYP3 および CYP4. これらの P450 酵素は、さまざまな代謝反応を触媒し、450 つの P450 で多くの異なる化合物を代謝できることがよくあります。 さらに、複数の P450 酵素が単一の化合物を異なる部位で代謝する可能性があります。 また、化合物は、さまざまな速度ではあるが、複数の PXNUMX によって同じ単一部位で代謝される場合があります。

薬物代謝を行う P450 酵素の最も重要な特性は、これらの遺伝子の多くが、その基質として機能するまさにその物質によって誘導されることです。 一方、他の P450 遺伝子は非基質によって誘導されます。 この酵素誘導の現象は、治療上重要な多くの薬物間相互作用の根底にあります。

多くの組織に存在しますが、これらの特定の P450 酵素は、薬物代謝の主要部位である肝臓に比較的高いレベルで見られます。 生体異物を代謝する P450 酵素のいくつかは、特定の内因性基質 (アラキドン酸など) に対して活性を示します。 しかし、一般に、生体異物を代謝するこれらの P450 酵素のほとんどは重要な生理学的役割を果たしていないと考えられていますが、これはまだ実験的に確立されていません。 マウスにおける遺伝子ターゲティング方法論による個々の生体異物代謝 P450 遺伝子の選択的ホモ接合性破壊、または「ノックアウト」は、生体異物代謝 P450 の生理学的役割に関する明確な情報をすぐに提供する可能性があります。遺伝子ターゲティングについては、Capecchi 1994 を参照)。

主に生理学的プロセスに関与する酵素をコードする P450 ファミリーとは対照的に、生体異物代謝を行う P450 酵素をコードするファミリーは、顕著な種特異性を示し、サブファミリーごとに多くの活性遺伝子を含むことが多い (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991)。 生理学的基質が明らかに欠如していることを考えると、ファミリー内の P450 酵素は CYP1、CYP2、CYP3 および CYP4 過去数億年に出現したこれらは、環境や食事で遭遇した外来化学物質を解毒する手段として進化しました。 明らかに、生体異物を代謝する P450 の進化は、現在人間がさらされているほとんどの合成化学物質の合成よりもはるかに前の期間にわたって発生したと考えられます。 これらの 1.2 つの遺伝子ファミリーの遺伝子は、過去 1990 億年の間に植物代謝物にさらされたため、動物で進化し、分岐した可能性があります。これは、記述的に「動植物戦争」と呼ばれるプロセスです (Gonzalez and Nebert 450)。 動植物戦争は、植物が動物による摂取を防ぐための防御メカニズムとして新しい化学物質 (フィトアレキシン) を開発した現象であり、動物は、多様化する基質に対応するために新しい P450 遺伝子を開発することで対応しました。 この提案にさらに弾みをつけているのは、有毒基質の P1994 解毒を含む最近報告された植物 - 昆虫および植物 - 菌類の化学戦争の例である (Nebert XNUMX)。

以下は、毒性応答の遺伝的決定因子が非常に重要であると考えられている、いくつかのヒト生体異物代謝 P450 酵素多型の簡単な紹介です。 最近まで、P450 多型は、投与された治療薬に対する患者の反応の予想外の差異によって一般的に示唆されていました。 実際、いくつかの P450 多型は、多型が最初に同定された薬剤に従って命名されています。 最近では、化学物質の代謝に関与する正確な P450 酵素の同定と、関与する P450 遺伝子の正確な特徴付けに研究努力が集中しています。 前述のように、モデル化学物質に対する P450 酵素の測定可能な活性を表現型と呼ぶことができます。 各個人の P450 遺伝子の対立遺伝子の違いは、P450 遺伝子型と呼ばれます。 P450 遺伝子の分析にますます精査が適用されるにつれて、以前に文書化された表現型の差異の正確な分子基盤がより明確になりつつあります。

CYP1A サブファミリー

  CYP1A サブファミリーは、ヒトおよび他のすべての哺乳類の 1 つの酵素で構成されています。これらは、標準的な P1 命名法で CYP1A2 および CYP450A1 と指定されています。 これらの酵素は、多くの発がん性物質の代謝活性化に関与しており、ダイオキシンを含む毒性学的に懸念されるいくつかの化合物によっても誘導されるため、非常に興味深いものです。 たとえば、CYP1A1 はタバコの煙に含まれる多くの化合物を代謝的に活性化します。 CYP2A1 は、化学染料業界で発見された、膀胱がんに関連する多くのアリールアミンを代謝的に活性化します。 CYP2A4 はまた、タバコ由来のニトロソアミンである 1-(メチルニトロソアミノ)-3-(1-ピリジル)-1-ブタノン (NNK) を代謝的に活性化します。 CYP1A1 と CYP2A1 は、煙に含まれる多環式炭化水素による誘導により、喫煙者の肺にも高レベルで見られます。 したがって、CYP1A1 および CYP2AXNUMX 活性のレベルは、多くの潜在的に有毒な化学物質に対する個々の反応の重要な決定要因であると考えられています。

への毒性学的関心 CYP1A サブファミリーは、タバコ喫煙者における CYP1973A1 誘導能のレベルと肺癌に対する個々の感受性とを関連付けた 1 年の報告によって大幅に強化されました (Kellermann、Shaw、および Luyten-Kellermann 1973)。 CYP1A1 および CYP1A2 誘導の分子基盤は、多くの研究室の主な焦点となっています。 誘導プロセスは、ダイオキシンおよび構造的に関連する化学物質が結合する Ah 受容体と呼ばれるタンパク質によって媒介されます。 名前 Ah から派生しています aリル h多くの CYP1A インデューサーのハイドロカーボンの性質。 興味深いことに、マウスの系統間で Ah 受容体をコードする遺伝子が異なると、化学反応と毒性が著しく異なります。 Ah 受容体遺伝子の多型は、ヒトでも発生するようです。人口の約 1 分の 1 が CYPXNUMXAXNUMX の高い誘導を示し、人口の他の XNUMX 分の XNUMX よりも、化学的に誘発された特定の癌を発症するリスクが高い可能性があります。 の酵素の制御における Ah 受容体の役割 CYP1A サブファミリー、および化学物質への曝露に対するヒトの反応の決定因子としてのその役割は、最近のいくつかのレビューの対象となっています (Nebert、Pega および Puga 1991; Nebert、Puga および Vasiliou 1993)。

細胞内の CYP1A タンパク質のレベルを制御する他の多型はありますか? のポリモーフィズム CYP1A1 遺伝子も同定されており、これは日本人の喫煙者の肺がんリスクに影響しているように見えるが、この同じ多型は他の民族グループのリスクには影響していないようである (Nebert and McKinnon 1994)。

CYP2C19

個人が抗けいれん薬 (S)-メフェニトインを代謝する速度の変動は、長年にわたって十分に文書化されてきました (Guengerich 1989)。 白人の 2% から 5%、アジア人の 25% はこの活動が不足しており、薬物による毒性のリスクが高い可能性があります。 この酵素欠損は、人間のメンバーに関与することが長い間知られていた CYP2C 亜科ですが、この欠乏の正確な分子基盤はかなりの論争の対象となっています。 この困難の主な理由は、ヒトの XNUMX つ以上の遺伝子でした。 CYP2C 亜科。 しかし、最近、一塩基変異が CYP2C19 遺伝子がこの欠乏の主な原因です (Goldstein and de Morais 1994)。 ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) に基づく簡単な DNA テストも開発されており、ヒト集団でこの変異を迅速に特定することができます (Goldstein and de Morais 1994)。

CYP2D6

おそらく、P450 遺伝子で最も広く特徴付けられている変異は、 CYP2D6 遺伝子。 この遺伝子に影響を与える突然変異、再編成、および欠失の例が 1994 以上報告されています (Meyer 20)。 この多型は、XNUMX 年前に、降圧剤デブリソキンに対する患者の反応の臨床的ばらつきによって最初に示唆されました。 の変更 CYP2D6 したがって、酵素活性の変化を引き起こす遺伝子は、総称して デブリソキン多型.

DNAベースの研究が出現する前は、尿サンプル中の代謝物濃度に基づいて、個人はデブリソキンの低代謝者または高代謝者(PM、EM)として分類されていました。 現在では、 CYP2D6 遺伝子は、デブリソキンの代謝が不十分または広範囲であるだけでなく、超急速な代謝を示す個体をもたらす可能性があります。 のほとんどの変更 CYP2D6 遺伝子は、酵素機能の部分的または完全な欠乏に関連しています。 ただし、最近、XNUMXつの家族の個人が複数の機能的なコピーを持っていることが報告されています CYP2D6 CYP2D6 基質の超急速な代謝を引き起こす (Meyer 1994)。 この注目に値する観察は、集団研究で以前に観察された CYP2D6 活動の広いスペクトルに新しい洞察を提供します。 CYP2D6 機能の変化は、この酵素によって代謝される 30 を超える一般的に処方される薬物を考えると、特に重要です。 したがって、個々の CYP2D6 機能は、投与された治療に対する治療反応と毒性反応の両方の主要な決定要因です。 実際、最近では、患者の CYP2D6 状態を考慮することが、精神科および循環器の両方の薬を安全に使用するために必要であると主張されています。

の役割 CYP2D6 肺癌やパーキンソン病などのヒト疾患に対する個人の感受性の決定因子としての多型も、熱心な研究の対象となっています (Nebert and McKinnon 1994; Meyer 1994)。 利用された研究プロトコルの多様な性質を考えると、結論を定義することは困難ですが、研究の大部分は、デブリソキン(EM表現型)の広範な代謝者と肺がんとの関連を示しているようです. このような関連付けの理由は現在不明です。 しかし、CYP2D6 酵素は、タバコ由来のニトロソアミンである NNK を代謝することが示されています。

DNA ベースのアッセイが改善され、CYP2D6 の状態をさらに正確に評価できるようになるにつれて、CYP2D6 と疾患リスクとの正確な関係が明らかになると予想されます。 高代謝者は肺がんへの感受性と関連している可能性がありますが、低代謝者 (PM 表現型) は原因不明のパーキンソン病と関連しているようです。 これらの研究を比較することも困難ですが、CYP2D6 基質 (例えば、デブリソキン) を代謝する能力が低下した PM 患者は、パーキンソン病を発症するリスクが 2 倍から 2.5 倍高いようです。

CYP2E1

  CYP2E1 遺伝子は、薬物や多くの低分子量発がん物質を含む多くの化学物質を代謝する酵素をコードしています。 この酵素は、アルコールによって高度に誘導され、クロロホルム、塩化ビニル、四塩化炭素などの化学物質によって誘発される肝障害に関与する可能性があるため、興味深いものです。 この酵素は主に肝臓に見られ、酵素のレベルは個人間で著しく異なります。 の綿密な精査 CYP2E1 遺伝子は、いくつかの多型の同定をもたらした (Nebert and McKinnon 1994)。 特定の構造的変異の存在との関係が報告されています。 CYP2E1 いくつかの研究では、遺伝子と明らかな肺がんリスクの低下。 ただし、この可能な関係の明確化を必要とする明確な民族間の違いがあります。

CYP3A サブファミリー

ヒトでは、XNUMX つの酵素がそのメンバーとして同定されています。 CYP3A アミノ酸配列が似ていることからサブファミリーに分類されます。 CYP3A 酵素は、エリスロマイシンやシクロスポリンなど、一般的に処方される多くの薬物を代謝します。 発がん性食品汚染物質アフラトキシン B1 CYP3A 基質でもあります。 人間の一員 CYP3A サブファミリー、指定 CYP3A4、人間の肝臓の主要な P450 であり、消化管にも存在します。 他の多くの P450 酵素と同様に、CYP3A4 のレベルは個人間で大きく異なります。 CYP3A5 と呼ばれる 25 つ目の酵素は、肝臓の約 3% にしか見られません。 この発見の遺伝的根拠は解明されていません。 毒性反応の遺伝的決定要因としての CYP4A3 または CYP5A1994 変動性の重要性は、まだ確立されていません (Nebert and McKinnon XNUMX)。

非 P450 多型

他の生体異物代謝酵素スーパーファミリー内にも多数の多型が存在します (例えば、グルタチオントランスフェラーゼ、UDP グルクロノシルトランスフェラーゼ、パラオキソナーゼ、デヒドロゲナーゼ、N-アセチルトランスフェラーゼ、およびフラビン含有モノオキシゲナーゼ)。 P450 によって生成された中間体の最終的な毒性は、後続の第 II 相解毒反応の効率に依存するため、複数の酵素多型の組み合わせた役割は、化学的に誘発された疾患に対する感受性を決定する上で重要です。 したがって、第 I 相反応と第 II 相反応の間の代謝バランス (図 3) は、化学的に誘発されるヒト疾患および毒性反応の遺伝的決定要因の主要な要因である可能性があります。

GSTM1遺伝子多型

フェーズ II 酵素のよく研究された多型の例は、GST mu または GSTM1 と呼ばれるグルタチオン S-トランスフェラーゼ酵素スーパーファミリーのメンバーを含むものです。 この特定の酵素は、CYP1A1 酵素によるたばこの煙中の化学物質から生成される有毒代謝物のその後の解毒に関与しているように見えるため、毒性学的に非常に興味深いものです。 このグルタチオントランスフェラーゼ遺伝子で同定された多型は、研究されたすべての白人の半数に機能酵素が完全に欠如していることに関係しています。 このフェーズ II 酵素の欠如は、肺がんに対する感受性の増加と関連しているようです。 両方のバリアントに基づいて個人をグループ化することにより CYP1A1 遺伝子および機能の欠失または存在 GSTM1 喫煙によって誘発される肺がんの発症リスクは大きく異なることが実証されている (Kawajiri, Watanabe and Hayashi 1994)。 特にレアなXNUMX体を見せる個体 CYP1A1 遺伝子の変化、の欠如と組み合わせて GSTM1 遺伝子は、比較的低レベルのタバコの煙にさらされると、肺がんを発症するリスクが高くなります (1962 倍も)。 興味深いことに、変異遺伝子の重要性には民族間の違いがあるようであり、疾患に対する感受性におけるそのような変化の正確な役割を解明するためにさらなる研究が必要である (Kalow 1994; Nebert and McKinnon 1994; Kawajiri, Watanabe and Hayashi XNUMX)。

毒性に対するXNUMXつ以上の多型の相乗効果 応答

環境病原体に対する毒性反応は、同じ個体における 2 つの薬理遺伝学的欠陥の組み合わせによって大幅に誇張される可能性があります。 .

アリールアミンへの職業暴露は、膀胱がんの重大なリスクを構成します。 1954 年の Cartwright の洗練された研究以来、N-アセチル化剤の状態がアゾ色素誘発性膀胱癌の決定因子であることが明らかになりました。 遅いアセチレーター表現型と膀胱癌の発生、および膀胱壁におけるこの癌の浸潤度との間には、非常に有意な相関関係があります。 それどころか、急速アセチレーター表現型と結腸直腸癌の発生率との間には有意な関連性があります。 N-アセチルトランスフェラーゼ (NAT1、NAT2)遺伝子はクローン化され、配列決定されており、DNAベースのアッセイは現在、遅いアセチレーター表現型の原因となるXNUMXを超える対立遺伝子変異体を検出することができます. の NAT2 遺伝子は多形性であり、環境化学物質に対する毒性反応の変動性のほとんどに関与しています (Weber 1987; Grant 1993)。

グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ (G6PD) は、NADPH の生成と維持に重要な酵素です。 赤血球中の還元型グルタチオン (GSH) の正常なレベルが存在しないため、G6PD 活性が低いか存在しないと、重度の薬物または異物誘発性溶血につながる可能性があります。 G6PD 欠乏症は、世界中で少なくとも 300 億人に影響を与えています。 アフリカ系アメリカ人の男性の 10% 以上は、それほど深刻ではない表現型を示しますが、特定のサルデーニャのコミュニティでは、XNUMX 人に XNUMX 人という高い頻度で、より深刻な「地中海型」を示します。 の G6PD 遺伝子はクローン化され、X 染色体に局在化されており、多数の多様な点突然変異が G6PD 欠損個体に見られる表現型の異質性の大きな原因となっています (Beutler 1992)。

アリールアミンサルファ剤であるチオザルスルフォンは、治療集団において二峰性の溶血性貧血の分布を引き起こすことがわかった。 特定の薬物で治療した場合、G6PD欠損症と遅アセチル化表現型の組み合わせを持つ人は、G6PD欠損症単独または遅アセチル化表現型単独の人よりも影響を受けます. G6PD欠損の遅いアセチレーターは、通常のG40PDの速いアセチレーターよりも少なくとも6倍、チオザルスルホン誘発性溶血に対して感受性が高い.

曝露評価における遺伝子多型の影響

暴露評価とバイオモニタリング (図 1) には、各個人の遺伝子構成に関する情報も必要です。 危険な化学物質に同じようにさらされた場合、ヘモグロビン付加体 (または他のバイオマーカー) のレベルは、各人の代謝指紋に応じて、個人間で XNUMX ~ XNUMX 桁異なる可能性があります。

同じ薬理遺伝学の組み合わせが、ドイツの化学工場労働者で研究されています (表 1)。 アニリンとアセトアニリドにさらされた労働者のヘモグロビン付加物は、G6PD 欠損の遅いアセチレーターで、他の可能性のある組み合わされた薬理遺伝学的表現型と比較して、はるかに高くなっています。 この研究は、暴露評価に重要な意味を持っています。 これらのデータは、職場で XNUMX 人の個人が同じ周囲レベルの危険な化学物質にさらされている可能性があるとしても、(ヘモグロビン付加体などのバイオマーカーによる) 曝露量は XNUMX 桁以上少ないと推定される可能性があることを示しています。個人の根底にある遺伝的素因に。 同様に、結果として生じる健康への悪影響のリスクは、XNUMX 桁以上異なる可能性があります。

表 1: アニリンおよびアセトアニリドに暴露された労働者のヘモグロビン付加物

アセチレーターの状態 G6PD欠損症
尊大 遅く いいえ はい Hgb付加物
+   +   2
+     + 30
  + +   20
  +   + 100

出典: Lewalter と Korallus 1985 から編集。

結合および代謝における遺伝的差異

ここで代謝について行われたのと同じケースが、結合についても行うことができることを強調しておく必要があります。 環境因子の結合における遺伝的差異は、毒性反応に大きく影響します。 たとえば、マウスの違い CDM 遺伝子は、カドミウム誘発性精巣壊死に対する個人の感受性に大きな影響を与える可能性があります (Taylor、Heiniger、および Meier 1973)。 Ah 受容体の結合親和性の違いは、ダイオキシン誘発性の毒性と癌に影響を与える可能性が高い (Nebert, Petersen and Puga 1991; Nebert, Puga and Vasiliou 1993)。

図 5 は、毒性とがんにおける代謝と結合の役割をまとめたものです。 毒性物質は、環境中に存在するか、代謝または結合の後に存在するため、遺伝毒性経路 (DNA への損傷が発生する) または非遺伝毒性経路 (DNA 損傷および突然変異誘発が発生する必要がない) のいずれかによってその影響を引き出します。 興味深いことに、「古典的な」DNA 損傷剤は、還元型グルタチオン (GSH) 依存性の非遺伝毒性シグナル伝達経路を介して機能することが最近明らかになった。 (Devary et al. 1993)。 しかし、代謝と結合の遺伝的差異は、異なる個々の毒性反応を制御する上での主要な決定要因として残っています。

図 5. 毒性が発生する一般的な手段

TOX050F6

細胞機能における薬物代謝酵素の役割

薬物代謝酵素機能の遺伝的変異は、化学物質に対する個々の反応を決定する上で非常に重要です。 これらの酵素は、曝露後の外来化学物質の運命と時間経過を決定する上で極めて重要です。

図 5 に示すように、化学物質への曝露に対する個人の感受性における薬物代謝酵素の重要性は、生体異物代謝に関するこの単純な議論から明らかな問題よりも、実際にははるかに複雑な問題を提示している可能性があります。 言い換えれば、過去 XNUMX 年間、遺伝毒性メカニズム (DNA 付加体およびタンパク質付加体の測定) が非常に強調されてきました。 しかし、毒性反応を引き起こす上で、非遺伝毒性メカニズムが少なくとも遺伝毒性メカニズムと同じくらい重要であるとしたら?

前述のように、生体異物代謝に関与する多くの薬物代謝酵素の生理学的役割は正確に定義されていません。 Nebert (1994) は、この惑星上に 3.5 億年以上にわたって存在していたため、薬物代謝酵素はもともと (そして現在もなお主に) 転写活性化に重要な多くの非ペプチド リガンドの細胞レベルの調節に関与していたと提案しています。成長、分化、アポトーシス、ホメオスタシス、神経内分泌機能に影響を与える遺伝子の研究。 さらに、すべてではないにしてもほとんどの環境因子の毒性は、 アゴニスト or 拮抗薬 これらのシグナル伝達経路に対する作用 (Nebert 1994)。 この仮説に基づいて、薬物代謝酵素の遺伝的多様性は、細胞内の多くの重要な生化学的プロセスに非常に劇的な影響を与え、それによって毒性反応に重要な違いをもたらす可能性があります. そのようなシナリオは、一般的に処方された薬を使用している患者に見られる多くの特異な有害反応の根底にある可能性もあります.

結論

過去 2 年間で、薬物、食品、環境汚染物質中の化学物質に対する反応の違いの遺伝的基盤に関する理解が著しく進歩しました。 薬物代謝酵素は、人間が化学物質に反応する方法に大きな影響を与えます。 薬物代謝酵素の多様性に対する認識が進化し続けるにつれて、多くの薬物や環境化学物質の毒性リスクの評価を改善できるようになりました。 これはおそらく、CYP6D450 シトクロム PXNUMX 酵素の場合に最も明確に示されています。 比較的単純な DNA ベースのテストを使用して、主にこの酵素によって代謝される薬物の反応を予測することができます。 この予測により、価値がありながら潜在的に毒性のある医薬品の安全な使用が保証されます。

将来、薬物代謝酵素が関与するさらなる多型 (表現型) の同定が爆発的に増加することは間違いありません。 この情報には、人間集団の遺伝子型を特定するための改良された低侵襲の DNA ベースの検査が付随します。

このような研究は、現在原因不明の多くの環境病における化学物質の役割を評価する上で特に有益なはずです。 複数の薬物代謝酵素多型を組み合わせて検討することも (例えば、表 1)、特に肥沃な研究分野を表す可能性があります。 このような研究は、癌の原因における化学物質の役割を明らかにするでしょう。 まとめると、この情報は、個人が懸念する可能性が高い化学物質の回避に関する、ますます個別化されたアドバイスの作成を可能にするはずです。 これは予防毒性学の分野です。 そのようなアドバイスは、私たちがさらされている化学物質の負荷が増え続けることに対処する上で、すべての人にとって大きな助けとなることは間違いありません。

 

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日曜日、1月16 2011 16:18

概要と概念

機械毒性学は、化学的または物理的作用物質が生物とどのように相互作用して毒性を引き起こすかについての研究です。 物質の毒性のメカニズムに関する知識は、毒性を防止し、より望ましい化学物質を設計する能力を高めます。 それは過剰暴露時の治療の基礎を構成し、基本的な生物学的プロセスのさらなる理解を可能にすることがよくあります。 この目的のために 百科事典 ヒトの毒性を予測するために、動物に重点が置かれます。 毒物学のさまざまな分野には、機構、記述、規制、法医学、および環境毒物学が含まれます (Klaassen、Amdur、および Doull 1991)。 これらはすべて、毒性の基本的なメカニズムを理解することから得られます。

毒性のメカニズムを理解する理由

物質が毒性を引き起こすメカニズムを理解することは、毒物学のさまざまな分野をさまざまな方法で強化します。 機械的な理解は、政府の規制当局が法的拘束力のある人間への暴露の安全な制限を確立するのに役立ちます。 これは、毒物学者が汚染された場所の浄化または修復に関する一連の行動を推奨するのに役立ち、物質または混合物の物理的および化学的特性とともに、必要な保護具の程度を選択するために使用できます。 メカニズムの知識は、治療の基礎を形成したり、ヒトの病気を治療するための新薬を設計したりするのにも役立ちます。 法医毒物学者にとって、毒性のメカニズムは、化学的または物理的因子がどのように死または無力化を引き起こすかについての洞察をしばしば提供します.

毒性のメカニズムが理解されれば、記述的毒性学は関連する化学物質の毒性効果を予測するのに役立ちます。 ただし、メカニズムに関する情報が不足していても、医療専門家が人間の健康を保護することを思いとどまらせることはできないことを理解することが重要です。 動物実験と人間の経験に基づく慎重な決定は、安全な暴露レベルを確立するために使用されます。 伝統的に、安全域は、動物研究からの「有害影響なしレベル」または「最小有害影響レベル」(反復暴露計画を使用)を使用し、そのレベルを職業暴露の場合は 100 倍、または暴露の場合は 1,000 倍で割ることによって確立されました。その他の人間の環境曝露。 このプロセスの成功は、過去に適切な暴露限界が設定され、守られていた労働者の化学物質暴露に起因する健康への悪影響のいくつかの事例から明らかです。 さらに、人間の寿命は伸び続けており、生活の質も向上しています。 全体として、毒性データの使用は効果的な規制および自主管理につながっています。 毒性メカニズムの詳細な知識は、現在開発されている新しいリスク モデルの予測可能性を高め、継続的な改善につながります。

環境メカニズムの理解は複雑であり、生態系の崩壊と恒常性 (バランス) に関する知識が前提となります。 この記事では説明しませんが、生態系における有毒メカニズムとその最終的な結果についての理解を深めることは、科学者が都市廃棄物および産業廃棄物の取り扱いに関して賢明な決定を下すのに役立ちます。 廃棄物管理は研究の成長分野であり、今後も非常に重要であり続けるでしょう。

毒性のメカニズムを研究するための技術

機構研究の大部分は、動物での記述的な毒物学的研究またはヒトでの臨床観察から始まります。 理想的には、動物研究には、注意深い行動および臨床観察、体内の主要な生物学的システムの有害な機能の徴候についての血液および尿の要素の注意深い生化学的検査、および顕微鏡検査によるすべての器官系の死後評価が含まれます。 (OECD 試験ガイドライン、化学物質評価に関する EC 指令、米国 EPA 試験規則、日本の化学物質規制を参照)。 これは、死後検査を除いて、病院で XNUMX ~ XNUMX 日間にわたって行われる徹底的な人間の身体検査に似ています。

毒性のメカニズムを理解することは、観察の芸術と科学、さまざまな仮説を検証するための技術の選択における創造性、および因果関係への徴候と症状の革新的な統合です。 メカニズム研究は暴露から始まり、時間に関連した分布と体内の運命 (薬物動態) を追跡し、システムのあるレベルとある用量レベルで結果として生じる毒性効果を測定します。 さまざまな物質が、生物系のさまざまなレベルで作用して毒性を引き起こす可能性があります。

暴露

機構研究における暴露経路は、通常、ヒトへの暴露と同じです。 化学物質が血液に吸収されて全身に分布した後、全身への影響に加えて、暴露部位で局所的に影響が生じる可能性があるため、経路は重要です。 局所的な影響の単純だが説得力のある例は、硬い表面を洗浄するために設計された強酸または強アルカリ溶液を適用した後の皮膚の刺激と最終的な腐食です. 同様に、刺激性の蒸気や窒素酸化物やオゾンなどのガスにさらされた後、鼻や肺の内側を覆っている細胞に刺激や細胞死が生じる可能性があります。 (どちらも大気汚染またはスモッグの構成要素です)。 化学物質が皮膚、肺、または胃腸管を介して血液に吸収された後、臓器または組織における濃度は、体内の化学物質の薬物動態を決定する多くの要因によって制御されます。 体には、以下に示すように、さまざまな化学物質を活性化し、解毒する能力があります。

毒性における薬物動態の役割

薬物動態は、化学物質の吸収、分布、代謝 (体内の生化学的変化)、および体からの排出または排泄の時間関係を説明します。 毒性のメカニズムと比較して、これらの薬物動態変数は非常に重要であり、場合によっては毒性が発生するかどうかを決定します。 例えば、材料が十分に吸収されなければ、全身毒性(体内)は発生しません。 逆に、反応性の高い化学物質は、消化酵素または肝臓酵素によって迅速に (数秒または数分) 解毒されるため、毒性を引き起こす時間がない場合があります。 一部の多環式ハロゲン化物質および混合物、ならびに鉛などの特定の金属は、排泄が急速であれば重大な毒性を引き起こさない。 しかし、排泄は急速ではないため(年単位で測定されることもある)、十分に高いレベルまで蓄積すると毒性が決まる。 幸いなことに、ほとんどの化学物質は体内に長く留まることはありません。 無害な物質が蓄積しても、毒性は誘発されません。 体内からの排出と解毒の速度は、化学物質の半減期と呼ばれることが多く、これは化学物質の 50% が排泄されるか、無毒な形に変化する時間です。

しかし、化学物質が特定の細胞または器官に蓄積する場合、その器官での潜在的な毒性をさらに調査する理由になる可能性があります。 最近では、動物からヒトへの薬物動態変数を外挿する数学的モデルが開発されました。 これらの薬物動態モデルは、仮説を作成し、実験動物が人間にとって適切な表現であるかどうかをテストするのに非常に役立ちます。 このテーマについては、数多くの章とテキストが書かれています (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995)。 生理学的モデルの簡略化された例を図 1 に示します。

図 1. 単純化された薬物動態モデル

TOX210F1

さまざまなレベルとシステムが悪影響を受ける可能性があります

毒性は、さまざまな生物学的レベルで説明できます。 傷害は、人全体(または動物)、臓器系、細胞または分子で評価できます。 臓器系には、免疫系、呼吸器系、心血管系、腎臓系、内分泌系、消化器系、筋骨格系、血液系、生殖系、および中枢神経系が含まれます。 いくつかの重要な器官には、肝臓、腎臓、肺、脳、皮膚、目、心臓、精巣または卵巣、およびその他の主要な器官が含まれます。 細胞/生化学的レベルでは、悪影響には、正常なタンパク質機能、内分泌受容体機能、代謝エネルギー阻害、または生体異物 (異物) 酵素阻害または誘導への干渉が含まれます。 分子レベルでの悪影響には、DNA-RNA 転写の正常な機能、特定の細胞質および核内受容体結合、遺伝子または遺伝子産物の変化が含まれます。 最終的に、主要な臓器系の機能障害は、その臓器内の特定の標的細胞の分子変化によって引き起こされる可能性があります。 しかし、メカニズムを因果関係の分子的起源までさかのぼることは必ずしも可能ではなく、また必要でもありません。 介入と治療は、分子標的を完全に理解していなくても設計できます。 ただし、毒性の特定のメカニズムに関する知識は、他の化学物質への外挿の予測値と精度を高めます。 図 2 は、正常な生理学的プロセスの干渉を検出できるさまざまなレベルを図式的に表したものです。 矢印は、個人への影響がトップダウン (暴露、薬物動態から系/臓器毒性) またはボトムアップ (分子変化、細胞/生化学的影響から系/臓器毒性) から決定できることを示しています。

図 2. 毒性メカニズムの再現

TOX210F2

毒性メカニズムの例

毒性のメカニズムは単純なものから非常に複雑なものまであります。 多くの場合、毒性の種類、毒性のメカニズム、および影響のレベルには違いがあり、副作用が単回の急性高用量 (偶発的な中毒など) によるものか、低用量によるものかに関連しています。反復ばく露(職業的または環境的ばく露による)。 古典的には、試験目的で、げっ歯類の胃に直接挿管するか、ガスまたは蒸気の雰囲気に XNUMX 時間から XNUMX 時間曝露することによって、急性の単回高用量を投与します。 暴露後 XNUMX 週間にわたって動物を観察し、主要な外部および内部器官の損傷を調べます。 反復投与試験は、数か月から数年に及びます。 げっ歯類の場合、XNUMX 年間は毒性と発がん性を評価するのに十分な慢性 (生涯) 試験と見なされますが、ヒト以外の霊長類では、反復投与毒性を評価するための亜慢性 (生涯未満) 試験と見なされるのは XNUMX 年間です。 曝露後、すべての組織、臓器、体液の完全な検査が行われ、悪影響が確認されます。

急性毒性メカニズム

以下の例は、死亡または重度の無力化につながる可能性のある高用量の急性影響に特有のものです。 ただし、場合によっては、介入によって一時的で完全に可逆的な影響が生じることがあります。 暴露の用量または重症度によって結果が決まります。

単純な窒息剤. 不活性ガスやその他の非反応性物質の毒性のメカニズムは、酸素欠乏 (無酸素症) です。 中枢神経系(CNS)の酸素欠乏を引き起こすこれらの化学物質は、 単純な窒息剤. 十分な酸素がない状態で窒素を含む閉鎖空間に入ると、脳内で酸素が即座に枯渇し、意識を失い、最終的には死に至ります。 極端な場合(酸素がゼロに近い場合)、数秒で意識を失うことがあります。 レスキューは、酸素化された環境への迅速な移動に依存します。 回復不能な脳損傷を伴う生存は、再生できないニューロンの死による救助の遅延から発生する可能性があります。

化学窒息剤. 一酸化炭素 (CO) は、ヘモグロビン (赤血球内) への結合について酸素と競合するため、エネルギー代謝のために組織から酸素を奪います。 細胞死が生じる可能性があります。 介入には、CO の発生源からの除去と酸素による処理が含まれます。 酸素の直接使用は、CO の毒性作用に基づいています。もう XNUMX つの強力な化学窒息剤はシアン化物です。 シアン化物イオンは、細胞の代謝とエネルギーのための酸素の利用を妨げます。 亜硝酸ナトリウムで処理すると、赤血球中のヘモグロビンがメトヘモグロビンに変化します。 メトヘモグロビンは、シアン化物の細胞標的よりもシアン化物イオンに対してより大きな結合親和性を持っています。 その結果、メトヘモグロビンはシアン化物に結合し、シアン化物を標的細胞から遠ざけます。 これが解毒療法の基礎となります。

中枢神経系 (CNS) 抑制剤. 急性毒性は、反応性がない、または反応性中間体に変換される溶媒などの多くの物質に対する鎮静または意識消失によって特徴付けられます。 鎮静/麻酔は、中枢神経系の細胞膜と溶媒との相互作用によるものであり、電気的および化学的シグナルを伝達する能力が損なわれるという仮説が立てられています。 鎮静は軽度の毒性のように見えるかもしれませんが、初期の麻酔薬の開発の基礎でした. 摂取または吸入によって十分な用量が投与されると、動物は呼吸停止により死亡する可能性があります。 麻酔による死亡が起こらない場合、このタイプの毒性は通常、対象が環境から取り除かれるか、化学物質が再分配または体内から除去されると、容易に元に戻すことができます。

皮膚への影響. 皮膚への悪影響は、遭遇した物質に応じて、刺激から腐食までさまざまです。 強酸および強アルカリ溶液は、生体組織との相性が悪く、腐食性があるため、化学火傷や瘢痕を引き起こす可能性があります。 瘢痕化は、再生を担う真皮の深部皮膚細胞の死によるものです。 濃度が低いと、皮膚の最初の層に刺激を与える可能性があります。

皮膚の別の特定の毒性メカニズムは、化学感作のメカニズムです。 例として、感作は、2,4-ジニトロクロロベンゼンが皮膚の天然タンパク質と結合し、免疫系が変化したタンパク質結合複合体を異物として認識するときに発生します。 この異物に反応して、免疫系は特殊な細胞を活性化し、発疹や皮膚炎を引き起こすメディエーター (サイトカイン) を放出して異物を排除します (「免疫毒性学」を参照)。 これはツタウルシにさらされたときの免疫系の反応と同じです。 免疫感作は特定の化学物質に非常に特異的であり、反応が誘発されるまでに少なくとも XNUMX 回の曝露が必要です。 最初の曝露は感作し (化学物質を認識するように細胞をセットアップします)、その後の曝露は免疫系の反応を引き起こします。 接触からの離脱とステロイド含有抗炎症クリームによる対症療法は、通常、感作された個人の治療に効果的です. 重度または難治性の症例では、プレドニゾンなどの全身作用性免疫抑制剤が局所治療と併用されます。

肺感作. 免疫感作反応はトルエン ジイソシアネート (TDI) によって誘発されますが、標的部位は肺です。 影響を受けやすい個人が TDI に過度にさらされると、肺水腫 (体液の蓄積)、気管支の収縮、および呼吸障害が引き起こされます。 これは深刻な状態であり、その後の曝露の可能性から個人を取り除く必要があります。 治療は主に対症療法です。 皮膚および肺の感作は、用量反応に従います。 職業被ばくの設定レベルを超えると、悪影響が生じる可能性があります。

目の効果. 眼の損傷は、外層の発赤(水泳プールの発赤)から角膜の白内障形成、虹彩(眼の着色部分)の損傷までさまざまです。 眼刺激性試験は、重大な傷害が発生しないと考えられる場合に実施されます。 皮膚の腐食を引き起こすメカニズムの多くは、目に損傷を与える可能性もあります。 強酸 (pH 2 未満) やアルカリ (pH 11.5 以上) などの皮膚を腐食する物質は、動物の目でテストされていません。これは、ほとんどが皮膚腐食を引き起こすメカニズムと同様のメカニズムにより、腐食や失明を引き起こすためです。 . さらに、洗剤や界面活性剤などの界面活性剤は、刺激から腐食まで、目の損傷を引き起こす可能性があります。 注意が必要な物質のグループは、正に帯電した (陽イオン性) 界面活性剤で、火傷、角膜の恒久的な混濁、および血管新生 (血管の形成) を引き起こす可能性があります。 別の化学物質であるジニトロフェノールには、白内障の形成に特有の効果があります。 これは、薬物動態学的分布特異性の例である、眼中のこの化学物質の濃度に関連しているようです。

上記のリストはすべてを網羅しているわけではありませんが、さまざまな急性毒性メカニズムについて読者に理解していただけるように設計されています。

亜慢性および慢性毒性メカニズム

XNUMX回の高用量で投与された場合、一部の化学物質は、低用量で繰り返し投与された場合と同じ毒性メカニズムを持たないが、依然として毒性がある. 単回高用量が投与されると、化学物質を解毒または排泄する人の能力を超える可能性が常にあり、これは、より低い反復用量が投与される場合とは異なる毒性反応につながる可能性があります. お酒がいい例です。 高用量のアルコールは一次中枢神経系への影響につながりますが、少量の反復用量は肝障害を引き起こします.

抗コリンエステラーゼ阻害. たとえば、ほとんどの有機リン系殺虫剤は、主に肝臓で代謝的に活性化されるまで、哺乳動物への毒性はほとんどありません。 有機リン酸塩の主な作用機序は、脳および末梢神経系におけるアセチルコリンエステラーゼ (AChE) の阻害です。 AChE は、神経伝達物質アセチルコリンの刺激を終結させる正常な酵素です。 長期間にわたる AChE のわずかな阻害は、悪影響とは関連していません。 高レベルの曝露では、このニューロン刺激を停止できなくなるため、コリン作動性神経系が過剰に刺激されます。 コリン作動性の過剰刺激は、最終的には呼吸停止を含む多くの症状を引き起こし、治療しなければ死に至ります。 主な治療法は、アセチルコリンの作用を遮断するアトロピンの投与と、阻害された AChE を再活性化する塩化プラリドキシムの投与です。 したがって、有機リン毒性の原因と治療の両方は、毒性の生化学的基礎を理解することによって対処されます。

代謝活性化. 四塩化炭素、クロロホルム、アセチルアミノフルオレン、ニトロソアミン、パラコートなどの多くの化学物質は、代謝的に活性化されて、フリーラジカルやその他の反応性中間体になり、正常な細胞機能を阻害および妨害します。 高レベルの暴露では、これは細胞死を引き起こします (「細胞損傷と細胞死」を参照)。 特定の相互作用と細胞標的は不明のままですが、肝臓、腎臓、肺など、これらの化学物質を活性化する能力を持つ臓器系はすべて、損傷の潜在的な標的です. 具体的には、器官内の特定の細胞は、これらの中間体を活性化または解毒する多かれ少なかれ能力を持ち、この能力は器官内の細胞内感受性を決定します。 代謝は、これらのタイプの変換、およびこれらの中間体の分布と排除を説明する薬物動態の理解が、これらの化学物質の作用メカニズムを認識する上で重要である理由の XNUMX つです。

がんのメカニズム. がんはさまざまな疾患であり、1980 年以降に開発された多くの分子生物学的手法により、特定の種類のがんについての理解が急速に深まっていますが、学ぶべきことはまだたくさんあります。 しかし、がんの発生は多段階のプロセスであり、重要な遺伝子がさまざまな種類のがんの鍵であることは明らかです。 これらの重要な遺伝子の多くにおける DNA の変化 (体細胞変異) は、感受性の増加または癌病変を引き起こす可能性があります (「遺伝毒性学」を参照)。 天然化学物質 (牛肉や魚などの調理済み食品に含まれる)、合成化学物質 (染料として使用されるベンジジンなど)、または物理的作用物質 (太陽からの紫外線、土壌からのラドン、医療処置または産業活動からのガンマ線) への曝露はすべて、体細胞遺伝子突然変異の一因。 しかし、保護的で恒常性を維持する天然および合成物質 (抗酸化物質など) と DNA 修復プロセスがあります。 正常な DNA 修復が欠如している色素性乾皮症などの遺伝病症候群は、太陽からの紫外線への暴露による皮膚がんへの感受性を劇的に高めるため、遺伝学ががんの重要な要因であることは明らかです。

生殖メカニズム. がんと同様に、生殖毒性および/または発生毒性の多くのメカニズムが知られていますが、学ぶべきことがたくさんあります。 特定のウイルス(風疹など)、細菌感染、薬剤(サリドマイドやビタミン A など)が発育に悪影響を及ぼすことが知られています。 最近、Carney (1991) によって概説された Khera (1994) の研究は、エチレングリコールの動物実験における異常な発達への影響が母親の代謝性酸性代謝産物に起因するという良い証拠を示しています。 これは、エチレングリコールがグリコール酸やシュウ酸などの酸性代謝物に代謝されるときに発生します。 その後の胎盤と胎児への影響は、この代謝中毒プロセスによるものと思われます。

まとめ

この記事の目的は、いくつかの既知の毒性メカニズムと将来の研究の必要性について展望を与えることです。 人間や環境の健康を守るために、機械的な知識が絶対に必要なわけではないことを理解することが重要です。 この知識は、毒性をより適切に予測および管理する専門家の能力を高めます。 特定のメカニズムを解明するために使用される実際の技術は、科学者の集合的な知識と、人間の健康に関する決定を下す人々の考え方に依存します.

 

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日曜日、1月16 2011 16:29

細胞損傷と細胞死

事実上すべての医学は、心筋梗塞、脳卒中、外傷、ショックなどの病気で細胞死を防ぐか、感染症や癌の場合のようにそれを引き起こすことに専念しています. したがって、関与する性質とメカニズムを理解することが不可欠です。 細胞死は、有毒物質や虚血などによって引き起こされる「偶発的」死と、指の形成やオタマジャクシの尾の吸収などの発生過程で発生する「プログラムされた死」に分類されています。

したがって、細胞損傷と細胞死は、生理学と病態生理学の両方で重要です。 生理学的細胞死は、胚形成および胚発生中に非常に重要です。 発生中の細胞死の研究は、特に無脊椎動物の発生の研究を通じて、関連する分子遺伝学に関する重要で新しい情報をもたらしました。 これらの動物では、細胞死を受ける運命にある細胞の正確な位置と重要性が注意深く研究されており、古典的な突然変異誘発技術を使用して、いくつかの関与する遺伝子が現在同定されています. 成人の臓器では、細胞死と細胞増殖のバランスが臓器の大きさを制御します。 皮膚や腸などの一部の臓器では、細胞の絶え間ない代謝回転があります。 例えば皮膚では、細胞は表面に到達するにつれて分化し、架橋エンベロープの形成を伴う角化が進行するにつれて、最終的に最終分化と細胞死を経ます。

有毒化学物質の多くのクラスは、急性の細胞損傷とその後の死を誘発する可能性があります。 これらには、無酸素症と虚血、およびシアン化カリウムなどのそれらの化学的類似体が含まれます。 核酸中のタンパク質に共有結合する求電子剤を形成する化学発癌物質。 酸化剤の化学物質、フリーラジカルの形成と酸化剤の損傷をもたらします。 補体の活性化; およびさまざまなカルシウムイオノフォア。 細胞死は、化学発がんの重要な要素でもあります。 多くの完全な化学発がん物質は、発がん性用量で、急性の壊死と炎症を引き起こし、その後に再生と前腫瘍を引き起こします。

定義

細胞損傷

細胞損傷は、細胞の正常なホメオスタシスを混乱させ、多数のイベントを発生させる有毒化学物質などのイベントまたは刺激として定義されます (図 1)。 説明されている致命的な傷害の主なターゲットは、ATP 合成の阻害、原形質膜の完全性の破壊、または必須の成長因子の離脱です。

図 1. 細胞損傷

TOX060F1

致命的な傷害は、温度、細胞の種類、および刺激に応じて、さまざまな期間の後に細胞の死をもたらします。 またはそれらは致死的または慢性的である可能性があります。つまり、損傷により恒常性状態が変化し、異常ではありますが、細胞死には至りません (Trump and Arstila 1971; Trump and Berezesky 1992; Trump and Berezesky 1995; Trump, Berezesky andオソルニオ・バルガス 1981)。 致命的な損傷の場合、細胞死の前に段階があります

この間、細胞は回復します。 しかし、特定の時点 (「復帰不能点」または細胞死点) の後、損傷の除去は回復には至らず、代わりに細胞は分解と加水分解を受け、最終的に細胞との物理化学的平衡に達します。環境。 これはネクローシスとして知られる段階です。 致死前段階では、細胞と損傷の種類に応じて、いくつかの主要な種類の変化が発生します。 これらは、アポトーシスおよびオンコーシスとして知られています。

 

 

 

 

 

アポトーシス

アポトーシスはギリシャ語に由来します アポ、離れていることを意味し、 下垂、落ちることを意味します。 用語 から離れて このタイプの致死前の変化の間に、細胞が収縮し、周辺に顕著な小疱ができるという事実に由来します。 その後、ブレブが剥がれて浮き上がります。 アポトーシスは、さまざまなタイプの毒性損傷に続いて、さまざまな細胞タイプで発生します (Wyllie、Kerr、および Currie 1980)。 これは、リンパ球クローンのターンオーバーの主要なメカニズムであるリンパ球で特に顕著です。 得られた断片は、リンパ節のマクロファージ内に見られる好塩基性体になります。 他の臓器では、アポトーシスは典型的には、隣接する実質細胞またはマクロファージによる断片の食作用によって、死の前後に急速に除去される単一細胞で発生します。 単一細胞で発生するアポトーシスとその後の食作用は、通常、炎症を引き起こしません。 死の前に、アポトーシス細胞は、正常または凝縮したミトコンドリアを持つ非常に高密度のサイトゾルを示します。 小胞体 (ER) は正常であるか、わずかに拡張しています。 核クロマチンは、核膜に沿って核小体の周りに著しく凝集しています。 核の輪郭も不規則で、核の断片化が起こります。 クロマチン凝縮は、多くの場合、ヌクレオソーム間で発生する DNA 断片化に関連しており、電気泳動で特徴的なラダーの外観を示します。

アポトーシスでは、[Ca2+]i Kを刺激する可能性があります+ おそらくATPを必要とする細胞収縮をもたらす流出。 したがって、ATP 合成を完全に阻害する損傷は、アポトーシスを引き起こす可能性が高くなります。 [Caの持続的な増加2+]i プロテアーゼ、エンドヌクレアーゼ、ホスホリパーゼの活性化など、多くの有害な影響があります。 エンドヌクレアーゼの活性化は、一本鎖および二本鎖の DNA 鎖の切断を引き起こし、p53 およびポリ ADP リボシル化、および DNA 修復に不可欠な核タンパク質のレベルの増加を刺激します。 プロテアーゼの活性化は、アクチンおよびブレブ形成につながる関連タンパク質を含む多くの基質を変更します。 もう XNUMX つの重要な基質は、DNA 修復を阻害するポリ (ADP リボース) ポリメラーゼ (PARP) です。 [Caの増加2+]i また、MAPキナーゼ、カルモジュリンキナーゼなどの多くのプロテインキナーゼの活性化にも関連しています。 このようなキナーゼは、c-fos、c-jun、c-myc などの前初期遺伝子の転写を開始する転写因子の活性化、およびホスホリパーゼ A の活性化に関与しています。2 これにより、原形質膜およびミトコンドリアの内膜などの細胞内膜の透過処理が行われます。

腫瘍症

Oncosis、ギリシャ語に由来 ですこのタイプの致死前変化では、損傷の直後に細胞が膨張し始めるため、膨張するという名前が付けられました (Majno and Joris 1995)。 膨潤の理由は、細胞内の水中の陽イオンの増加です。 原因となる主な陽イオンはナトリウムであり、通常は細胞容積を維持するために調節されています。 しかし、ATP が存在しない場合、または原形質膜の Na-ATPase が阻害されている場合、細胞内タンパク質のために体積制御が失われ、水中のナトリウムが増加し続けます。 したがって、腫瘍症の初期のイベントの中で [Na+]i これは細胞の膨張と増加につながります[Ca2+]i 細胞外空間からの流入または細胞内貯蔵からの放出のいずれかによって生じる。 これは、サイトゾルの膨張、小胞体およびゴルジ体の膨張、および細胞表面の周りの水疱の形成をもたらす. ミトコンドリアは最初は凝縮しますが、後にミトコンドリア内膜への損傷により高振幅の膨張を示します。 このタイプの致死前変化では、クロマチンが凝縮し、最終的には分解します。 ただし、アポトーシスの特徴的なはしごパターンは見られません。

壊死

ネクローシスとは、細胞死後、細胞がデブリに変換され、通常は炎症反応によって除去される一連の変化を指します。 腫瘍性壊死とアポトーシス性壊死の XNUMX 種類があります。 浸透圧性壊死は、典型的には、心筋梗塞などの大きなゾーンで、またはHgClの投与後の腎近位尿細管などの化学的毒性の後に臓器の局所的に発生します2. 臓器の広い領域が関与し、壊死細胞が急速に炎症反応を引き起こします。最初は急性で、次に慢性です。 生物が生き残った場合、多くの臓器では、壊死に続いて死んだ細胞が取り除かれ、化学毒性に続いて肝臓や腎臓が再生されます。 対照的に、アポトーシス壊死は通常、単一細胞ベースで発生し、壊死破片はマクロファージまたは隣接する実質細胞の食細胞内で形成されます。 壊死細胞の最も初期の特徴には、原形質膜の連続性の中断と、ミトコンドリアマトリックス内の変性タンパク質を表す凝集密度の出現が含まれます。 最初はミトコンドリアのカルシウム蓄積を妨げない損傷のいくつかの形態では、リン酸カルシウムの沈着物がミトコンドリア内に見られることがあります。 ER、リソソーム、ゴルジ体など、他の膜系も同様に断片化しています。 最終的に、核クロマチンはリソソーム加水分解酵素による攻撃の結果、溶解を受けます。 細胞死に続いて、カテプシン、ヌクレオラーゼ、およびリパーゼを使用して破片を除去する際に、リソソーム加水分解酵素が重要な役割を果たします。これは、これらが最適な酸性 pH を持ち、他の細胞酵素が変性および不活性化されている間、壊死細胞の低 pH を生き残ることができるためです。

メカニズム

初期刺激

致死的な傷害の場合、細胞死につながる傷害をもたらす最も一般的な最初の相互作用は、酸素欠乏症、虚血または呼吸の阻害剤などのエネルギー代謝と、シアン化カリウム、一酸化炭素、ヨード酢酸などの解糖系の干渉です。すぐ。 上述のように、エネルギー代謝を阻害する高用量の化合物は、典型的に腫瘍症を引き起こす。 急性細胞死をもたらす他の一般的なタイプの初期損傷は、原形質膜の機能の改変です (Trump and Arstila 1971; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981)。 これは、外傷や補体のC5b-C9複合体の活性化、細胞膜への機械的損傷、またはナトリウム - カリウム(Na+-K+) ウアバインなどのグリコシドをポンプします。 [Ca2+] 勾配を下って細胞に入り、急性致死損傷も引き起こします。 場合によっては、致死前の変化のパターンはアポトーシスです。 他の人では、それは腫瘍症です。

シグナル伝達経路

多くの種類の損傷により、ミトコンドリアの呼吸と酸化的リン酸化が急速に影響を受けます。 一部の細胞では、これは ATP を維持できる嫌気性解糖を刺激しますが、多くの損傷ではこれが阻害されます。 ATP が欠乏すると、多くの重要な恒常性プロセス、特に細胞内イオンの恒常性の制御にエネルギーを与えることができなくなります (Trump and Berezesky 1992; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981)。 これにより、[Ca2+]i、および増加した [Na+] および [Cl-] 細胞の膨張を引き起こします。 [Caの増加2+]i 一連のキナーゼを含む、以下で説明する他の多くのシグナル伝達メカニズムの活性化をもたらし、前初期遺伝子転写の増加をもたらす可能性があります。 [Caの増加2+]i また、細胞骨格機能を変更し、部分的に小疱形成を引き起こし、エンドヌクレアーゼ、プロテアーゼ、ホスホリパーゼを活性化します。 これらは、プロテアーゼやリパーゼの活性化による膜損傷、エンドヌクレアーゼの活性化による DNA の直接分解、転写因子として作用する MAP キナーゼやカルモジュリン キナーゼなどのキナーゼの活性化など、上で説明した重要な効果の多くを引き起こすようです。

無脊椎動物の開発に関する広範な研究を通じて C.エレガンス および ショウジョウバエ、ヒトおよび動物の細胞と同様に、一連の死に至る遺伝子が特定されています。 これらの無脊椎動物の遺伝子のいくつかは、哺乳類の対応物を持っていることがわかっています。 たとえば、プログラム細胞死に不可欠な ced-3 遺伝子は、 C. elegans、 プロテアーゼ活性があり、哺乳動物のインターロイキン変換酵素 (ICE) と強い相同性があります。 アポパインまたは prICE と呼ばれる密接に関連する遺伝子が、さらに近い相同性で最近同定されました (Nicholson et al. 1995)。 の ショウジョウバエ、死神遺伝子は、プログラムされた細胞死につながるシグナルに関与しているようです。 他のプロデス遺伝子には、Fas 膜タンパク質と、広く保存されている重要な腫瘍抑制遺伝子 p53 が含まれます。 p53 は、DNA 損傷後にタンパク質レベルで誘導され、リン酸化されると、細胞死シグナル伝達に関与する gadd45 や waf-1 などの他の遺伝子の転写因子として機能します。 c-fos、c-jun、c-myc などの他の前初期遺伝子も、いくつかのシステムに関与しているようです。

同時に、死を促進する遺伝子に対抗するように見える抗死遺伝子があります。 これらのうち最初に特定されたのは、 C.エレガンス、ヒトの bcl-2 と相同です。 これらの遺伝子は、遺伝的毒素または化学的毒素による細胞死を防ぐために、まだ知られていない方法で作用します。 最近のいくつかの証拠は、bcl-2 が抗酸化剤として作用する可能性があることを示しています。 現在、関与する遺伝子の理解を深め、状況に応じてこれらの遺伝子を活性化または阻害する方法を開発するための多くの努力が進行中です.

 

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日曜日、1月16 2011 16:34

遺伝毒性学

遺伝毒物学は、定義上、化学的または物理的要因が遺伝の複雑なプロセスにどのように影響するかの研究です。 遺伝毒性化学物質は、生細胞の遺伝物質を改変できる化合物と定義されています。 特定の化学物質が遺伝的損傷を引き起こす可能性は、必然的に、生物の化学物質への暴露レベル、体内に入った化学物質の分布と保持、代謝活性化および/または解毒システムの効率など、いくつかの変数に依存します。標的組織、および細胞内の重要​​な高分子との化学物質またはその代謝物の反応性。 遺伝的損傷が最終的に病気を引き起こす可能性は、損傷の性質、遺伝的損傷を修復または増幅する細胞の能力、誘発された変化を表現する機会、および遺伝子の増殖を認識して抑制する身体の能力に依存します。異常細胞。

高等生物では、遺伝情報は染色体で構成されています。 染色体は、タンパク質結合 DNA の密に凝縮した鎖で構成されています。 5 つの染色体内で、各 DNA 分子は、3 つのデオキシリボース部分の 1 炭素を次の 1 炭素に結合するホスホジエステル結合によって結合された、ヌクレオチド サブユニットの長い非分岐鎖のペアとして存在します (図 XNUMX)。 さらに、XNUMX つの異なるヌクレオチド塩基 (アデニン、シトシン、グアニン、またはチミン) の XNUMX つが、糸上のビーズのように各デオキシリボース サブユニットに結合します。 三次元的に、DNA 鎖の各ペアは二重らせんを形成し、すべての塩基がらせんの内側に向いています。 ヘリックス内では、各塩基は反対側の DNA 鎖の相補的な塩基と結合しています。 水素結合は、アデニンとチミン、およびグアニンとシトシンの強力な非共有結合を決定します (図 XNUMX)。 ヌクレオチド塩基の配列は二本鎖 DNA 分子の全長にわたって相補的であるため、両方の鎖は本質的に同じ遺伝情報を持っています。 実際、DNA の複製中に、各鎖は新しいパートナー鎖を生成するためのテンプレートとして機能します。

図 1. ヒトの遺伝情報の (a) 一次、(b) 二次、および (c) 三次組織

TOX090F1RNA とさまざまなタンパク質の配列を使用して、細胞は最終的に、DNA (遺伝子) の特定の領域内の塩基の線形配列によってエンコードされた情報を解読し、基本的な細胞の生存と正常な成長と分化に不可欠なタンパク質を生成します。 本質的に、ヌクレオチドは、タンパク質のビルディングブロックであるアミノ酸をコードするために使用される生物学的アルファベットのように機能します.

誤った塩基が挿入されたり、塩基が失われたり、DNA 合成時に不要な塩基が追加されたりすることを突然変異と呼びます。 10回につきXNUMX回未満の突然変異が起こると推定されています9 細胞の正常な複製中に取り込まれるヌクレオチド。 突然変異は必ずしも有害ではありませんが、重要な遺伝子の不活性化または過剰発現を引き起こす変化は、がん、遺伝性疾患、発達異常、不妊症、胎児または周産期の死亡など、さまざまな障害を引き起こす可能性があります。 ごくまれに、突然変異によって生存率が向上することがあります。 そのような発生は自然選択の基礎です。

一部の化学物質は DNA と直接反応しますが、ほとんどは代謝活性化を必要とします。 後者の場合、最終的にはエポキシドやカルボニウムイオンなどの求電子中間体が、遺伝物質内のさまざまな求核部位で損傷を誘発する原因となります (図 2)。 他の例では、遺伝毒性は、細胞内脂質、タンパク質、または酸素との化合物の相互作用の副産物によって媒介されます。

図 2. 生物活性化: a) ベンゾ (a) ピレン。 b) N-ニトロソジメチルアミン

TOX090F2

タンパク質は細胞内に比較的豊富に存在するため、毒性物質相互作用の最も頻繁な標的です。 しかし、DNA の修飾は、細胞の複数世代にわたる成長と分化の調節においてこの分子が中心的な役割を果たしているため、より大きな懸念事項となっています。

分子レベルでは、求電子化合物は DNA の酸素と窒素を攻撃する傾向があります。 最も修飾を受けやすい部位を図 3 に示します。DNA バックボーンのリン酸基内の酸素も化学修飾の標的ですが、これらの基は主要な情報源であると考えられているため、塩基への損傷は生物学的により関連があると考えられています。 DNA分子の要素。

図 3. 化学的に誘発された DNA 損傷の主な部位

TOX090F3

4 つの求電子部分を含む化合物は、通常、DNA にモノ付加体を生成することによって遺伝毒性を発揮します。 同様に、XNUMX つ以上の反応性部分を含む化合物は、XNUMX つの異なる求核中心と反応し、それによって遺伝物質の分子内または分子間架橋を生成します (図 XNUMX)。 鎖間 DNA-DNA および DNA-タンパク質架橋は、DNA 複製に対する完全なブロックを形成する可能性があるため、特に細胞毒性を示す可能性があります。 明らかな理由から、細胞の死によって、細胞が変異したり、腫瘍性に変化したりする可能性がなくなります。 遺伝毒性物質は、ホスホジエステル骨格の切断、または DNA の塩基と糖の間の切断 (脱塩基部位の生成) を誘発することによっても作用する可能性があります。 このような切断は、損傷部位での化学反応の直接的な結果である可能性があり、または前述の種類の DNA 損傷のいずれかの修復中に発生する可能性があります。

図 4. タンパク質-DNA 複合体のさまざまな損傷

TOX090F4

過去 XNUMX 年から XNUMX 年にわたって、さまざまな化学物質によって引き起こされる遺伝子損傷の種類を監視するためのさまざまな技術が開発されてきました。 このようなアッセイについては、この章の別の場所で詳しく説明します。 百科事典.

モノ付加体、脱塩基部位、または一本鎖切断などの「微小病変」の誤った複製は、最終的にヌクレオチド塩基対の置換、または染色体 DNA における短いポリヌクレオチド断片の挿入または欠失をもたらす可能性があります。 対照的に、かさばる付加物、架橋、または二本鎖切断などの「マクロレジョン」は、染色体の比較的大きな断片の獲得、喪失、または再編成を引き起こす可能性があります。 いずれにせよ、これらの事象のいずれかが細胞死、機能の喪失、または細胞の悪性形質転換につながる可能性があるため、その結果は生物に壊滅的な影響を与える可能性があります. DNA損傷がどのようにがんを引き起こすかは、正確にはほとんどわかっていません。 現在、このプロセスには、 私のC および ラス、および/またはp53などの最近同定された腫瘍抑制遺伝子の不活性化。 いずれかのタイプの遺伝子の異常な発現は、細胞の増殖および/または分化を制御するための正常な細胞メカニズムを無効にします。

実験的証拠の優勢は、求電子化合物への暴露後の癌の発生が比較的まれな出来事であることを示しています。 これは、部分的には、損傷した DNA を認識して修復する細胞固有の能力、または損傷した DNA を持つ細胞が生き残れないことによって説明できます。 修復中、損傷部位を囲む損傷した塩基、ヌクレオチド、またはヌクレオチドの短いストレッチが除去され、(反対側の鎖をテンプレートとして使用して) 新しい DNA 断片が合成され、所定の位置にスプライシングされます。 効果的であるためには、細胞分裂の前、つまり突然変異の伝播の前に、DNA修復が非常に正確に行われなければなりません.

臨床研究によると、損傷した DNA を修復する能力に遺伝的な欠陥がある人は、幼い頃に癌や発達異常を頻繁に発症することが示されています (表 1)。 このような例は、DNA 損傷の蓄積を人間の病気に結びつける強力な証拠を提供します。 同様に、細胞増殖を促進する薬剤(テトラデカノイルホルボールアセテートなど)は、しばしば発がんを促進します。 これらの化合物について、腫瘍性形質転換の可能性の増加は、細胞が適切な DNA 修復を実行するために利用できる時間の減少の直接的な結果である可能性があります。

表 1. DNA 修復の欠陥が関与していると思われる遺伝性のがんになりやすい疾患

症候群 症状 細胞表現型
毛細血管拡張性運動失調症 神経学的悪化
免疫不全
リンパ腫の発生率が高い
電離放射線および特定のアルキル化剤に対する過敏症。
損傷した DNA の複製の調節不全 (DNA 修復のための時間の短縮を示している可能性があります)
ブルーム症候群 発達異常
露出した皮膚の病変
免疫系および消化管の腫瘍の発生率が高い
高頻度の染色体異常
DNA修復に関連する切断のライゲーション不良
ファンコニ貧血 成長遅延
白血病の発生率が高い
架橋剤に対する過敏症
高頻度の染色体異常
DNA の架橋の欠陥修復
遺伝性非ポリープ性結腸がん 大腸がんの発生率が高い DNAミスマッチ修復の欠損(複製時に間違った塩基が挿入された場合)
色素性乾皮症 皮膚の露出部分に上皮腫の発生率が高い
神経障害(多くの場合)
紫外線および多くの化学発癌物質に対する過敏症
損傷したDNAの切除修復および/または複製の欠陥

 

化学物質が DNA とどのように相互作用するかに関する最も初期の理論は、戦争で使用するマスタード ガスの開発中に行われた研究にまでさかのぼることができます。 さらなる理解は、急速に分裂する腫瘍細胞の複製を選択的に阻止する抗がん剤を特定する努力から生まれました。 私たちの環境における危険に対する社会的関心の高まりは、遺伝物質との化学的相互作用のメカニズムと結果に関する追加の研究を促しました。 遺伝毒性を発揮するさまざまな種類の化学物質の例を表 2 に示します。

表 2. ヒト細胞で遺伝毒性を示す化学物質の例

化学品の分類 暴露源 遺伝毒性病変の可能性
アフラトキシン アフラトキシンB1 汚染された食品 かさばる DNA 付加物
芳香族アミン 2-アセチルアミノフルオレン 環境 かさばる DNA 付加物
アジリジンキノン マイトマイシンC がん化学療法 DNA の単付加体、鎖間架橋、および一本鎖切断。
塩素化炭化水素 塩化ビニル 環境 DNA のモノアダクト
金属および金属化合物 シスプラチン がん化学療法 DNA の鎖内および鎖間架橋の両方
  ニッケル化合物 環境 DNA の単付加体と一本鎖切断
窒素マスタード シクロホスファミド がん化学療法 DNA のモノアダクトと鎖間架橋
ニトロソアミン N-ニトロソジメチルアミン 汚染された食品 DNA のモノアダクト
多環芳香族炭化水素 ベンゾ(a)ピレン 環境 かさばる DNA 付加物

 

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日曜日、1月16 2011 18:35

免疫毒性学

免疫系の機能は、病原体の侵入から身体を保護し、発生する腫瘍細胞に対する免疫監視を提供することです。 それは、非特異的でエフェクター反応自体を開始できる防御の最前線と、リンパ球と抗体が認識の特異性とその後の抗原に対する反応性を運ぶ後天的な特異的分岐を持っています。

免疫毒性学は、「生体異物と免疫系との相互作用の結果として望ましくない影響をもたらす可能性がある事象の研究に関する学問分野」と定義されています。 これらの望ましくない事象は、(1) 免疫系に対する生体異物 (および/またはその生体内変換産物) の直接的および/または間接的な影響、または (2) 化合物に対する免疫学的に基づく宿主応答および/またはその代謝産物、または化合物またはその代謝産物によって修飾された宿主抗原」(Berlin et al. 1987)。

免疫系が化学的傷害の受動的標的として機能すると、その結果、感染や特定の形態の新形成に対する抵抗力が低下したり、アレルギーや自己免疫を悪化させる可能性のある免疫調節不全/刺激が生じる可能性があります. 免疫系が化合物によって修飾された生体異物または宿主抗原の抗原特異性に応答する場合、毒性はアレルギーまたは自己免疫疾患として現れる可能性があります。

化学物質による免疫抑制を調査するための動物モデルが開発されており、これらの方法の多くが検証されています (Burleson、Munson、および Dean 1995; IPCS 1996)。 テストの目的で、利用可能なアッセイの圧倒的な数から適切な選択を行うために、段階的なアプローチに従います。 一般に、第 XNUMX 段階の目的は、潜在的な免疫毒性物質を特定することです。 潜在的な免疫毒性が確認された場合、観察された変化を確認し、さらに特徴付けるために、第 XNUMX 段階のテストが行​​われます。 第三段階の調査には、化合物の作用メカニズムに関する特別な調査が含まれます。 いくつかの生体異物は、実験動物を用いたこのような研究で免疫抑制を引き起こす免疫毒性物質として同定されています。

環境化学物質によるヒトの免疫機能障害に関するデータベースは限られている (Descotes 1986; NRC Subcommittee on Immunotoxicology 1992)。 免疫毒性のマーカーの使用は、これらの化学物質が人間の健康に及ぼす影響を調査するための臨床研究および疫学研究ではほとんど注目されていません。 そのような研究は頻繁には行われておらず、例えば暴露の制御されていない性質のために、それらの解釈では明確な結論を導き出すことができないことが多い. したがって、現時点では、げっ歯類における免疫毒性評価とその後のヒトへの外挿が、危険性とリスクに関する決定の基礎を形成しています。

過敏症反応、特にアレルギー性喘息および接触性皮膚炎は、先進国における重要な職業上の健康問題です (Vos、Younes、および Smith 1995)。 接触感作の現象は、最初にモルモットで調査された (Andersen and Maibach 1985)。 最近まで、これは予測試験に最適な種でした。 多くのモルモット試験方法が利用可能であり、最も頻繁に使用されるのは、モルモット最大化試験とビューラーの閉塞パッチ試験です。 モルモット試験と、マウスで開発された耳腫脹試験や局所リンパ節アッセイなどの新しいアプローチは、毒物学者に皮膚感作の危険性を評価するためのツールを提供します。 気道の感作に関する状況は非常に異なります。 モルモットとマウスで化学的呼吸器アレルギーを調査するための動物モデルの開発が進んでいるが、化学的呼吸器アレルゲンの同定に利用できる、十分に検証された、または広く受け入れられている方法はまだない。

人間のデータは、化学物質、特に薬物が自己免疫疾患を引き起こす可能性があることを示しています (Kammüller、Bloksma、および Seinen 1989)。 ヒト自己免疫疾患の実験動物モデルは数多くあります。 これには、自発的な病理学 (たとえば、ニュージーランドのブラック マウスにおける全身性エリテマトーデス) と、交差反応性自己抗原による実験的免疫によって誘発される自己免疫現象 (たとえば、Lewis 系統ラットにおける H37Ra アジュバント誘発関節炎) の両方が含まれます。 これらのモデルは、免疫抑制剤の前臨床評価に適用されます。 生体異物が誘発性自己免疫または先天性自己免疫を悪化させるかどうかを評価するためのこれらのモデルの可能性に取り組んだ研究はほとんどありません。 自己免疫疾患を誘発する化学物質の能力を調査するのに適した動物モデルは事実上不足しています。 限られた範囲で使用される XNUMX つのモデルは、マウスの膝窩リンパ節アッセイです。 人間の状況と同様に、遺伝的要因は実験動物の自己免疫疾患 (AD) の発症に重要な役割を果たし、そのような検査の予測値を制限します。

免疫システム

免疫系の主な機能は、細菌、ウイルス、寄生虫、菌類、腫瘍細胞に対する防御です。 これは、細かく調整されたコンサートでのさまざまな細胞タイプとそれらの可溶性メディエーターの作用によって達成されます。 宿主の防御は、非特異的または先天的な耐性と、リンパ球によって媒介される特異的または獲得免疫に大まかに分けることができます (Roitt, Brostoff and Male 1989)。

免疫系の構成要素は全身に存在します (Jones et al. 1990)。 リンパ球コンパートメントは、リンパ器官内にあります (図 1)。 骨髄と胸腺は、一次または中央リンパ器官として分類されます。 二次または末梢リンパ器官には、リンパ節、脾臓、および消化管や気道などの分泌面に沿ったリンパ組織、いわゆる粘膜関連リンパ組織(MALT)が含まれます。 体のリンパ球の約半分は常に MALT に存在します。 さらに、皮膚は、皮膚に存在する抗原に対する免疫応答を誘導するための重要な器官です。 この過程で重要なのは、抗原提示機能を持つ表皮ランゲルハンス細胞です。

図 1. 一次および二次リンパ器官および組織

TOX110F1

単核食細胞系 (MPS) と呼ばれる単球/マクロファージ系統の食細胞は、リンパ器官および節外部位で発生します。 節外食細胞には、肝臓のクッパー細胞、肺の肺胞マクロファージ、腎臓のメサンギウムマクロファージ、脳のグリア細胞が含まれます。 多形核白血球 (PMN) は、主に血液と骨髄に存在しますが、炎症部位に蓄積します。

 

 

 

 

 

 

 

非特異的防御

微生物に対する防御の最前線は、皮膚、気道、消化管などの物理的および化学的障壁によって実行されます。 この障壁は、病原体を殺すことができるマクロファージや多形核白血球などの貪食細胞や、腫瘍細胞やウイルス感染細胞を溶解できるナチュラルキラー細胞などの非特異的な保護メカニズムによって助けられています。 補体系および特定の微生物阻害剤 (例えば、リゾチーム) も非特異的応答に関与します。

特定の免疫

宿主が病原体と最初に接触した後、特異的な免疫応答が誘導されます。 この第 XNUMX の防御線の特徴は、B および T リンパ球の細胞表面上の受容体による病原体の決定基、いわゆる抗原またはエピトープの特異的認識です。 特定の抗原との相互作用に続いて、受容体を有する細胞が刺激されて増殖と分化が起こり、誘発抗原に特異的な子孫細胞のクローンが生成されます。 特異的免疫応答は、非特異的応答の有効性を刺激することにより、病原体に提示される非特異的防御を助けます。 特異的免疫の基本的な特徴は、記憶が発達することです。 同じ抗原との二次接触は、より速く、より活発であるが十分に調節された反応を引き起こします。

ゲノムには、遭遇する可能性のある抗原の数を認識するのに十分な数の抗原受容体の配列のコードを運ぶ能力がありません。 特異性のレパートリーは、遺伝子再編成のプロセスによって発達します。 これはランダムなプロセスであり、その間にさまざまな特異性がもたらされます。 これには、望ましくない自己成分の特異性が含まれます。 胸腺 (T 細胞) または骨髄 (B 細胞) で行われる選択プロセスは、これらの望ましくない特異性を削除するように機能します。

正常な免疫エフェクター機能と免疫応答の恒常性調節は、リンパ球や他の細胞型によって合成および分泌されるサイトカインとして総称されるさまざまな可溶性産物に依存しています。 サイトカインは、免疫および炎症反応に多面的な効果をもたらします。 免疫応答には、異なる細胞集団間の協力が必要です。抗体応答の調節、炎症部位での免疫細胞と分子の蓄積、急性期応答の開始、マクロファージの細胞傷害機能の制御、および宿主耐性の中心となる他の多くのプロセスです。 . これらは、個々に、または協調して作用するサイトカインの影響を受け、多くの場合、サイトカインに依存しています。

特異的免疫には、液性免疫と細胞性または細胞性免疫の XNUMX つの腕が認められています。

液性免疫. 液性アームでは、細胞表面受容体による抗原の認識に続いて、B リンパ球が刺激されます。 B リンパ球の抗原受容体は免疫グロブリン (Ig) です。 成熟 B 細胞 (形質細胞) は、血清中または粘膜表面に沿って抗体として作用する抗原特異的免疫グロブリンの産生を開始します。 免疫グロブリンには 1 つの主要なクラスがあります。(2) IgM、最適な凝集能を持つ五量体 Ig。 (3) 胎盤を通過できる循環中の主要な Ig である IgG。 (4) IgA、粘膜表面の保護のための分泌型 Ig。 (5) IgE、マスト細胞または好塩基性顆粒球への Ig 定着は、即時型過敏反応に関与します。(XNUMX) IgD は、主な機能は B リンパ球上の受容体です。

細胞性免疫. 特定の免疫系の細胞部門は、T リンパ球によって媒介されます。 これらの細胞は、膜上に抗原受容体も持っています。 それらは、組織適合性抗原との関連で抗原提示細胞によって提示された場合、抗原を認識します。 したがって、これらの細胞は抗原特異性に加えて制限があります。 T 細胞は、さまざまな (体液性を含む) 免疫応答のヘルパー細胞として機能し、炎症細胞の動員を仲介し、細胞傷害性 T 細胞として、抗原特異的認識後に標的細胞を殺すことができます。

免疫毒性のメカニズム

免疫抑制

効果的な宿主抵抗性は、免疫系の機能的完全性に依存しており、免疫応答を調整する構成細胞および分子が十分な数で機能する形で利用可能である必要があります。 ヒトの先天性免疫不全症は、多くの場合、特定の幹細胞株の欠陥によって特徴付けられ、免疫細胞の産生が損なわれるか、または欠如します。 先天性および後天性のヒト免疫不全疾患との類推により、化学物質による免疫抑制は、単に機能細胞数の減少に起因する可能性があります (IPCS 1996)。 リンパ球の欠如または数の減少は、多かれ少なかれ免疫状態に深刻な影響を与える可能性があります. 移植または細胞増殖抑制療法で発生する可能性のある一部の免疫不全状態および重度の免疫抑制は、特に日和見感染症および特定の腫瘍性疾患の発生率の増加と関連しています。 感染症は、細菌、ウイルス、真菌、または原生動物である可能性があり、感染の主なタイプは、関連する免疫不全によって異なります。 免疫抑制環境化学物質への曝露は、検出が困難な、より微妙な形態の免疫抑制をもたらすと予想される場合があります。 これらは、例えば、インフルエンザや風邪などの感染症の発生率の増加につながる可能性があります。

多種多様な細胞、メディエーター、および機能が複雑で相互作用的なネットワークを形成する免疫系の複雑さを考慮すると、免疫毒性化合物は効果を発揮する機会が数多くあります。 多くの免疫毒性化学物質によって引き起こされる初期病変の性質はまだ解明されていませんが、免疫機能の低下をもたらす免疫生物学的変化に関して、主に実験動物での研究から得られた情報が増えています (Dean et al. 1994)。 . 毒性効果は、次の重要な機能で発生する可能性があります (これらの機能に影響を与える免疫毒性化合物のいくつかの例が示されています)。

  •  さまざまな幹細胞集団の発生と拡大 (ベンゼンは幹細胞レベルで免疫毒性作用を発揮し、リンパ球減少症を引き起こします)
  •  さまざまなリンパ系および骨髄系細胞、ならびにこれらの細胞が成熟して機能する支持組織の増殖 (免疫毒性有機スズ化合物は、直接的な細胞毒性により胸腺皮質におけるリンパ球の増殖活性を抑制する; 2,3,7,8-テトラクロロの胸腺毒性作用-ジベンゾ-p-ダイオキシン (TCDD) および関連化合物は、胸腺細胞に対する直接毒性ではなく、胸腺上皮細胞の機能障害による可能性が高い)
  •  マクロファージおよび他の抗原提示細胞による抗原の取り込み、処理および提示 (7,12-ジメチルベンズ(a)アントラセン (DMBA) および鉛の標的の XNUMX つはマクロファージによる抗原提示であり、紫外線の標的は抗原です。ランゲルハンス細胞を提示)
  •  ヘルパー T 細胞およびサプレッサー細胞の調節機能 (ヘルパー T 細胞機能は、有機スズ、アルジカルブ、ポリ塩化ビフェニル (PCB)、TCDD、および DMBA によって損なわれます。T サプレッサー細胞機能は、低用量のシクロホスファミド処理によって低下します)
  •  さまざまなサイトカインまたはインターロイキンの産生(ベンゾ(a)ピレン(BP)はインターロイキン-1の産生を抑制し、紫外線はケラチノサイトによるサイトカインの産生を変化させます)
  •  さまざまなクラスの免疫グロブリン IgM および IgG の合成は、PCB および酸化トリブチルスズ (TBT) 処理後に抑制され、ヘキサクロロベンゼン (HCB) 曝露後に増加します)。
  •  補体の調節と活性化 (TCDD の影響を受ける)
  •  細胞傷害性 T 細胞機能 (3-メチルコラントレン (3-MC)、DMBA、および TCDD は細胞傷害性 T 細胞活性を抑制します)
  •  ナチュラル キラー (NK) 細胞機能 (肺の NK 活性はオゾンによって抑制され、脾臓の NK 活性はニッケルによって損なわれます)
  •  マクロファージと多形核白血球の走化性と細胞毒性機能 (オゾンと二酸化窒素は、肺胞マクロファージの貪食活性を損なう)。

 

アレルギー

アレルギー 特定の免疫応答の誘導および誘発から生じる健康への悪影響として定義することができます。 免疫系の関与なしに過敏反応が起こる場合 疑似アレルギー 使用されている。 免疫毒性学の文脈では、アレルギーは対象となる化学物質や薬物に対する特定の免疫反応から生じます。 個人を感作する化学物質の能力は、一般に、体のタンパク質に共有結合する能力に関連しています。 アレルギー反応はさまざまな形態をとる可能性があり、これらは基礎となる免疫学的メカニズムと反応速度の両方に関して異なります。 24 つの主要なタイプのアレルギー反応が認識されています。 IgE 抗体によって引き起こされ、感作された個人が曝露してから数分以内に症状が現れる I 型過敏反応。 II型過敏症反応は、抗体による宿主細胞の損傷または破壊に起因します。 この場合、症状は数時間以内に現れます。 III型過敏症、またはアルサス反応も抗体媒介性であるが、可溶性抗原に対するものであり、免疫複合体の局所的または全身的作用から生じる。 IV型、または遅発型過敏反応は、Tリンパ球によって引き起こされ、通常、感作された個人が暴露されてから48時間からXNUMX時間後に症状が現れます。

職業上の健康に最も関連性の高い XNUMX 種類の化学物質アレルギーは、接触過敏症または皮膚アレルギーと気道アレルギーです。

接触過敏症. 多数の化学物質が皮膚感作を引き起こす可能性があります。 感受性のある個人が化学アレルゲンに局所的に暴露された後、流出リンパ節で T リンパ球応答が誘導されます。 皮膚では、アレルゲンは表皮のランゲルハンス細胞と直接的または間接的に相互作用し、化学物質をリンパ節に輸送し、応答性の T リンパ球に免疫原性の形で提示します。 アレルゲンで活性化された T リンパ球が増殖し、クローンが拡大します。 個体は現在感作されており、同じ化学物質への 24 回目の皮膚暴露に対してより攻撃的な免疫反応で反応し、アレルギー性接触皮膚炎を引き起こします。 アレルギー性接触皮膚炎の特徴である皮膚の炎症反応は、特定の T リンパ球による皮膚のアレルゲンの認識に続くものです。 これらのリンパ球は活性化され、サイトカインを放出し、他の単核白血球の局所蓄積を引き起こします。 症状は、感作された個人の曝露から約 48 時間から 2,4 時間後に発現するため、アレルギー性接触皮膚炎は遅延型過敏症の一種です。 アレルギー性接触皮膚炎の一般的な原因には、有機化学物質 (XNUMX-ジニトロクロロベンゼンなど)、金属 (ニッケルやクロムなど)、植物製品 (ツタウルシのウルシオールなど) が含まれます。

呼吸過敏症. 呼吸器過敏症は通常、I 型過敏症反応であると考えられています。 しかし、喘息に関連する後期相反応およびより慢性的な症状には、細胞性(IV型)免疫プロセスが関与している可能性があります。 呼吸器アレルギーに関連する急性症状は、IgE 抗体によって影響を受けます。IgE 抗体の産生は、影響を受けやすい個人が誘発化学アレルゲンにさらされた後に誘発されます。 IgE 抗体は全身に分布し、膜受容体を介して気道を含む血管組織に見られるマスト細胞に結合します。 同じ化学物質を吸入すると、呼吸器過敏反応が誘発されます。 アレルゲンはタンパク質と会合し、マスト細胞に結合した IgE 抗体に結合して架橋します。 これによりマスト細胞の脱顆粒が起こり、ヒスタミンやロイコトリエンなどの炎症メディエーターが放出されます。 このようなメディエーターは気管支収縮と血管拡張を引き起こし、呼吸器アレルギーの症状を引き起こします。 喘息および/または鼻炎。 人に呼吸器過敏症を引き起こすことが知られている化学物質には、酸無水物 (トリメリット酸無水物など)、一部のジイソシアネート (トルエンジイソシアネートなど)、白金塩、および一部の反応染料が含まれます。 また、ベリリウムへの慢性暴露は、過敏性肺疾患を引き起こすことが知られています。

自己免疫

自己免疫 内因性「自己」抗原に対する特定の免疫応答の刺激として定義できます。 誘発された自己免疫は、制御性 T リンパ球のバランスの変化、または生体異物と正常組織成分との会合 (「自己変化」) のいずれかから生じる可能性があります。 影響を受けやすい個人の自己免疫疾患 (AD) のような影響を偶発的に誘発または悪化させることが知られている薬物および化学物質は、一般にそれ自体は免疫原性がないと考えられている低分子量化合物 (分子量 100 ~ 500) です。 化学物質への暴露による AD のメカニズムはほとんど知られていません。 疾患は、抗体の循環によって直接的に、免疫複合体の形成を通じて間接的に、または細胞性免疫の結果として生じる可能性がありますが、メカニズムの組み合わせによって発生する可能性があります。 病因は、薬物によって誘発される免疫溶血性疾患で最もよく知られています。

  •  薬は赤血球膜に付着し、薬に特異的な抗体と相互作用することができます。
  •  この薬は、免疫系が細胞を異物と見なすように赤血球膜を変化させることができます。
  •  薬とその特異的抗体は、赤血球膜に付着して損傷を引き起こす免疫複合体を形成します。
  •  赤血球感作は、赤血球自己抗体の産生によって起こります。

 

さまざまな化学物質や薬物、特に後者は、自己免疫様反応を誘発することがわかっています (Kamüller、Bloksma、および Seinen 1989)。 化学物質への職業的曝露は、偶然にもAD様症候群につながる可能性があります. 単量体の塩化ビニル、トリクロロエチレン、パークロロエチレン、エポキシ樹脂、およびシリカ粉塵への曝露は、強皮症様症候群を誘発する可能性があります。 全身性エリテマトーデス (SLE) に似た症候群は、ヒドラジンへの曝露後に報告されています。 トルエンジイソシアネートへの曝露は、血小板減少性紫斑病の誘発と関連しています。 水銀などの重金属は、免疫複合体糸球体腎炎の一部の症例に関与しています。

ヒューマンリスクアセスメント

ヒトの免疫状態の評価は、主に末梢血を使用して免疫グロブリンや補体などの体液性物質を分析し、白血球のサブセット構成とサブ集団の機能を分析します。 これらの方法は通常、先天性免疫不全疾患が疑われる患者の体液性および細胞性免疫、ならびに非特異的耐性を調査するために使用されるものと同じです。 疫学的研究(例えば、職業的に暴露された集団)の場合、パラメータは、ヒト集団における予測値、検証済みの動物モデル、およびマーカーの基礎となる生物学に基づいて選択する必要があります(表 1 を参照)。 環境汚染物質または他の毒性物質への (偶発的な) 曝露後の免疫毒性効果のスクリーニング戦略は、予想される免疫不全の種類、曝露から免疫状態の評価までの時間、曝露の程度、および曝露された個人の数などの状況に大きく依存します。 ヒトにおける特定の生体異物の免疫毒性リスクを評価するプロセスは、毒性損傷に対する個人の反応に影響を与える内因性または外因性起源のさまざまな交絡因子の存在により、非常に困難であり、多くの場合不可能です。 これは、遺伝的要因が重要な役割を果たす自己免疫疾患における化学物質曝露の役割を調査する研究に特に当てはまります。

表 1. 免疫マーカー検査の分類

試験区分 特性 特定のテスト
基本一般
一般的なパネルに含める必要があります
一般的な健康状態と臓器系の状態の指標 血中尿素窒素、血糖など
基礎免疫
一般的なパネルに含める必要があります
免疫状態の一般的な指標
比較的低コスト
アッセイ方法は研究所間で標準化されています
基準範囲外の結果は臨床的に解釈可能です
完全な血球計算
血清IgG、IgA、IgMレベル
主要なリンパ球サブセットの表面マーカー表現型
集中/反射
臨床所見、曝露の疑い、または以前の検査結果によって示される場合に含める必要があります
特定の免疫機能/イベントの指標
費用は異なります
アッセイ方法は研究所間で標準化されています
基準範囲外の結果は臨床的に解釈可能です
組織適合遺伝子型
感染因子に対する抗体
総血清 IgE
アレルゲン特異的IgE
自己抗体
過敏症の皮膚テスト
顆粒球酸化バースト
病理組織学(組織生検)
研究
コントロール集団と慎重な研究デザインにのみ含める必要があります
一般的または特定の免疫機能/イベントの指標
費用はさまざまです。 しばしば高価
通常、検査方法は研究所間で標準化されていません
基準範囲外の結果は臨床的に解釈できないことが多い
インビトロ刺激アッセイ
細胞活性化表面マーカー
サイトカイン血清濃度
クローン性アッセイ(抗体、細胞、遺伝子)
細胞毒性試験

 

十分なヒトのデータが入手できることはめったにないため、ヒトにおける化学物質誘発性免疫抑制のリスク評価は、ほとんどの場合、動物実験に基づいています。 潜在的な免疫毒性生体異物の同定は、主にげっ歯類を対象とした対照研究で行われています。 この点に関して、in vivo 曝露研究は、化合物の免疫毒性の可能性を推定するための最適なアプローチを示しています。 これは、免疫系と免疫応答の多因子的で複雑な性質によるものです。 インビトロ研究は、免疫毒性のメカニズムの解明においてますます価値があります。 さらに、動物およびヒト由来の細胞を使用して化合物の効果を調査することにより、種の比較のためのデータを生成することができ、リスク評価プロセスを改善するための「平行四辺形」アプローチで使用できます。 平行四辺形の XNUMX つの要点 (in vivo 動物、in vitro 動物およびヒト) のデータが利用可能である場合、残りの要点、つまりヒトのリスクでの結果を予測することはより容易になる可能性があります。

化学物質誘発性免疫抑制のリスク評価が動物実験のデータのみに依存しなければならない場合、無毒性量 (NOAEL) に不確実係数を適用することにより、人への外挿法に従うことができます。 このレベルは、宿主耐性アッセイや過敏症反応と抗体産生の in vivo 評価など、関連するモデルで決定されたパラメーターに基づくことができます。 理想的には、リスク評価に対するこのアプローチの関連性は、ヒトでの研究による確認が必要です。 このような研究では、毒物、疫学的データ、および免疫状態の評価の特定と測定を組み合わせる必要があります。

接触過敏症を予測するために、モルモット モデルが利用可能であり、1970 年代からリスク評価に使用されてきました。 感度が高く再現性がありますが、主観的な評価に依存するため、これらのテストには限界があります。 これは、マウスで開発されたより新しく、より定量的な方法によって克服できます。 アレルゲンの吸入または摂取によって誘発される化学物質誘発性過敏症に関しては、試験を開発し、ヒトにおける予測値の観点から評価する必要があります。 潜在的アレルゲンの安全な職業暴露レベルの設定に関しては、アレルギーの二相性の性質、つまり感作段階と誘発段階を考慮する必要があります。 以前に感作された個人でアレルギー反応を誘発するために必要な濃度は、免疫学的にナイーブであるが感受性のある個人で感作を誘発するために必要な濃度よりもかなり低い.

化学物質誘発性自己免疫を予測する動物モデルが事実上不足しているため、そのようなモデルの開発に重点を置かなければなりません。 このようなモデルの開発のために、影響を受けやすい個人を特定するための遺伝的および免疫系マーカーの研究を含め、ヒトにおける化学物質誘発性自己免疫に関する私たちの知識を進める必要があります。 自己免疫を誘発する薬物にさらされている人間は、そのような機会を提供します。

 

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日曜日、1月16 2011 18:43

標的臓器毒性学

毒性に関する化学物質やその他の薬剤の研究と特徴付けは、特定の臓器や臓器系に基づいて行われることがよくあります。 この章では、詳細な議論のために、免疫系と遺伝子の XNUMX つのターゲットを選択しました。 これらの例は、複雑な標的臓器系と細胞内の分子標的を表すために選択されました。 標的臓器の毒物学のより包括的な議論については、読者は、Casarett と Doull、Hayes などの標準的な毒物学のテキストを参照してください。 化学物質安全性に関する国際プログラム (IPCS) も、臓器系ごとの標的臓器毒性に関するいくつかの基準文書を発行しています。

標的臓器毒性研究は、通常、疫学的データまたは一般的な急性または慢性毒性研究から、物質の特定の毒性効果の可能性を示す情報に基づいて、または特定の臓器機能を保護するための特別な懸念に基づいて実施されます。生殖または胎児の発育として。 場合によっては、米国の農薬法に基づく神経毒性試験(「生殖毒性物質および神経毒性物質のリスク評価に対する米国のアプローチ」を参照)や、日本の化学薬品法に基づく変異原性試験など、特定の標的臓器毒性試験が法定当局によって明示的に義務付けられています。物質管理法(「有害性特定の原則:日本のアプローチ」を参照)。

「標的臓器と重大な影響」で説明したように、重大な臓器の特定は、最初に逆反応する臓器または臓器系の検出に基づいています。 次に、この情報を使用して、特定の毒性調査、または標的臓器における中毒のより敏感な兆候を引き出すように設計されたより明確な毒性試験を設計します。 標的臓器毒性研究は、リスク評価に使用する作用機序を決定するために使用することもできます (「生殖毒性物質および神経毒性物質のリスク評価に対する米国のアプローチ」を参照)。

標的臓器毒性試験の方法

標的器官は、無傷の生物を曝露し、標的器官の機能と組織病理学を詳細に分析することによって、または培養で短期間または長期間維持された細胞、組織切片、または器官全体を in vitro 曝露することによって研究することができます (「毒物学:導入と概念」)。 場合によっては、ヒト被験者の組織も標的臓器毒性研究に利用できる可能性があり、これらは種間外挿の仮定を検証する機会を提供する可能性があります。 ただし、そのような研究は相対的なトキシコキネティクスに関する情報を提供しないことに留意する必要があります。

一般に、標的臓器毒性研究には次の共通の特徴があります。 重要な酵素系など、標的器官の重要な経路の生化学的研究。 予想される代謝およびその他の機能を実行する器官および細胞構成要素の能力に関する機能研究。 標的器官細胞における曝露と初期影響のバイオマーカーの分析。

標的臓器の生理学、生化学、および分子生物学に関する詳細な知識は、標的臓器の研究に組み込まれる場合があります。 例えば、低分子量タンパク質の合成と分泌は腎機能の重要な側面であるため、腎毒性研究ではしばしばこれらのパラメーターに特別な注意が払われます (IPCS 1991)。 細胞間コミュニケーションは神経系機能の基本的なプロセスであるため、神経毒性の標的臓器研究には、神経伝達物質の合成、取り込み、貯蔵、放出、受容体結合の詳細な神経化学的および生物物理学的測定、ならびに膜の変化の電気生理学的測定が含まれる場合があります。これらのイベントに関連する可能性。

動物全体の使用を置き換えるか減らすために、標的臓器毒性の in vitro 法の開発に重点が置かれています。 生殖毒性物質については、これらの方法が大幅に進歩しました (Heindel and Chapin 1993)。

要約すると、標的臓器毒性試験は一般に、毒性を決定するための高次試験として実施されます。 さらなる評価のための特定の標的臓器の選択は、OECD および欧州連合によって使用される急性または亜慢性検査などのスクリーニング レベル検査の結果に依存します。 一部の標的臓器および臓器系は、特定の種類の健康への悪影響を防止する懸念があるため、特別な調査のアプリオリな候補である可能性があります。

 

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