毒物学は、規制やその他の労働衛生政策の策定において主要な役割を果たしています。 職業上の怪我や病気を防ぐために、疫学研究などのリスクに関する決定的な情報をもたらす人間への暴露の前に、またはそのようなタイプの人間への暴露がない場合に入手可能な情報に基づいて決定を下すことが増えています. さらに、この章で説明されているように、毒物学的研究は、実験室研究の管理された条件下での用量と反応に関する正確な情報を提供することができます。 この情報は、職業被ばくの管理されていない環境では入手が困難な場合が多い。 ただし、この情報は、ヒトへの悪影響の可能性、これらの悪影響の性質、および暴露と影響の間の定量的関係を推定するために、慎重に評価する必要があります。

1980 年代以降、多くの国で、規制の意思決定に毒物学的情報を利用するための客観的な方法の開発に、かなりの注意が向けられてきました。 しばしば呼ばれる正式な方法 リスクアセスメント、これらの国では政府機関と非政府機関の両方によって提案され、利用されています。 リスク評価はさまざまに定義されています。 基本的には、毒物学、疫学、および暴露情報を組み込んで、有害物質または状態への暴露に関連する悪影響の可能性を特定および推定する評価プロセスです。 リスク評価は、悪影響の性質と可能性の一般的な推定値を示す定性的な性質の場合もあれば、特定の暴露レベルで影響を受ける人の数の推定による定量的な場合もあります。 多くの規制システムでは、リスク評価は次の XNUMX つの段階で行われます。 ハザード識別、毒性効果の性質の説明。 用量反応評価、曝露（または用量）と毒性効果の重症度または可能性との関係の半定量的または定量的分析; ばく露評価集団全体または集団内のサブグループで発生する可能性が高い暴露の範囲に関する情報の評価; リスクの特徴付け、上記のすべての情報を、特定の暴露条件下で発生すると予想されるリスクの大きさの表現にまとめたもの (NRC 1983 を参照 これらの原則の声明について）。

このセクションでは、リスク評価への XNUMX つのアプローチを例として示します。 世界中で使用されているリスク評価方法の包括的な概要を提供することは不可能であり、これらの選択は規範として解釈されるべきではありません. 最近の GATT 協定の規定に一部対応して、リスク評価方法の調和に向かう傾向があることに注意する必要があります。 化学物質安全性に関する国際プログラム (IPCS) と経済協力開発機構 (OECD) を通じて、リスク評価方法の国際的な調和の XNUMX つのプロセスが現在進行中です。 これらの組織は、リスク評価に対する各国のアプローチに関する最新情報も保持しています。

戻る

構造活性相関 (SAR) 分析は、化学物質の分子構造に関する情報を利用して、持続性、分布、取り込みと吸収、および毒性に関連する重要な特性を予測することです。 SAR は、潜在的な有害化学物質を特定する代替方法であり、産業界や政府がさらなる評価や新しい化学物質の初期段階の意思決定のために物質に優先順位を付けるのを支援する可能性があります。 毒物学は、ますます費用がかかり、リソースを大量に消費する事業になっています。 化学物質が暴露されたヒト集団に悪影響を与える可能性に対する懸念の高まりにより、規制機関および保健機関は、毒物学的危険を検出するためのテストの範囲と感度を拡大するようになりました。 同時に、業界に対する規制の実際の負担と認識されている負担により、毒性試験方法とデータ分析の実用性に対する懸念が生じています。 現在、化学的発がん性の決定は、複数の臓器の慎重な組織病理学的分析、および細胞と標的臓器の前腫瘍性変化の検出を伴う、数回の用量での少なくとも 3 つの雌雄の種の生涯試験に依存しています。 米国では、がんバイオアッセイの費用は 1995 万ドル (XNUMX ドル) を超えると推定されています。

無限の財源があっても、今日世界で生産されている約 70,000 の既存の化学物質をテストする負担は、訓練を受けた毒物学者の利用可能なリソースを超えます。 これらの化学物質の第 1984 段階の評価を完了するには何世紀もかかるだろう (NRC 1993)。 多くの国で、毒性試験における動物の使用に関する倫理的懸念が高まっており、毒性試験の標準的な方法の使用にさらなる圧力がかかっています。 SAR は製薬業界で広く使用されており、治療に有益に使用できる可能性のある分子を特定しています (Hansch and Zhang 1979)。 環境および労働衛生政策において、SAR は、物理化学的環境における化合物の分散を予測し、潜在的な毒性をさらに評価するために新しい化学物質をスクリーニングするために使用されます。 米国有害物質規制法 (TSCA) に基づき、EPA は 5 年以来、製造前通知 (PMN) プロセスにおける新しい化学物質の「最初のスクリーニング」として SAR アプローチを使用してきました。 オーストラリアは、新しい化学物質通知 (NICNAS) 手順の一部として、同様のアプローチを使用しています。 US SAR 分析では、セクションで要求されているように、物質の製造、処理、流通、使用、または廃棄が人間の健康または環境に不当な損害のリスクをもたらすと結論付ける合理的な根拠があると判断するための重要な根拠です。 TSCA の 6(f)。 この発見に基づいて、EPA は TSCA のセクション XNUMX に基づいて物質の実際のテストを要求することができます。

SAR の根拠

SAR の科学的根拠は、化学物質の分子構造が物理化学系および生物学的システムにおけるその挙動の重要な側面を予測するという仮定に基づいています (Hansch and Leo 1979)。

SARプロセス

SAR レビュー プロセスには、純粋な化合物だけでなく実験的な製剤を含む化学構造の同定が含まれます。 構造的に類似した物質の同定; 構造類似体に関する情報をデータベースや文献で検索する。 構造類似体に関する毒性およびその他のデータの分析。 いくつかのまれなケースでは、十分に理解されている毒性メカニズムに基づいて、化合物の構造に関する情報だけで SAR 分析をサポートするのに十分な場合があります。 SAR に関するいくつかのデータベースと、分子構造予測のためのコンピューターベースの方法がコンパイルされています。

この情報を使用して、次のエンドポイントを SAR で推定できます。

• 物理化学パラメータ: 沸点、蒸気圧、水溶性、オクタノール/水分配係数
• 生物学的/環境的運命パラメータ: 生分解、土壌収着、光分解、薬物動態
• 毒性パラメータ: 水生生物毒性、吸収、急性哺乳類毒性 (限界試験または LD)₅₀）、皮膚、肺および眼への刺激、感作、亜慢性毒性、変異原性。

発がん性、発生毒性、生殖毒性、神経毒性、免疫毒性、またはその他の標的臓器への影響などの重要な健康エンドポイントに対する SAR 手法は存在しないことに注意する必要があります。 これは次の 1988 つの要因によるものです。SA​​R 仮説を​​検証するための大規模なデータベースの欠如、毒性作用の構造的決定要因に関する知識の欠如、標的細胞とこれらのエンドポイントに関与するメカニズムの多様性 (「米国生殖毒性物質および神経毒性物質のリスク評価へのアプローチ」)。 分配係数と溶解度に関する情報を使用して薬物動態を予測するために SAR を利用するいくつかの限定的な試みがあります (Johanson and Naslund 450)。 一連の化合物の P1993 依存性代謝と、サイトゾルの「ダイオキシン」受容体へのダイオキシンおよび PCB 様分子の結合を予測するために、より広範な定量的 SAR が行われました (Hansch and Zhang XNUMX)。

表 1 に示すように、SAR は、上記のエンドポイントのいくつかについて予測可能性が異なることが示されています。 米国 EPA の専門家によって実施された SAR は、生分解を含む生物活性の予測よりも、物理化学的特性の予測のほうがうまくいきませんでした。 毒性エンドポイントについては、SAR が変異原性の予測に最適でした。 Ashby と Tennant (1991) は、より広範な研究で、NTP 化学物質の分析において、短期遺伝毒性の良好な予測可能性も見出しました。 遺伝毒性の分子メカニズム（「遺伝毒性学」を参照）および DNA 結合における求電子性の役割に関する現在の理解を考えると、これらの発見は驚くべきことではありません。 対照的に、SAR は哺乳類の全身性および亜慢性毒性を過小予測し、水生生物に対する急性毒性を過大予測する傾向がありました。

表 1. SAR とテスト データの比較: OECD/NTP 分析

出典: OECD からのデータ、私信 C. Auer、US EPA。 この分析では、比較可能な SAR 予測と実際のテスト データが利用可能なエンドポイントのみが使用されました。 NTP データは、Ashby と Tennant 1991 からのものです。

¹ 懸念されるのは、SAR が試験した化学物質の 12% で急性毒性を予測できなかったことです。

² Ames 試験と SAR の一致に基づく OECD データ

³ いくつかのクラスの「構造的に警告する化学物質」の SAR 予測と比較したジェネトックス アッセイに基づく NTP データ。

⁴ 一致率はクラスによって異なります。 最高の一致は、芳香族アミノ/ニトロ化合物でした。 「その他」の構造で最も低い。

上記のように、その他の有毒エンドポイントについては、SAR の有用性はあまり実証されていません。 哺乳動物の毒性予測は、複雑な分子のトキシコキネティクスに関する SAR が欠如しているため複雑です。 それにもかかわらず、哺乳類の複雑な毒性エンドポイントに対する SAR の原則を提案するいくつかの試みがなされてきた (例えば、潜在的な雄の生殖毒性物質の SAR 分析については Bernstein (1984) を参照)。 ほとんどの場合、データベースは小さすぎて、構造ベースの予測を厳密にテストすることはできません。

この時点で、SAR は主に毒性試験リソースへの投資を優先するため、または潜在的な危険性について早期に懸念を提起するために役立つ可能性があると結論付けることができます。 変異原性の場合にのみ、SAR 分析自体を信頼性をもって利用して、他の決定を通知できる可能性があります。 この章の他の箇所で説明されているように、SAR がリスク評価の目的に必要な種類の定量的情報を提供できる可能性は低いため、エンドポイントはありません。 百科事典.

戻る

分子および細胞生物学における洗練された技術の出現は、毒物学を含む生命科学の比較的急速な進化に拍車をかけました。 実際、毒物学の焦点は、動物全体や動物全体の集団から、個々の動物や人間の細胞や分子に移っています。 1980 年代半ば以降、毒物学者は生物系に対する化学物質の影響を評価するために、これらの新しい方法論を採用し始めました。 論理的な進歩として、そのような方法は毒性試験の目的に適合されています。 これらの科学的進歩は、社会的および経済的要因と連携して、製品の安全性と潜在的なリスクの評価に変化をもたらしました。

経済的要因は、テストする必要がある材料の量に特に関連しています。 毎年、数多くの新しい化粧品、医薬品、殺虫剤、化学製品、家庭用品が市場に投入されています。 これらの製品はすべて、潜在的な毒性について評価する必要があります。 さらに、十分にテストされていない、すでに使用されている化学物質のバックログがあります。 従来の全動物試験法を使用してこれらすべての化学物質に関する詳細な安全性情報を取得するという膨大な作業は、たとえ達成できたとしても、お金と時間の両方の面で費用がかかります。

公衆衛生と安全に関連する社会問題もあり、製品の安全性試験に動物を使用することに対する公衆の関心も高まっています。 人間の安全に関して、公益および環境擁護団体は、政府機関に対し、化学物質に対してより厳しい規制を適用するように大きな圧力をかけてきました。 最近の例としては、一部の環境保護団体が米国で塩素および塩素含有化合物を禁止する運動を行っています。 このような極端な行動の動機の XNUMX つは、これらの化合物のほとんどが十分にテストされていないという事実にあります。 毒物学の観点からすると、塩素の存在だけに基づいてさまざまな化学物質のクラス全体を禁止するという概念は、科学的に不健全であり、無責任です. しかし、公衆の観点からは、環境に放出された化学物質が重大な健康リスクを引き起こさないという保証が必要であることは理解できます。 このような状況は、毒性を評価するためのより効率的で迅速な方法の必要性を強調しています。

毒性試験の分野に影響を与えたもう 76 つの社会的関心事は、動物福祉です。 世界中でますます多くの動物保護団体が、製品の安全性試験に全動物を使用することに反対の声を上げています。 動物実験をやめさせようとして、化粧品、家庭用およびパーソナルケア製品、医薬品のメーカーに対して積極的なキャンペーンが行われています。 ヨーロッパでのこのような努力の結果、指令 768/1/EEC (化粧品指令) の修正第 1998 条が可決されました。 この指令の結果、XNUMX 年 XNUMX 月 XNUMX 日以降に動物実験を行った化粧品または化粧品成分は、代替方法の検証が不十分でない限り、欧州連合では販売できません。 この指令は、米国またはその他の国でのそのような製品の販売を管轄していませんが、ヨーロッパを含む国際市場を持つ企業に大きな影響を与えます。

動物全体を対象とした試験以外の試験を開発するための基礎を形成する代替法の概念は、XNUMX つの Rs: 削減 使用される動物の数。 洗練 動物のストレスや不快感を軽減するためのプロトコル。 と 置換 in vitro 試験（すなわち、生きている動物の体外で行われる試験）、コンピュータ モデル、または下等脊椎動物または無脊椎動物種での試験による現在の動物試験の評価。 三人 Rは、1959 年に XNUMX 人の英国の科学者、WMS ラッセルとレックス バーチによって出版された本で紹介されました。 人道的な実験技術の原則. ラッセルとバーチは、有効な科学的結果が得られる唯一の方法は動物の人道的な扱いであると主張し、動物の使用を減らし、最終的には動物に取って代わる方法を開発する必要があると信じていました。 興味深いことに、ラッセルとバーチが概説した原則は、1970 年代半ばに動物福祉運動が復活するまでほとんど注目されませんでした。 今日のXNUMXつのコンセプト Rs は、研究、テスト、および教育に関して最前線に立っています。

要約すると、in vitro 試験方法論の開発は、過去 20 年から XNUMX 年の間に収束したさまざまな要因の影響を受けてきました。 これらの要因のいずれかが単独で毒性試験戦略に大きな影響を与えたかどうかを確認することは困難です.

In Vitro 毒性試験の考え方

このセクションでは、全動物試験の代替手段の XNUMX つとして、毒性を評価するための in vitro 法のみに焦点を当てます。 コンピューター モデリングや定量的な構造活性相関などの追加の非動物代替法については、この章の他の記事で説明します。

インビトロ研究は、一般に、動物またはヒトの細胞または体外の組織で行われます。 In vitro は文字通り「ガラス内」を意味し、定義された条件下でペトリ皿または試験管で培養された生体材料または生体材料の成分に対して実行される手順を指します。 これらは、in vivo 研究、または「生きている動物で」実施されたものとは対照的である可能性があります。 観察が皿の中の単一タイプの細胞に限定されている場合、複雑な生物に対する化学物質の影響を予測することは、不可能ではないにしても困難ですが、インビトロ研究は、固有の毒性についてもかなりの量の情報を提供します毒性の細胞および分子メカニズムとして。 さらに、それらは一般に安価であり、より制御された条件下で実施できるという点で、in vivo 研究よりも多くの利点を提供します。 さらに、in vitro 培養用の細胞を得るには少数の動物が必要であるという事実にもかかわらず、これらの方法は削減の代替手段 (in vivo 研究に比べて使用する動物がはるかに少ないため) および改良の代替手段 (必要性を排除するため) と見なすことができます。 in vivo 実験によって課せられる有害な毒性結果に動物をさらすこと）。

in vitro 毒性試験の結果を解釈し、毒性を評価する上での潜在的な有用性を判断し、それらを in vivo の全体的な毒性学的プロセスに関連付けるためには、毒性学的プロセスのどの部分が調査されているかを理解する必要があります。 毒物学的プロセス全体は、生物が物理的または化学的物質にさらされることから始まり、細胞および分子の相互作用を経て進行し、最終的に生物全体の反応として現れる事象で構成されています。 In vitro 試験は、一般に、細胞および分子レベルで行われる毒物学的プロセスの一部に限定されます。 in vitro 研究から得られる可能性のある情報の種類には、代謝経路、活性代謝物と細胞および分子標的との相互作用、および暴露の分子バイオマーカーとして機能する潜在的に測定可能な毒性エンドポイントが含まれます。 理想的な状況では、in vitro 試験から得られた情報を完全に解釈し、生物全体の反応に関連付けることができるように、生物への暴露による各化学物質の毒性のメカニズムを知ることができます。 しかし、完全な毒物学的メカニズムはほとんど解明されていないため、これは事実上不可能です。 したがって、毒物学者は、メカニズムが不明なため、in vitro 試験の結果を in vivo 毒性の完全に正確な予測として使用できないという状況に直面しています。 しかし、in vitro 試験を開発する過程で、毒性の細胞および分子メカニズムの構成要素が解明されることがよくあります。

in vitro 試験の開発と実施を取り巻く重要な未解決の問題の XNUMX つは、次の考慮事項に関連しています。 科学的観点からは、in vivo 試験の代替として機械論に基づいた試験のみを利用する方が間違いなく優れています。 しかし、完全なメカニズムの知識がなければ、近い将来に全動物試験を完全に置き換える in vitro 試験が開発される見込みはほとんどありません。 しかし、これは現在のケースである早期スクリーニングツールとして、より記述的なタイプのアッセイの使用を排除するものではありません. これらのスクリーニングにより、動物の使用が大幅に削減されました。 したがって、より多くのメカニズムに関する情報が得られるまでは、結果が in vivo で得られた結果と単純によく相関する試験を、より限定的に採用する必要があるかもしれません。

細胞毒性のインビトロ試験

このセクションでは、化学物質の細胞毒性の可能性を評価するために開発されたいくつかの in vitro 試験について説明します。 ほとんどの場合、これらのテストは簡単に実行でき、分析は自動化できます。 細胞毒性の一般的に使用される in vitro 試験の 96 つは、ニュートラル レッド アッセイです。 このアッセイは培養細胞に対して行われ、ほとんどのアプリケーションでは、直径 6.4 mm の 0.01 個の小さなウェルを含む培養皿で細胞を維持できます。 各ウェルは 1 回の測定に使用できるため、この配置では、複数の濃度の被験化学物質や、それぞれに十分な数の複製を持つ陽性および陰性コントロールに対応できます。 少なくとも 96 桁（例えば、XNUMXmM から XNUMXmM）にわたるさまざまな濃度の被験化学物質、ならびに陽性対照および陰性対照化学物質で細胞を処理した後、細胞をすすぎ、ニュートラルレッドで処理します。生きた細胞だけが取り込んで保持できる染料。 色素は、被験物質の除去時に添加して即時効果を測定するか、または被験物質を除去した後、蓄積効果または遅発性効果を測定するために添加することができます。 各ウェルの色の濃さは、そのウェル内の生細胞の数に対応しています。 色強度は、プレートリーダーを装備することができる分光光度計によって測定される。 プレート リーダーは、培養皿の XNUMX の各ウェルの個別の測定値を提供するようにプログラムされています。 この自動化された方法論により、研究者は濃度反応実験を迅速に実行し、統計的に有用なデータを取得できます。

細胞毒性のもう 3 つの比較的単純なアッセイは、MTT テストです。 MTT (4,5[2-ジメチルチアゾール-2,5-イル]-XNUMX-ジフェニルテトラゾリウム ブロマイド) は、ミトコンドリア酵素によって青色に還元されるテトラゾリウム色素です。 生存可能なミトコンドリアを持つ細胞のみが、この反応を実行する能力を保持します。 したがって、色の濃さはミトコンドリアの完全性の程度に直接関係しています。 これは、一般的な細胞毒性化合物だけでなく、ミトコンドリアを特異的に標的とする薬剤を検出するのに役立つテストです。

乳酸脱水素酵素 (LDH) 活性の測定は、細胞毒性の広範なアッセイとしても使用されます。 この酵素は通常、生細胞の細胞質に存在し、毒物によって悪影響を受けた死んだ細胞や死にかけている細胞の漏れやすい細胞膜を通して細胞培養培地に放出されます。 細胞の化学処理後、放出されたＬＤＨの量を測定し、毒性の経時変化を決定するために、少量の培養培地を様々な時点で除去することができる。 LDH 放出アッセイは細胞毒性の非常に一般的な評価ですが、実行が簡単で、リアルタイムで実行できるため有用です。

細胞損傷を検出するために開発されている多くの新しい方法があります。 より洗練された方法では、蛍光プローブを使用して、カルシウム放出や pH および膜電位の変化など、さまざまな細胞内パラメーターを測定します。 一般に、これらのプローブは非常に感度が高く、より微妙な細胞の変化を検出する可能性があるため、エンドポイントとして細胞死を使用する必要性が減少します。 さらに、これらの蛍光アッセイの多くは、96 ウェル プレートと蛍光プレート リーダーを使用して自動化できます。

これらの試験のいずれかを使用して一連の化学物質に関するデータが収集されると、相対的な毒性が決定される可能性があります。 in vitro 試験で決定される化学物質の相対毒性は、未処理細胞のエンドポイント応答に 50% の影響を与える濃度として表すことができます。 この決定は EC と呼ばれます。₅₀ (E効果的な Cの集中 50% の細胞) で、さまざまな化学物質の毒性を in vitro で比較するために使用できます。 (相対毒性の評価に使用される同様の用語は IC₅₀これは、細胞プロセス、例えば、ニュートラルレッドを吸収する能力を 50% 阻害する化学物質の濃度を示しています。) 化学物質の相対的な in vitro 毒性が、相対的な in vitro 毒性に匹敵するかどうかを評価することは容易ではありません。 in vivo 系にはトキシコキネティクス、代謝、修復および防御メカニズムなど、非常に多くの交絡因子があるためです。 さらに、これらのアッセイのほとんどは一般的な細胞毒性のエンドポイントを測定するため、機械論に基づいていません。 したがって、in vitro と in vivo の相対毒性の間の一致は、単純に相関関係にあります。 インビトロからインビボへの外挿には多くの複雑さと困難があるにもかかわらず、これらのインビトロ試験は非常に価値があることが証明されています。なぜなら、これらの試験管内試験は、実行が簡単で安価であり、毒性の高い薬物または化学物質を初期段階でフラグ付けするためのスクリーニングとして使用できるからです。発達。

標的臓器毒性

In vitro 試験は、特定の標的臓器毒性を評価するためにも使用できます。 そのような試験の設計には多くの困難が伴いますが、最も顕著なのは、in vitro システムが in vivo で臓器の多くの機能を維持できないことです。 多くの場合、細胞を動物から採取して培養すると、細胞は急速に変性および/または脱分化する傾向があります。つまり、器官のような機能を失い、より一般的なものになります。 これは、短期間、通常は数日以内に、培養物が毒素の器官特異的効果を評価するのにもはや役に立たないという問題を提示します。

これらの問題の多くは、分子生物学および細胞生物学の最近の進歩により克服されつつあります。 インビボでの細胞環境について得られる情報は、インビトロでの培養条件の調節に利用することができる。 1980 年代半ば以降、新しい成長因子やサイトカインが発見され、現在ではその多くが市販されています。 培養中の細胞にこれらの因子を添加すると、細胞の完全性が維持され、より分化した機能を長期間保持するのにも役立ちます。 他の基礎研究により、培養中の細胞の栄養およびホルモン要件に関する知識が増し、新しい培地が処方される可能性があります。 最近の進歩は、細胞を培養できる天然および人工の細胞外マトリックスの両方を特定することにおいてもなされました。 これらの異なるマトリックスでの細胞の培養は、構造と機能の両方に大きな影響を与える可能性があります。 この知識から得られる主な利点は、培養中の細胞の環境を複雑に制御し、基本的な細胞プロセスおよびさまざまな化学物質への応答に対するこれらの要因の影響を個別に調べる能力です。 要するに、これらのシステムは、臓器固有の毒性メカニズムに関する優れた洞察を提供できます。

多くの標的臓器毒性研究は、初代細胞で実施されます。初代細胞は、定義上、臓器から新たに分離され、通常、培養中に有限の寿命を示します。 毒性評価のために器官から単一細胞タイプの初代培養を行うことには多くの利点があります。 機構的な観点から、このような培養は、化学物質の特定の細胞標的を研究するのに役立ちます。 場合によっては、器官からの XNUMX つ以上の細胞型を一緒に培養することができ、これにより、毒素に応答した細胞間相互作用を観察できるという追加の利点が得られます。 皮膚の共培養システムの中には、生体内の皮膚に似た三次元構造を形成するように設計されたものがあります。 肝臓や腎臓など、異なる臓器の細胞を共培養することも可能です。 このタイプの培養は、肝臓で生物活性化されなければならない化学物質の腎臓細胞に特異的な影響を評価するのに役立ちます。

分子生物学的ツールは、標的臓器毒性試験に役立つ連続細胞株の開発にも重要な役割を果たしてきました。 これらの細胞株は、初代細胞に DNA をトランスフェクトすることによって生成されます。 トランスフェクション手順において、細胞およびＤＮＡは、ＤＮＡが細胞によって取り込まれることができるように処理される。 通常、DNA はウイルス由来であり、発現すると細胞が不死化する (つまり、培養中で長期間生きて増殖できる) 遺伝子を含んでいます。 不死化遺伝子が誘導性プロモーターによって制御されるように、ＤＮＡを操作することもできる。 このタイプの構築物の利点は、不死化遺伝子の発現を可能にする適切な化学的刺激を受けた場合にのみ、細胞が分裂することです。 このような構築物の例は、シミアンウイルス 40 (SV40) 由来のラージ T 抗原遺伝子 (不死化遺伝子) であり、その前にメタロチオネイン遺伝子のプロモーター領域があり、培地中の金属の存在によって誘導されます。 したがって、遺伝子が細胞にトランスフェクトされた後、細胞を低濃度の亜鉛で処理して、MT プロモーターを刺激し、T 抗原遺伝子の発現をオンにすることができます。 これらの条件下で、細胞は増殖します。 培地から亜鉛が除去されると、細胞は分裂を停止し、理想的な条件下では、組織固有の機能を発現する状態に戻ります。

細胞培養技術の進歩と組み合わせた不死化細胞を生成する能力は、脳、腎臓、肝臓など、さまざまな臓器からの細胞株の作成に大きく貢献しています。 ただし、これらの細胞株を真正な細胞タイプの代理として使用する前に、それらが実際にどの程度「正常」であるかを判断するために慎重に特徴付けする必要があります。

標的臓器毒性を研究するための他の in vitro システムでは、複雑さが増しています。 in vitro システムは、単一細胞から全臓器培養へと複雑さが増すにつれて、in vivo 環境に匹敵するようになりますが、同時に、変数の数が増えると、制御がはるかに難しくなります。 したがって、より高いレベルの組織に移行することで得られるものは、研究者が実験環境を制御できないために失われる可能性があります。 表 1 は、肝毒性の研究に使用されてきたさまざまな in vitro システムの特性の一部を比較しています。

表 1. 肝毒性試験用の in vitro システムの比較

精密に切断された組織切片は、毒物学的研究により広く使用されています。 研究者が無菌環境で均一な組織切片を切断できるようにする新しい器具が利用可能になりました。 組織切片は、臓器のすべての種類の細胞が存在し、生体内の構造と細胞間コミュニケーションを維持するという点で、細胞培養システムよりも優れた利点を提供します。 したがって、特定の標的器官毒性を調査するだけでなく、器官内の標的細胞タイプを決定するために、インビトロ研究を実施することができる。 スライスの欠点は、主にスライスの内部の細胞への酸素の拡散が不十分なために、最初の 24 時間の培養後に急速に変性することです。 しかし、最近の研究では、穏やかな回転によってより効率的な通気が達成される可能性があることが示されています。 これは、より複雑な培地の使用とともに、スライスが最大 96 時間生き残ることを可能にします。

組織外植片は、組織切片と概念が似ており、特定の標的臓器における化学物質の毒性を判断するためにも使用できます。 組織外植片は、組織の小片 (催奇形性の研究では、無傷の胚) を除去し、さらなる研究のために培養に入れることによって確立されます。 外植片培養は、皮膚の刺激性や腐食性、気管のアスベスト研究、脳組織の神経毒性研究など、短期間の毒性研究に有用です。

分離された灌流臓器は、標的臓器の毒性を評価するために使用することもできます。 これらのシステムは、すべての細胞タイプが存在するという点で、組織切片および外植片と同様の利点を提供しますが、切片の準備に伴う操作によって導入される組織へのストレスはありません。 さらに、それらは臓器内相互作用の維持を可能にします。 主な欠点は、短期間の生存率であり、in vitro 毒性試験での使用が制限されます。 代替として機能するという点では、これらの培養は、動物が毒物による in vivo 治療の悪影響を経験しないため、洗練されたものと見なすことができます。 ただし、それらを使用しても、必要な動物の数が大幅に減少するわけではありません。

要約すると、標的臓器毒性の評価に利用できる in vitro システムにはいくつかの種類があります。 これらの技術の XNUMX つまたは複数を使用して、毒性のメカニズムに関する多くの情報を取得することが可能です。 毒性学的プロセスの比較的小さな部分を表す in vitro システムから、in vivo で発生するプロセス全体を推定する方法を知ることには、依然として困難が残っています。

眼刺激性のインビトロ試験

動物福祉の観点からおそらく最も論争の的となっている全動物毒性試験は、ウサギで実施される眼刺激性に関するドレイズ試験です。 このテストでは、化学物質の一定量をウサギの片方の目に入れ、もう片方の目をコントロールとして使用します。 刺激および炎症の程度は、曝露後のさまざまな時点で記録されます。 人道的な理由だけでなく、観察の主観性と結果の変動性のためにも批判されてきたこのテストに代わる方法論を開発するために大きな努力が払われています. ドレイズ テストが受けた厳しい批判にもかかわらず、他の方法では識別が困難な、特に軽度から中程度の刺激性物質を予測することに、ドレイズ テストが非常に成功していることが証明されていることに注目することは興味深いことです。 したがって、インビトロの代替手段に対する需要は非常に大きいです。

ドレイズ テストに代わるものを探すのは複雑ですが、成功すると予測されています。 多数の in vitro およびその他の代替法が開発されており、場合によってはそれらが実装されています。 定義上、動物にとって痛みや苦痛が少ないドレイズ試験の改良版には、人道的な理由だけでなく、ウサギの目に少量の試験材料を入れるロー ボリューム アイ テストが含まれます。人々が実際に偶発的に暴露される可能性のある量をより厳密に模倣します。 別の改良点として、pH が 2 未満または 11.5 を超える物質は、眼に重度の刺激性があることが知られているため、動物実験は行われなくなりました。

1980 年から 1989 年の間に、化粧品の眼刺激性試験に使用されるウサギの数は推定 87% 減少しました。 in vitro 試験は、全動物試験の大幅な削減を実現するための階層試験アプローチの一部として組み込まれています。 このアプローチは、過去の眼刺激性データの徹底的な調査と、評価対象の化学物質の物理的および化学的分析から始まる多段階プロセスです。 これら XNUMX つのプロセスで十分な情報が得られない場合は、一連の in vitro 試験が行われます。 in vitro 試験から得られた追加データは、その物質の安全性を評価するのに十分かもしれません。 そうでない場合、最後のステップは限定的な in vivo 試験を実施することです。 このアプローチが、被験物質の安全性を予測するために必要な動物の数をどのように排除するか、少なくとも劇的に減らすことができるかは容易に理解できます。

この階層テスト戦略の一部として使用される一連の in vitro テストは、特定の業界のニーズによって異なります。 眼刺激性試験は、化粧品から医薬品、工業用化学物質まで、さまざまな業界で行われています。 業界ごとに必要な情報の種類は異なるため、一連の in vitro 試験を XNUMX つ定義することはできません。 テスト バッテリーは、通常、細胞毒性、組織の生理学と生化学の変化、定量的な構造活性相関、炎症メディエーター、回復と修復の XNUMX つのパラメーターを評価するように設計されています。 刺激の原因の XNUMX つである細胞毒性のテストの例として、培養細胞を使用したニュートラルレッドアッセイがあります (上記参照)。 化学物質への暴露に起因する細胞生理学および生化学の変化は、ヒト角膜上皮細胞の培養でアッセイすることができます。 あるいは、研究者は、食肉処理場から入手した無傷または解剖したウシまたはニワトリの眼球も使用しています。 これらの全臓器培養で測定されたエンドポイントの多くは、角膜混濁や角膜腫脹など、in vivo で測定されたものと同じです。

炎症は化学物質による眼の損傷の構成要素であることが多く、このパラメータを調べるために利用できるアッセイが多数あります。 アラキドン酸やサイトカインなどの炎症プロセス中に放出されるメディエーターの存在を、さまざまな生化学的アッセイで検出します。 鶏卵の絨毛尿膜 (CAM) も、炎症の指標として使用できます。 CAM アッセイでは、14 ～ XNUMX 日齢のニワトリ胚の殻の小片を取り除き、CAM を露出させます。 その後、化学物質が CAM に適用され、血管出血などの炎症の徴候がその後さまざまな時点で記録されます。

in vitro で評価するのが最も困難な in vivo プロセスの XNUMX つは、眼の損傷の回復と修復です。 新しく開発された装置であるシリコン マイクロフィジオメーターは、細胞外 pH の小さな変化を測定し、培養細胞をリアルタイムで監視するために使用できます。 この分析は、in vivo 回復とかなりよく相関することが示されており、このプロセスの in vitro テストとして使用されています。 これは、眼刺激性に対するドレイズ試験の代替として採用されている試験の種類の概要です。 今後数年以内に、完全な一連の in vitro テスト バッテリーが定義され、それぞれが特定の目的のために検証される可能性があります。

検証

in vitro 試験方法論が規制当局に受け入れられ、実施されるための鍵は検証です。これは、特定の目的のために候補試験の信頼性を確立するプロセスです。 検証プロセスを定義し、調整する努力は、米国とヨーロッパの両方で行われてきました。 欧州連合は、そこでの取り組みを調整し、米国の学術センターであるジョンズ・ホプキンス動物実験代替法センター (CAAT) などのアメリカの組織と交流するために、1993 年に欧州代替法検証センター (ECVAM) を設立しました。 、および国立衛生研究所、米国環境保護庁、米国食品医薬品局、および消費者製品安全委員会の代表者で構成される、代替法の検証のための機関間調整委員会 (ICCVAM)。

in vitro 試験の検証には、実質的な組織と計画が必要です。 政府の規制当局と産業界および学術界の科学者の間で、受け入れ可能な手順についてコンセンサスが必要であり、プロトコルが設定された基準を満たしていることを保証するために、科学諮問委員会による十分な監督が必要です。 検証研究は、化学物質バンクからの較正された一連の化学物質と、単一のソースからの細胞または組織を使用して、一連の参照実験室で実施する必要があります。 候補試験の試験所内再現性と試験所間再現性の両方を実証し、結果を適切な統計分析にかけなければなりません。 検証研究のさまざまな構成要素からの結果がまとめられると、科学諮問委員会は、特定の目的に対する候補試験の有効性について勧告を行うことができます。 さらに、研究の結果は、査読のあるジャーナルに掲載され、データベースに配置されるべきです。

検証プロセスの定義は現在進行中です。 新しい検証研究はそれぞれ、次の研究の設計に役立つ情報を提供します。 国際的なコミュニケーションと協力は、特に EC 化粧品指令の可決によって課された緊急性の高まりを考えると、広く受け入れられる一連のプロトコルの迅速な開発に不可欠です。 この法律は、本格的な検証作業を実施するために必要な推進力を実際に提供する可能性があります。 このプロセスが完了して初めて、さまざまな規制当局による in vitro 法が受け入れられるようになります。

まとめ

この記事では、in vitro 毒性試験の現状を幅広く概観しました。 in vitro 毒性学の科学は比較的歴史が浅いですが、指数関数的に成長しています。 今後数年間の課題は、細胞および分子研究によって生成されたメカニズムの知識を in vivo データの膨大なインベントリに組み込み、毒性学的メカニズムのより完全な説明を提供し、in vitro データを使用できるパラダイムを確立することです。 in vivo での毒性を予測します。 これらの in vitro 法の固有の価値を実現できるのは、毒物学者と政府代表者の協調した努力のみです。

戻る

遺伝毒性評価は、遺伝子、染色体、ゲノムの XNUMX つの一般的な種類の変化 (突然変異) のいずれかを遺伝物質 (DNA) に誘発する薬剤の評価です。 人間などの生物では、遺伝子は DNA で構成されており、DNA はヌクレオチド塩基と呼ばれる個々の単位で構成されています。 遺伝子は、染色体と呼ばれる個別の物理的構造に配置されています。 遺伝毒性は、人の健康に重大かつ不可逆的な影響を与える可能性があります。 遺伝毒性損傷は、がんの誘発における重要なステップであり、先天異常や胎児死亡の誘発にも関与する可能性があります。 上記の XNUMX つのクラスの変異は、人間などの生物が持つ XNUMX 種類の組織、すなわち精子または卵子 (生殖細胞) と残りの組織 (体細胞) のいずれかで発生する可能性があります。

遺伝子変異を測定するアッセイは、遺伝子内のヌクレオチドの置換、付加、または欠失を検出するアッセイです。 染色体変異を測定するアッセイは、1927 つまたは複数の染色体が関与する切断または染色体再編成を検出するアッセイです。 ゲノム変異を測定するアッセイは、異数性と呼ばれる染色体数の変化を検出するアッセイです。 遺伝毒性評価は、200 年に Herman Muller が遺伝毒性 (変異原性) 因子を検出する最初のアッセイを開発して以来、大きく変化しました。 それ以来、DNA の変異を測定する XNUMX 以上のアッセイが開発されました。 しかし、現在、遺伝毒性評価に一般的に使用されているアッセイは XNUMX 未満です。 この記事では、これらのアッセイをレビューし、それらが何を測定するかを説明し、毒性評価におけるこれらのアッセイの役割を探ります。

開発前のがんハザードの特定 遺伝毒性学分野

遺伝毒物学は、全体的なリスク評価プロセスの不可欠な部分となり、発がん活性の信頼できる予測因子として近年注目を集めています。 しかし、遺伝毒性学が開発される前 (1970 年以前) には、ヒトに対する潜在的ながんの危険性を特定するために他の方法が使用されていました。 ヒトのがんリスクを特定するために現在使用されている方法には、次の XNUMX つの主要なカテゴリがあります。疫学研究、長期 in vivo バイオアッセイ、中期 in vivo バイオアッセイ、短期 in vivo および in vitro バイオアッセイ、人工知能およびメカニズムベースの推論。

表 1 に、これらの方法の長所と短所を示します。

表 1. ヒトのがんリスクを特定する現在の方法の長所と短所

遺伝毒性試験の理論的根拠と概念的根拠

遺伝毒性評価に使用されるアッセイの正確な種類と数は常に進化しており、国によって異なりますが、最も一般的なものには、(1) 細菌および/または培養哺乳類細胞における遺伝子変異、および (2) 細胞における染色体変異のアッセイが含まれます。培養された哺乳動物細胞および/または生きているマウス内の骨髄。 この XNUMX 番目のカテゴリ内のアッセイの一部は、異数性も検出できます。 これらのアッセイは生殖細胞の変異を検出しませんが、主に生殖細胞アッセイを実行するための余分なコストと複雑さのために使用されます。 それにもかかわらず、マウスの生殖細胞アッセイは、生殖細胞の影響に関する情報が必要な場合に使用されます。

25 年間 (1970 年から 1995 年) にわたる体系的な研究、特にノースカロライナ州の米国国家毒性プログラムでの体系的な研究により、病原体の変異原性を検出するための個別の数のアッセイが使用されるようになりました。 アッセイの有用性を評価する理論的根拠は、齧歯類でがんを引き起こし、ヒトでがんを引き起こすと疑われる物質 (すなわち、発がん物質) を検出する能力に基づいていました。 これは、過去数十年間の研究により、がん細胞には特定の遺伝子に変異が含まれており、多くの発がん物質が変異原でもあることが示されているためです。 したがって、がん細胞は体細胞変異を含むと見なされ、発がんは体細胞変異誘発の一種と見なされます。

今日最も一般的に使用されている遺伝毒性アッセイが選択されたのは、その大規模なデータベース、比較的低コスト、および実行の容易さだけでなく、多くのげっ歯類およびおそらくヒトの発がん物質を検出することが示されているためです。 その結果、遺伝毒性アッセイは、エージェントの潜在的な発がん性を予測するために使用されます。

遺伝毒性学の分野における重要な概念的および実際的な発展は、多くの発がん物質が体内の酵素によって修飾され、親化学物質の最終的な発がん性および変異原性の形態であることが多い変化した形態 (代謝物) を作成するという認識でした。 ペトリ皿でこの代謝を複製するために、ハインリッヒ・マリングは、げっ歯類の肝臓からの調製物を含めると、この代謝変換または活性化を行うのに必要な酵素の多くが含まれることを示しました. したがって、ディッシュまたはチューブ (in vitro) で実行される多くの遺伝毒性アッセイでは、同様の酵素製剤の添加が採用されています。 単純な製剤は S9 ミックスと呼ばれ、精製された製剤はミクロソームと呼ばれます。 一部の細菌細胞および哺乳類細胞は、これらの酵素を産生するげっ歯類またはヒト由来の遺伝子の一部を含むように遺伝子操作されており、S9 ミックスまたはミクロソームを追加する必要性が減少しています。

遺伝毒性アッセイおよび技術

遺伝毒性スクリーニングに使用される主な細菌系は、サルモネラ菌 (エイムズ) 変異原性アッセイであり、程度ははるかに低いものの WP2 株です。 大腸菌. 1980 年代半ばの研究では、サルモネラ システムの 98 つの菌株 (TA100 と TA90) のみを使用するだけで、既知のサルモネラ変異原の約 XNUMX% を検出できることが示されました。 したがって、これら XNUMX つの菌株は、ほとんどのスクリーニング目的に使用されます。 ただし、より広範なテストには、他のさまざまな菌株が利用可能です。

これらのアッセイはさまざまな方法で実行されますが、9 つの一般的な手順は、プレートの取り込みと液体懸濁液のアッセイです。 プレート組み込みアッセイでは、細胞、被験物質、および（必要に応じて）S9 を一緒に液化寒天に加え、ペトリ寒天プレートの表面に注ぎます。 トップアガーは数分以内に硬化し、プレートを9〜XNUMX日間インキュベートします。その後、変異細胞が増殖してコロニーと呼ばれる視覚的に検出可能な細胞のクラスターを形成し、カウントされます. 寒天培地には、選択剤が含まれているか、新しく変異した細胞のみが増殖するような成分で構成されています。 液体インキュベーションアッセイも同様ですが、細胞、試験薬剤、および SXNUMX を液化寒天を含まない液体で一緒にインキュベートし、次に細胞を洗浄して試験薬剤と SXNUMX を除去し、寒天に播種します。

哺乳動物培養細胞の変異は、主に次の XNUMX つの遺伝子のいずれかで検出されます。 hprt & tk. 細菌アッセイと同様に、哺乳動物細胞株 (げっ歯類またはヒト細胞から開発) をプラスチック製の培養皿またはチューブ内で試験剤に曝露し、変異細胞のみを増殖させる選択剤を含む培地を含む培養皿に播種します。 . この目的で使用されるアッセイには、CHO/HPRT、TK6、およびマウス リンパ腫 L5178Y/TK が含まれます。^{+ / -} アッセイ。 代謝に関与するいくつかのヒト遺伝子を含むだけでなく、さまざまな DNA 修復変異を含む他の細胞株も使用されます。 これらのシステムは、遺伝子内の突然変異 (遺伝子突然変異) および遺伝子に隣接する染色体の領域を含む突然変異 (染色体突然変異) の回復を可能にします。 ただし、この後者のタイプの突然変異は、 tk よりも遺伝子システム hprt の位置による遺伝子システム tk 遺伝子。

細菌変異原性の液体培養試験と同様に、哺乳動物細胞変異原性試験では、一般に培養皿または試験管中の細胞を被験物質および S9 の存在下で数時間暴露します。 次に、細胞を洗浄し、さらに数日間培養して、正常な (野生型) 遺伝子産物を分解し、新たに変異した遺伝子産物を発現させて蓄積させます。変異細胞のみが増殖します。 細菌アッセイと同様に、変異細胞は視覚的に検出可能なコロニーに成長し、その後カウントされます。

染色体変異は、主に細胞遺伝学的アッセイによって特定されます。細胞遺伝学的アッセイでは、げっ歯類および/または培養皿内のげっ歯類またはヒトの細胞を被験化学物質に曝露し、XNUMX つまたは複数の細胞分裂を起こさせ、染色体を染色し、顕微鏡で染色体を視覚的に調べます。染色体の構造や数の変化を検出します。 さまざまなエンドポイントを調べることができますが、規制当局によって現在最も重要であると認められているのは、染色体異常と小核と呼ばれるサブカテゴリの XNUMX つです。

染色体異常の存在について細胞にスコアを付けるには、かなりのトレーニングと専門知識が必要であり、これは時間とお金の面で費用のかかる手順になります。 対照的に、小核はほとんどトレーニングを必要とせず、その検出は自動化できます。 小核は、染色体を含む核とは異なる、細胞内の小さな点として現れます。 小核は、染色体の切断または異数性のいずれかから生じます。 染色体異常に比べて小核の採点が容易であるため、また最近の研究では、生きているマウスの骨髄に染色体異常を誘発する薬剤は、一般にこの組織に小核を誘発することが示されているため、小核は現在、一般的に骨髄の能力の指標として測定されています。染色体突然変異誘発剤。

生殖細胞アッセイは、上記の他のアッセイよりもはるかに少ない頻度で使用されますが、エージェントが生殖細胞にリスクをもたらすかどうかを判断するために不可欠です。変異は、次世代の健康への影響につながる可能性があります. 最も一般的に使用される生殖細胞アッセイはマウスで行われ、(1) 染色体間の遺伝性転座 (交換) (遺伝性転座アッセイ)、(2) 特定の遺伝子が関与する遺伝子または染色体変異 (目に見えるまたは生化学的な特異的遺伝子座) を検出するシステムを含みます。アッセイ）、および（3）生存率に影響を与える変異（優性致死アッセイ）。 体細胞アッセイと同様に、生殖細胞アッセイでの作業仮定は、これらのアッセイで陽性の薬剤は潜在的なヒト生殖細胞変異原であると推定されるということです。

現状と今後の展望

最近の研究では、げっ歯類の 90 種類の発がん性物質 (推定ヒト発がん性物質および体細胞変異原物質) の約 41% を検出するために必要な情報は 1 つだけであることが示されています。 これらには、(2) 試薬の化学構造に関する知識、特に求電子部分が含まれている場合 (構造活性相関に関するセクションを参照)。 (3) サルモネラ変異原性データ。 (90) げっ歯類 (マウスおよびラット) における XNUMX 日間の慢性毒性試験からのデータ。 実際、IARC が宣言したヒト発がん物質の本質的にすべてが、サルモネラ菌アッセイとマウス骨髄小核アッセイだけを使用して変異原として検出可能です。 潜在的なヒト発がん物質を検出するためのこれらの変異原性アッセイの使用は、ほとんどのヒト発がん物質がラットとマウスの両方で発がん性があり（トランス種発がん物質）、ほとんどのトランス種発がん物質がサルモネラ菌で変異原性であり、および/または小核を誘発するという発見によってさらに支持されています。マウスの骨髄で。

DNA技術の進歩、ヒトゲノムプロジェクト、およびがんにおける突然変異の役割に関する理解の向上により、標準的なスクリーニング手順に組み込まれる可能性が高い新しい遺伝毒性アッセイが開発されています. これらの中には、トランスジェニック細胞とげっ歯類の使用があります。 トランスジェニックシステムは、別の種の遺伝子が細胞または生物に導入されたシステムです。 例えば、マウスへの細菌遺伝子の導入に基づいて、動物の任意の臓器または組織における突然変異の検出を可能にするトランスジェニックマウスが現在実験的に使用されている. サルモネラなどの細菌細胞、および P450 遺伝子などの発がん性/変異原性物質の代謝に関与する遺伝子を含む哺乳動物細胞 (ヒト細胞株を含む) が利用可能になりました。 トランスジェニックげっ歯類内のトランスジーン、または hprt、またはサルモネラ内の標的遺伝子を実行できるようになったため、化学物質によって誘発された突然変異の正確な性質を決定でき、化学物質の作用機序への洞察を提供し、病原体に推定的に曝露されたヒトの突然変異との比較を可能にします.

細胞遺伝学における分子の進歩により、染色体変異のより詳細な評価が可能になりました。 これらには、特定の遺伝子に結合する (ハイブリダイズする) プローブ (DNA の小さな断片) の使用が含まれます。 染色体上の遺伝子の再編成は、プローブの位置の変化によって明らかになります。プローブは蛍光性で、染色体上の色付きのセクターとして簡単に視覚化できます。 DNA切断のための単一細胞ゲル電気泳動アッセイ（一般に「コメット」アッセイと呼ばれる）は、単一細胞内のDNA切断の検出を可能にし、染色体損傷を検出するための細胞遺伝学的技術と組み合わせて非常に有用なツールになる可能性があります.

長年の使用と大規模で体系的に開発されたデータベースの生成の後、遺伝毒性評価は、短期間 (数週間) で比較的低コストでわずか数回のアッセイで実行できるようになりました。 得られたデータを使用して、薬剤がげっ歯類になる能力、およびおそらくヒトの発がん物質/体細胞変異原になる能力を予測することができます。 このような能力により、環境への変異原性物質および発がん性物質の導入を制限し、代替の非変異原性物質を開発することが可能になります。 将来の研究は、現在のアッセイよりも優れた予測性を備えたさらに優れた方法につながるはずです.

戻る

抽出時間と バイオマーカー 生物学的マーカーの略で、人体などの生物学的システムで発生する測定可能なイベントを指す用語です。 このイベントは、生物のより一般的な状態または平均余命の反映またはマーカーとして解釈されます。 労働衛生では、一般的にバイオマーカーが健康状態や疾病リスクの指標として使用されます。

バイオマーカーは、ヒトを含む可能性のある in vitro および in vivo 研究に使用されます。 通常、1 つの特定のタイプの生物学的マーカーが識別されます。 いくつかのバイオマーカーは分類が難しいかもしれませんが、通常、それらは曝露のバイオマーカー、影響のバイオマーカー、または感受性のバイオマーカーに分けられます (表 XNUMX を参照)。

表 1. 労働衛生の毒物学研究で使用される曝露のバイオマーカーまたは影響のバイオマーカーの例

許容できる程度の妥当性があれば、バイオマーカーはいくつかの目的に使用できます。 バイオマーカーは、特定のタイプの中毒または他の化学的に誘発された悪影響の診断を支持または否定するために使用される場合があります。 健康な被験者では、バイオマーカーは特定の化学物質への曝露に対する個人の過敏性も反映する可能性があるため、リスク予測とカウンセリングの基礎として役立つ可能性があります. 暴露された労働者のグループでは、いくつかの暴露バイオマーカーを適用して、汚染軽減規制への準拠の程度または一般的な予防努力の有効性を評価できます。

曝露のバイオマーカー

曝露バイオマーカーは、体内の外因性化合物（または代謝産物）、化合物（または代謝産物）と内因性成分との間の相互作用生成物、または曝露に関連する別の事象である可能性があります。 最も一般的には、金属などの安定した化合物への曝露のバイオマーカーには、血液、血清、尿などの適切なサンプル中の金属濃度の測定値が含まれます。 揮発性化学物質の場合、(汚染のない空気を吸入した後) 呼気中のそれらの濃度を評価することができます。 化合物が体内で代謝される場合、XNUMX つまたは複数の代謝産物が曝露のバイオマーカーとして選択される可能性があります。 代謝物は、多くの場合、尿サンプルで測定されます。

最新の分析方法により、有機化合物の異性体または同族体の分離、および金属化合物のスペシエーションまたは特定の元素の同位体比の決定が可能になる場合があります。 高度な分析により、反応性化学物質との結合によって引き起こされる DNA やその他の高分子の構造の変化を調べることができます。 このような高度な技術は、バイオマーカー研究への応用において重要性が大幅に高まることは間違いありません。検出限界が低くなり、分析の妥当性が向上することで、これらのバイオマーカーがさらに有用になる可能性があります。

変異原性化学物質への暴露のバイオマーカーに関して、特に有望な開発が行われています。 これらの化合物は反応性があり、タンパク質や DNA などの高分子と付加物を形成する場合があります。 白血球または組織生検で DNA 付加物が検出される場合があり、特定の DNA 断片が尿中に排泄される場合があります。 例えば、エチレンオキシドへの暴露は DNA 塩基との反応を引き起こし、損傷した塩基の除去後、N-7-(2-ヒドロキシエチル)グアニンは尿中に排出されます。 一部の付加物は、特定の暴露を直接言及していない場合があります。 たとえば、8-ヒドロキシ-2'-デオキシグアノシンは DNA への酸化的損傷を反映しており、この反応はいくつかの化合物によって引き起こされる可能性があり、そのほとんどは脂質過酸化も誘発します。

付加体形成または酸化によって、他の巨大分子も変化し得る。 特に興味深いことに、そのような反応性化合物は、化合物への曝露のバイオマーカーとして決定できるヘモグロビン付加物を生成する可能性があります。 利点は、血液サンプルから十分な量のヘモグロビンを取得できることです。赤血球の寿命が XNUMX か月であることを考えると、タンパク質のアミノ酸で形成された付加体は、この期間中の総暴露量を示します。

付加物は、高性能脂質クロマトグラフィーなどの高感度技術によって決定される場合があり、いくつかの免疫学的方法も利用できます。 一般に、分析方法は新しく、高価であり、さらなる開発と検証が必要です。 を使用することで、より良い感度を得ることができます。 ³²DNA損傷が起こったことを非特異的に示すPポストラベリングアッセイ。 これらの技術はすべて、生物学的モニタリングに役立つ可能性があり、ますます多くの研究に適用されています。 しかし、よりシンプルで感度の高い分析方法が必要です。 一部の方法は低レベルの暴露で特異性が限られているため、喫煙やその他の要因が測定結果に大きな影響を与える可能性があり、解釈が困難になる可能性があります。

変異原性化合物、または変異原に代謝される化合物への暴露は、暴露された個人からの尿の変異原性を評価することによって決定することもできます。 尿サンプルは、簡単に測定できる方法で特定の点変異が発現している細菌株と一緒に培養されます。 尿サンプルに変異原性化学物質が存在する場合、細菌の変異率が高くなります。

曝露バイオマーカーは、曝露の時間的変動および異なるコンパートメントとの関係に関して評価する必要があります。 したがって、バイオマーカーによって表される時間枠、つまりバイオマーカー測定値が過去の曝露および/または蓄積された身体負荷を反映する程度は、結果を解釈するためにトキシコキネティックスデータから決定する必要があります。 特に、バイオマーカーが特定の標的臓器に留まる程度を考慮する必要があります。 血液サンプルはバイオマーカーの研究によく使用されますが、末梢血はコンパートメント間の輸送媒体として機能しますが、一般にコンパートメントとは見なされません。 血液中の濃度がさまざまな臓器のレベルを反映する程度は、さまざまな化学物質間で大きく異なり、通常、曝露の長さと曝露からの時間にも依存します。

このタイプの証拠は、バイオマーカーを（総）吸収線量の指標または有効線量（すなわち、標的組織に到達した量）の指標として分類するために使用されることがあります。 例えば、特定の溶媒への曝露は、曝露後の特定の時間における血液中の溶媒の実際の濃度に関するデータから評価することができる。 この測定値は、体内に吸収された溶媒の量を反映します。 吸収された量の一部は、溶媒の蒸気圧により吐き出されます。 血液中を循環している間、溶媒は体のさまざまな成分と相互作用し、最終的には酵素によって分解されるようになります. 代謝プロセスの結果は、グルタチオンとの抱合によって生成される特定のメルカプツール酸を測定することによって評価できます。 メルカプツール酸の累積排泄は、血中濃度よりも有効用量をよりよく反映している可能性があります.

生殖や老化などのライフイベントは、化学物質の分布に影響を与える可能性があります。 体内の化学物質の分布は妊娠によって大きく影響を受け、多くの化学物質が胎盤関門を通過して胎児が暴露される可能性があります。 授乳は脂溶性化学物質の排泄を引き起こす可能性があり、その結果、乳児による摂取の増加とともに母親の保持が減少します。 減量中または骨粗鬆症の発症中に、貯蔵された化学物質が放出される可能性があり、標的臓器の「内因性」暴露が新たに長期化する可能性があります。 他の要因が個々の化合物の吸収、代謝、保持、および分布に影響を与える可能性があり、感受性のバイオマーカーがいくつか利用可能です (以下を参照)。

効果のバイオマーカー

影響のマーカーは、内因性成分、機能的能力の尺度、または暴露によって影響を受ける身体または臓器系の状態またはバランスの他の指標である可能性があります。 このような効果マーカーは、一般に、異常の前臨床指標です。

これらのバイオマーカーは、特異的または非特異的である可能性があります。 特定のバイオマーカーは、特定の曝露の生物学的影響を示し、予防目的に使用できる可能性がある証拠を提供するため、有用です。 非特異的なバイオマーカーは、影響の個々の原因を示すものではありませんが、混合暴露による総合的な統合効果を反映している可能性があります。 したがって、両方のタイプのバイオマーカーは、労働衛生においてかなり役立つ可能性があります。

曝露バイオマーカーと効果バイオマーカーの間に明確な区別はありません。 たとえば、付加体の形成は、曝露ではなく影響を反映していると言えます。 しかし、効果バイオマーカーは通常、細胞、組織、または全身の機能の変化を示します。 一部の研究者は、暴露された実験動物の肝臓重量の増加や子供の成長低下などの全体的な変化を影響のバイオマーカーとして含めています。 労働衛生の目的で、効果バイオマーカーは、酵素の阻害など、無症状または可逆的な生化学的変化を示すものに制限する必要があります。 最も頻繁に使用される効果バイオマーカーは、おそらく特定の殺虫剤、つまり有機リン酸塩とカルバメートによって引き起こされるコリンエステラーゼの阻害です。 ほとんどの場合、この効果は完全に可逆的であり、酵素阻害は、この特定の殺虫剤グループへの総曝露を反映しています。

一部の曝露は、酵素阻害をもたらさず、むしろ酵素活性の増加をもたらします。 これは、P450 ファミリーに属するいくつかの酵素の場合です (「毒性反応の遺伝的決定因子」を参照)。 それらは、特定の溶剤や多環芳香族炭化水素 (PAH) への暴露によって誘発される可能性があります。 これらの酵素は、生検が困難な組織に主に発現しているため、その特定の酵素によって代謝される化合物を投与することにより、in vivo で間接的に酵素活性を測定し、尿または血漿中の分解産物を測定します。

他の暴露は、体内で保護タンパク質の合成を誘発する可能性があります。 最良の例は、おそらくカドミウムに結合し、この金属の排泄を促進するメタロチオネインです。 カドミウム曝露は、メタロチオネイン遺伝子の発現増加をもたらす要因の XNUMX つです。 同様の保護タンパク質が存在する可能性がありますが、バイオマーカーとして受け入れられるようになるにはまだ十分に調査されていません. バイオマーカーとして使用できる可能性のある候補の中には、もともと熱ショックタンパク質と呼ばれていた、いわゆるストレスタンパク質があります。 これらのタンパク質は、さまざまな有害な暴露に反応して、さまざまな生物によって生成されます。

酸化的損傷は、血清中のマロンジアルデヒドの濃度またはエタンの呼気を測定することによって評価できます。 同様に、アルブミンなどの分子量の小さいタンパク質の尿中排泄は、初期の腎障害のバイオマーカーとして使用される可能性があります。 臨床現場で日常的に使用されるいくつかのパラメーター (例えば、血清ホルモンまたは酵素レベル) も、バイオマーカーとして有用である可能性があります。 ただし、これらのパラメーターの多くは、障害を早期に検出するのに十分な感度を備えていない可能性があります。

効果パラメーターの別のグループは、遺伝毒性効果 (染色体構造の変化) に関連しています。 このような影響は、細胞分裂を行う白血球の顕微鏡検査によって検出される可能性があります。 染色体への重大な損傷 (染色体異常または小核の形成) は、顕微鏡で見ることができます。 損傷は、細胞分裂中に細胞に色素を加えることによっても明らかになることがあります。 遺伝毒性物質への暴露は、各染色体の XNUMX つの染色分体間の色素交換の増加 (姉妹染色分体交換) として視覚化できます。 染色体異常は、がん発症リスクの増加に関連していますが、姉妹染色分体交換率の増加の重要性はあまり明確ではありません。

遺伝毒性のより高度な評価は、体細胞、つまり口腔粘膜から得られた白血球または上皮細胞の特定の点変異に基づいています。 特定の遺伝子座での変異により、細胞は毒性のある化学物質 (6-チオグアニンなど) を含む培養で増殖できるようになる場合があります。 あるいは、特定の遺伝子産物を評価することができる（例えば、特定の癌遺伝子によってコードされる癌タンパク質の血清または組織濃度）。 明らかに、これらの変異は、被った遺伝毒性損傷の合計を反映しており、原因となる曝露について必ずしも何も示していません。 これらの方法はまだ労働衛生での実用化の準備ができていませんが、この一連の研究の急速な進歩は、そのような方法が数年以内に利用可能になることを示唆しています.

感受性のバイオマーカー

感受性のマーカーは、遺伝性であれ誘導性であれ、個体が生体異物の影響またはそのような化合物のグループの影響に対して特に敏感であることを示す指標です。 ほとんどの注意は遺伝的感受性に集中していますが、他の要因も少なくとも同じくらい重要かもしれません. 過感受性は、遺伝的形質、個人の体質、または環境要因による可能性があります。

特定の化学物質を代謝する能力は可変であり、遺伝的に決定されます (「毒性反応の遺伝的決定因子」を参照)。 いくつかの関連する酵素は、単一の遺伝子によって制御されているようです。 例えば外来化学物質の酸化は、主にP450ファミリーに属する酵素ファミリーによって行われます。 他の酵素は、抱合によって代謝産物をより水溶性にします（例：N-アセチルトランスフェラーゼおよびμ-グルタチオン-S-トランスフェラーゼ)。 これらの酵素の活性は遺伝的に制御されており、かなり異なります。 前述のように、活性は、少量の薬物を投与し、尿中の代謝産物の量を測定することによって測定できます。 遺伝子のいくつかは現在特徴付けられており、遺伝子型を決定するための技術が利用可能です。 重要な研究は、特定の癌の形態を発症するリスクが外来化合物を代謝する能力に関連していることを示唆しています。 多くの問題がまだ解決されていないため、現時点では、これらの潜在的な感受性バイオマーカーの労働衛生における使用が制限されています。

アルファなどの他の継承された形質₁抗トリプシン欠乏症またはグルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ欠乏症もまた、体内の防御機構の欠損を引き起こし、それによって特定の暴露に対する過敏症を引き起こします.

感受性に関するほとんどの研究は、遺伝的素因を扱ってきました。 他の要因も同様に役割を果たしており、部分的に無視されてきました. 例えば、慢性疾患を持つ個人は、職業上の曝露に対してより敏感である可能性があります。 また、病気の過程や有毒化学物質への以前の曝露が無症状の臓器損傷を引き起こした場合、新たな有毒物質への曝露に耐える能力が低下する可能性があります. この場合、臓器機能の生化学的指標が感受性バイオマーカーとして使用される場合があります。 おそらく過感受性に関する最も良い例は、アレルギー反応に関するものです。 個人が特定の曝露に対して感作された場合、血清中に特異的な抗体が検出されます。 個人が感作されていない場合でも、他の現在または過去の曝露が、職業曝露に関連する悪影響を引き起こすリスクを高める可能性があります。

主な問題は、職場での混合暴露の共同効果を決定することです。 さらに、個人的な習慣や薬物使用により、感受性が高まる可能性があります。 たとえば、たばこの煙には通常、かなりの量のカドミウムが含まれています。 したがって、カドミウムへの職業的暴露により、体内にこの金属を相当量蓄積しているヘビースモーカーは、カドミウム関連の腎疾患を発症するリスクが高くなります.

労働衛生への応用

バイオマーカーは毒物学研究に非常に有用であり、多くは生物学的モニタリングに適用できる可能性があります。 とはいえ、限界も認識しなければなりません。 多くのバイオマーカーは、これまで実験動物でのみ研究されてきました。 他の種のトキシコキネティックスのパターンは、必ずしも人間の状況を反映していない可能性があり、外挿には、人間のボランティアでの確認研究が必要な場合があります。 また、遺伝的要因または体質的要因による個人差も考慮する必要があります。

場合によっては、ばく露バイオマーカーがまったく実現できない場合があります (たとえば、in vivo で短寿命の化学物質の場合)。 他の化学物質は、神経系などの通常の手順ではアクセスできない臓器に保存されているか、影響を与える可能性があります. 曝露経路も分布パターンに影響を与える可能性があり、したがってバイオマーカーの測定とその解釈にも影響を与える可能性があります。 たとえば、嗅神経を介した脳への直接曝露は、曝露バイオマーカーの測定による検出を逃れる可能性があります。 バイオマーカーの影響に関しては、それらの多くはまったく特定されておらず、変化はライフスタイル要因を含むさまざまな原因による可能性があります. おそらく特に感受性バイオマーカーに関しては、個々の遺伝子型の全体的な健康上の重要性について多くの不確実性が残っているため、解釈は現時点では非常に慎重でなければなりません.

労働衛生において、理想的なバイオマーカーはいくつかの要件を満たす必要があります。 まず第一に、サンプルの収集と分析はシンプルで信頼できるものでなければなりません。 最適な分析品質を得るには標準化が必要ですが、特定の要件はかなり異なります。 主な関心領域には、個人の準備、サンプリング手順とサンプルの取り扱い、および測定手順が含まれます。 後者には、校正や品質保証手順などの技術的要因と、オペレーターの教育や訓練などの個人関連要因が含まれます。

分析の妥当性とトレーサビリティを文書化するために、参照物質は関連するマトリックスに基づいており、適切な濃度の毒性物質または関連する代謝物が適切なレベルで含まれている必要があります。 バイオマーカーを生物学的モニタリングまたは診断目的で使用するには、責任のある研究所が、定義された性能特性を備えた十分に文書化された分析手順と、結果の検証を可能にするアクセス可能な記録を持っている必要があります。 とはいえ、同時に、一般的な品質保証手順を補足するための標準物質の特徴付けと使用の経済性を考慮しなければなりません。 したがって、達成可能な結果の品質とその用途は、参照資料、人員、および機器を含む品質保証の追加コストとバランスを取る必要があります。

もうXNUMXつの要件は、バイオマーカーが、少なくとも研究の状況下では、特定のタイプの曝露に対して特異的であり、曝露の程度と明確な関係があることです. そうしないと、バイオマーカー測定の結果を解釈するのが難しすぎる可能性があります。 ばく露バイオマーカーの測定結果を適切に解釈するには、診断の有効性を知る必要があります (つまり、バイオマーカー値を健康リスクの可能性の大きさに変換すること)。 この分野では、金属はバイオマーカー研究のパラダイムとして機能します。 最近の研究は、用量反応関係の複雑さと微妙さを実証しており、無影響レベルを特定すること、したがって許容暴露を定義することもかなり困難です。 ただし、この種の研究は、関連する情報を明らかにするために必要な調査と改良の種類も示しています。 ほとんどの有機化合物について、曝露とそれに対応する健康への悪影響との間の定量的な関連性はまだ利用できません。 多くの場合、主要な標的臓器でさえ確実にわかっていません。 さらに、毒性データとバイオマーカー濃度の評価は、一度に単一の化合物にさらされるのではなく、物質の混合物にさらされることによって複雑になることがよくあります。

バイオマーカーを職業上の健康目的に適用する前に、いくつかの追加の考慮事項が必要です。 まず、バイオマーカーは無症状で可逆的な変化のみを反映する必要があります。 第二に、バイオマーカーの結果が健康リスクに関して解釈できることを考えると、予防努力が利用可能であり、バイオマーカーのデータが暴露を減らす必要性を示唆している場合に備えて現実的であると見なされるべきです. 第三に、バイオマーカーの実際の使用は、一般的に倫理的に許容できるものと見なされなければなりません。

産業衛生測定値は、適用される暴露限度と比較される場合があります。 同様に、曝露バイオマーカーまたは効果バイオマーカーの結果は、生物学的曝露指数と呼ばれることもある生物学的作用限界と比較することができます。 そのような制限は、適切な分野の臨床医と科学者の最善のアドバイスに基づいている必要があり、「リスク管理者」としての責任ある管理者は、関連する倫理的、社会的、文化的、経済的要因を考慮に入れる必要があります。 可能であれば、科学的根拠には、危険にさらされている集団内の感受性の変動に関する情報によって補足された用量反応関係を含める必要があります。 一部の国では、労働者や一般市民が基準設定プロセスに関与し、特に科学的な不確実性が大きい場合に重要な情報を提供しています。 主な不確実性の XNUMX つは、予防すべき健康への悪影響をどのように定義するかということです。たとえば、曝露バイオマーカーとしての付加体形成自体が、予防すべき悪影響 (すなわち、効果バイオマーカー) を表しているかどうかなどです。 同じ化合物について、一方で偶発的曝露と他方で職業的曝露に対して異なる制限を設けることが倫理的に正当化できるかどうかを決定する際に、難しい問題が生じる可能性があります。

バイオマーカーの使用によって生成された情報は、一般に、医師と患者の関係の中で検査を受ける個人に伝えられるべきです。 倫理的な懸念は、実際の健康リスクに関して現在詳細に解釈できない非常に実験的なバイオマーカー分析に関連して特に考慮する必要があります。 例えば、一般集団については、血中鉛濃度以外の曝露バイオマーカーの解釈に関して、現時点では限られたガイダンスが存在します。 また、生成されたデータの信頼性も重要です (つまり、適切なサンプリングが行われているかどうか、関連する実験室で健全な品質保証手順が使用されているかどうか)。 特別な懸念の追加領域は、個々の過感受性に関連しています。 研究からのフィードバックを提供する際には、これらの問題を考慮に入れる必要があります。

バイオマーカー研究の影響を受ける、またはバイオマーカー研究の実施に関係する社会のすべてのセクターは、研究によって生成された情報をどのように扱うかについての意思決定プロセスに関与する必要があります。 避けられない倫理的対立を防止または克服するための具体的な手順は、地域または国の法的および社会的枠組みの中で開発されるべきです。 しかし、それぞれの状況は異なる一連の疑問と落とし穴を表しており、暴露バイオマーカーのすべてのアプリケーションをカバーするために一般市民が関与するための単一の手順を開発することはできません。

戻る

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。

戻る

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

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

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。

戻る

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

RNA 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

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

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

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 & 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

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

戻る

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

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 & 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.

戻る

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

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

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.

戻る