毒理學在製定法規和其他職業健康政策方面發揮著重要作用。 為了防止職業傷害和疾病，決策越來越多地基於在人類暴露類型之前或在沒有人類暴露類型的情況下可獲得的信息，這些信息會產生關於風險的明確信息，例如流行病學研究。 此外，如本章所述，毒理學研究可以在實驗室研究的受控條件下提供有關劑量和反應的精確信息； 在不受控制的職業接觸環境中，通常很難獲得這些信息。 然而，必須仔細評估這些信息，以估計對人類產生不利影響的可能性、這些不利影響的性質以及暴露和影響之間的定量關係。

自 1980 世紀 XNUMX 年代以來，許多國家都非常重視開發在監管決策中利用毒理學信息的客觀方法。 形式化方法，通常稱為 風險評估, 已被政府和非政府實體在這些國家提出並使用。 風險評估的定義各不相同； 從根本上說，它是一個評估過程，結合了毒理學、流行病學和接觸信息，以確定和估計與接觸危險物質或條件相關的不利影響的可能性。 風險評估本質上可以是定性的，表明不利影響的性質和可能性的一般估計，也可以是定量的，估計在特定暴露水平下受影響的人數。 在許多監管體系中，風險評估分四個階段進行： 危害識別, 毒性作用性質的描述； 量效評估，對暴露（或劑量）與毒性作用的嚴重程度或可能性之間關係的半定量或定量分析； 暴露評估，評估一般人群或人群中的亞群可能發生的暴露範圍的信息； 風險特徵，將上述所有信息彙編成在特定暴露條件下預期發生的風險大小的表達式（參見 NRC 1983 有關這些原則的聲明）。

在本節中，將介紹三種風險評估方法作為說明。 不可能提供全世界使用的風險評估方法的綜合綱要，這些選擇不應被視為規定性的。 應該指出的是，存在風險評估方法協調的趨勢，部分是為了響應最近的 GATT 協議中的規定。 通過國際化學品安全計劃 (IPCS) 和經濟合作與發展組織 (OECD)，目前正在進行兩項風險評估方法的國際協調進程。 這些組織還保留有關國家風險評估方法的最新信息。

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結構活性關係 (SAR) 分析是利用有關化學品分子結構的信息來預測與持久性、分佈、攝取和吸收以及毒性相關的重要特性。 SAR 是一種識別潛在危險化學品的替代方法，它有望幫助行業和政府確定物質的優先順序，以便進一步評估或用於新化學品的早期決策。 毒理學是一項日益昂貴和資源密集型的工作。 人們越來越擔心化學品可能會對暴露的人群造成不利影響，這促使監管機構和衛生機構擴大測試範圍和靈敏度，以檢測毒理學危害。 與此同時，監管對行業的實際和感知負擔引起了人們對毒性測試方法和數據分析實用性的擔憂。 目前，化學致癌性的確定取決於對至少兩個物種（男女）在不同劑量下的壽命測試，對多個器官進行仔細的組織病理學分析，以及檢測細胞和靶器官的癌前變化。 在美國，癌症生物測定的成本估計超過 3 萬美元（1995 年美元）。

即使有無限的財政資源，測試當今世界生產的大約 70,000 種現有化學品的負擔也將超過訓練有素的毒理學家的可用資源。 即使是對這些化學品的一級評估也需要幾個世紀的時間才能完成 (NRC 1984)。 在許多國家，對在毒性試驗中使用動物的倫理問題有所增加，這給使用標準毒性試驗方法帶來了額外的壓力。 SAR 已廣泛用於製藥行業，以識別具有治療有益用途潛力的分子（Hansch 和 Zhang 1993）。 在環境和職業健康政策中，SAR 用於預測化合物在物理化學環境中的擴散，並篩選新化學品以進一步評估潛在毒性。 根據美國有毒物質控制法 (TSCA)，EPA 自 1979 年以來一直使用 SAR 方法作為製造前通知 (PMN) 過程中新化學品的“第一篩選”； 澳大利亞使用類似的方法作為其新化學品通知 (NICNAS) 程序的一部分。 在美國，SAR 分析是確定是否有合理依據得出結論認為物質的製造、加工、分銷、使用或處置將對人類健康或環境造成不合理的傷害風險的重要依據，如第TSCA 的 5(f)。 基於這一發現，EPA 然後可以根據 TSCA 第 6 節要求對該物質進行實際測試。

搜尋與援救的理由

SAR 的科學原理基於這樣的假設，即化學物質的分子結構將預測其在物理化學和生物系統中行為的重要方面（Hansch 和 Leo 1979）。

搜救過程

SAR 審查過程包括鑑定化學結構，包括經驗配方和純化合物； 結構相似物質的鑑定； 在數據庫和文獻中搜索有關結構類似物的信息； 毒性分析和結構類似物的其他數據。 在極少數情況下，僅關於化合物結構的信息就足以支持某些基於充分理解的毒性機制的 SAR 分析。 已經編制了幾個關於 SAR 的數據庫，以及基於計算機的分子結構預測方法。

利用此信息，可以使用 SAR 估算以下端點：

• 理化參數：沸點、蒸氣壓、水溶性、辛醇/水分配係數
• 生物/環境歸宿參數：生物降解、土壤吸附、光降解、藥代動力學
• 毒性參數：水生生物毒性、吸收、急性哺乳動物毒性（限度試驗或LD₅₀)、皮膚、肺和眼睛刺激、致敏、亞慢性毒性、致突變性。

應該指出的是，對於致癌性、發育毒性、生殖毒性、神經毒性、免疫毒性或其他靶器官效應等重要的健康終點，不存在 SAR 方法。 這是由三個因素造成的：缺乏用於檢驗 SAR 假設的大型數據庫，缺乏對毒性作用的結構決定因素的了解，以及這些終點所涉及的靶細胞和機制的多樣性（參見“美國生殖毒物和神經毒劑的風險評估方法”）。 利用分配係數和溶解度的信息，利用 SAR 預測藥代動力學的一些有限嘗試（Johanson 和 Naslund 1988）。 已經進行了更廣泛的定量 SAR 來預測一系列化合物的 P450 依賴性代謝以及二噁英和 PCB 樣分子與細胞溶質“二噁英”受體的結合（Hansch 和 Zhang 1993）。

SAR 已被證明對上面列出的一些終點具有不同的可預測性，如表 1 所示。該表提供了預測活動與通過經驗測量或毒性測試獲得的實際結果的兩次比較的數據。 美國 EPA 專家進行的 SAR 在預測物理化學特性方面的表現比預測生物活性（包括生物降解）的表現更差。 對於毒性終點，SAR 在預測致突變性方面表現最好。 Ashby 和 Tennant (1991) 在一項更廣泛的研究中也發現，在他們對 NTP 化學品的分析中，短期遺傳毒性具有良好的可預測性。 考慮到目前對遺傳毒性分子機制（參見“遺傳毒理學”）和親電性在 DNA 結合中的作用的理解，這些發現並不令人驚訝。 相比之下，SAR 傾向於低估哺乳動物的全身和亞慢性毒性，而高估水生生物的急性毒性。

表 1. SAR 和測試數據的比較：OECD/NTP 分析

資料來源：來自經合組織的數據，個人通訊 C. Auer，美國環保署。 本分析僅使用可比較 SAR 預測和實際測試數據的那些端點。 NTP 數據來自 Ashby 和 Tennant 1991。

¹ 令人擔憂的是 SAR 未能預測 12% 的測試化學品的急性毒性。

² OECD 數據，基於 Ames 測試與 SAR 的一致性

³ NTP 數據，基於基因毒性分析與幾類“結構性警報化學品”的 SAR 預測的比較。

⁴ 一致性因班級而異； 一致性最高的是芳香氨基/硝基化合物； 最低的是“雜項”結構。

對於其他有毒終點，如上所述，SAR 的實用性較差。 由於缺乏複雜分子毒代動力學的 SAR，哺乳動物毒性預測變得複雜。 儘管如此，已經進行了一些嘗試來提出複雜哺乳動物毒性終點的 SAR 原則（例如，參見 Bernstein (1984) 對潛在雄性生殖毒物的 SAR 分析）。 在大多數情況下，數據庫太小而無法對基於結構的預測進行嚴格測試。

在這一點上可以得出結論，SAR 可能主要用於確定毒性測試資源投資的優先次序或引起對潛在危害的早期關注。 只有在致突變性的情況下，SAR 分析本身才有可能可靠地用於為其他決策提供信息。 對於任何終點，SAR 都不可能提供本章其他地方討論的風險評估目的所需的定量信息類型，並且 百科全書.

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分子和細胞生物學中尖端技術的出現刺激了包括毒理學在內的生命科學的相對快速發展。 實際上，毒理學的重點正在從整個動物和整個動物種群轉移到單個動物和人類的細胞和分子。 自 1980 世紀 XNUMX 年代中期以來，毒理學家開始採用這些新方法來評估化學品對生命系統的影響。 作為一個合乎邏輯的進展，這些方法正在適應毒性測試的目的。 這些科學進步與社會和經濟因素共同作用，影響了產品安全和潛在風險評估的變化。

經濟因素與必須測試的材料量特別相關。 每年都有大量新的化妝品、藥品、農藥、化學品和家用產品進入市場。 所有這些產品都必須評估其潛在毒性。 此外，還有大量已在使用但未經過充分測試的化學品積壓。 使用傳統的整體動物測試方法獲取所有這些化學品的詳細安全信息是一項艱鉅的任務，如果能夠完成的話，在金錢和時間方面都是昂貴的。

還有與公共健康和安全相關的社會問題，以及公眾對使用動物進行產品安全測試的日益關注。 關於人類安全，公共利益和環保倡導團體向政府機構施加了巨大壓力，要求其對化學品實施更嚴格的法規。 最近的一個例子是一些環保組織在美國禁止使用氯和含氯化合物。 這種極端行為的動機之一在於這些化合物中的大多數從未經過充分測試。 從毒理學的角度來看，僅基於氯的存在就禁止一整類不同化學品的概念在科學上是不合理的，也是不負責任的。 然而，從公眾的角度來看，必須保證釋放到環境中的化學品不會造成重大健康風險，這是可以理解的。 這種情況強調需要更有效和快速的方法來評估毒性。

影響毒性測試領域的另一個社會問題是動物福利。 世界各地越來越多的動物保護組織對使用整隻動物進行產品安全測試表示強烈反對。 為了阻止動物試驗，針對化妝品、家庭和個人護理產品以及藥品的製造商發起了積極的運動。 歐洲的此類努力促成了指令 76/768/EEC（化妝品指令）的第六次修正案的通過。 該指令的結果是，1 年 1998 月 XNUMX 日之後在動物身上測試過的化妝品或化妝品成分不能在歐盟銷售，除非替代方法未得到充分驗證。 雖然該指令對在美國或其他國家/地區銷售此類產品沒有管轄權，但它將對那些擁有包括歐洲在內的國際市場的公司產生重大影響。

替代品的概念構成了除了對整隻動物進行測試以外的測試開發的基礎，由三個定義 Rs: 減少 使用的動物數量； 精緻 協議，使動物經歷更少的壓力或不適； 和 替代 目前的動物試驗包括體外試驗（即在活體動物之外進行的試驗）、計算機模型或對低等脊椎動物或無脊椎動物進行的試驗。 他們三個 Rs 在 1959 年由兩位英國科學家 WMS Russell 和 Rex Burch 出版的一本書中進行了介紹， 人道實驗技術原理. Russell 和 Burch 堅持認為，獲得有效科學結果的唯一途徑是通過人道對待動物，並認為應該開發減少動物使用並最終取而代之的方法。 有趣的是，在 1970 世紀 XNUMX 年代中期動物福利運動重新興起之前，羅素和伯奇概述的原則很少受到關注。 今天的三個概念 Rs 在研究、測試和教育方面處於領先地位。

總之，體外測試方法的發展受到過去 20 到 XNUMX 年匯集的各種因素的影響。 很難確定這些因素中的任何一個是否會對毒性測試策略產生如此深遠的影響。

體外毒性試驗的概念

本節將僅關注用於評估毒性的體外方法，作為整體動物測試的替代方法之一。 本章其他文章中討論了計算機建模和定量構效關係等其他非動物替代方法。

體外研究通常在體外的動物或人體細胞或組織中進行。 體外的字面意思是“在玻璃中”，是指在規定條件下對在培養皿或試管中培養的活體材料或活體材料成分進行的程序。 這些可能與體內研究或“在活體動物身上”進行的研究形成對比。 當觀察僅限於培養皿中的單一類型細胞時，即使不是不可能，也很難預測化學物質對複雜生物體的影響，但體外研究確實提供了大量關於內在毒性的信息作為毒性的細胞和分子機制。 此外，與體內研究相比，它們具有許多優勢，因為它們通常更便宜並且可以在更受控的條件下進行。 此外，儘管事實上仍然需要少量動物來獲得用於體外培養的細胞，但這些方法可被視為減少替代方法（因為與體內研究相比使用的動物要少得多）和精煉替代方法（因為它們消除了需要使動物經受體內實驗造成的不良毒性後果）。

為了解釋體外毒性試驗的結果，確定它們在評估毒性方面的潛在用途並將它們與體內的整個毒理學過程聯繫起來，有必要了解正在檢查毒理學過程的哪一部分。 整個毒理學過程包括以下事件：從有機體暴露於物理或化學試劑開始，通過細胞和分子相互作用進展，並最終在整個有機體的反應中表現出來。 體外試驗通常僅限於發生在細胞和分子水平的毒理學過程的一部分。 可從體外研究中獲得的信息類型包括代謝途徑、活性代謝物與細胞和分子靶標的相互作用以及可作為暴露分子生物標誌物的潛在可測量毒性終點。 在理想情況下，每種化學物質暴露於有機體表現的毒性機制是已知的，這樣從體外試驗中獲得的信息就可以得到充分解釋，並與整個有機體的反應相關聯。 然而，這實際上是不可能的，因為已經闡明的完整毒理學機制相對較少。 因此，毒理學家面臨這樣一種情況，即體外試驗的結果不能用作對體內毒性的完全準確預測，因為機制未知。 然而，在開發體外測試的過程中，通常會闡明毒性的細胞和分子機制的組成部分。

圍繞體外測試的開發和實施的關鍵未解決問題之一與以下考慮有關：它們應該以機械為基礎，還是足以讓它們具有描述性？ 從科學的角度來看，僅使用基於機械的測試來替代體內測試無疑更好。 然而，在缺乏完整的機理知識的情況下，在不久的將來開發完全替代整體動物試驗的體外試驗的前景幾乎為零。 然而，這並不排除使用更具描述性的分析類型作為早期篩查工具，目前就是這種情況。 這些屏幕導致動物使用顯著減少。 因此，在生成更多機械信息之前，可能有必要在更有限的範圍內採用其結果與體內獲得的結果完全相關的測試。

體外細胞毒性試驗

在本節中，將描述為評估化學品的細胞毒性潛力而開發的幾種體外測試。 在大多數情況下，這些測試很容易執行，並且可以自動進行分析。 一種常用的細胞毒性體外試驗是中性紅測定。 該測定是在培養細胞上進行的，對於大多數應用，細胞可以保存在包含 96 個小孔的培養皿中，每個孔的直徑為 6.4 毫米。 由於每個孔都可用於單次測定，因此這種佈置可以容納多種濃度的測試化學品以及陽性和陰性對照，每種都有足夠數量的重複。 在用至少兩個數量級（例如，從 0.01mM 到 1mM）的不同濃度的測試化學品以及陽性和陰性對照化學品處理細胞後，將細胞沖洗並用中性紅處理，只能被活細胞吸收和保留的染料。 可以在去除測試化學品時添加染料以確定即時效果，或者可以在去除測試化學品後的不同時間添加染料以確定累積或延遲效果。 每個孔中的顏色強度對應於該孔中活細胞的數量。 顏色強度通過可配備讀板器的分光光度計測量。 讀板器經過編程，可為培養皿的 96 個孔中的每個孔提供單獨的測量值。 這種自動化方法允許研究人員快速執行濃度​​響應實驗並獲得統計上有用的數據。

另一種相對簡單的細胞毒性試驗是 MTT 試驗。 MTT（3[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5-二苯基四唑溴化物）是一種四唑染料，可被線粒體酶還原成藍色。 只有具有活線粒體的細胞才能保留進行該反應的能力； 因此，顏色強度與線粒體完整性的程度直接相關。 這是檢測一般細胞毒性化合物以及那些專門針對線粒體的藥物的有用測試。

乳酸脫氫酶 (LDH) 活性的測量也用作細胞毒性的廣泛檢測。 這種酶通常存在於活細胞的細胞質中，並通過已被毒劑不利影響的死亡或垂死細胞的滲漏細胞膜釋放到細胞培養基中。 在對細胞進行化學處理後，可在不同時間去除少量培養基，以測量釋放的 LDH 量並確定毒性的時程。 雖然 LDH 釋放試驗是一種非常普遍的細胞毒性評估，但它很有用，因為它易於執行並且可以實時完成。

正在開發許多新方法來檢測細胞損傷。 更複雜的方法使用熒光探針來測量各種細胞內參數，例如鈣釋放以及 pH 和膜電位的變化。 一般來說，這些探針非常敏感，可以檢測到更細微的細胞變化，從而減少使用細胞死亡作為終點的需要。 此外，許多這些熒光測定可以通過使用 96 孔板和熒光板閱讀器實現自動化。

一旦使用這些測試之一收集了一系列化學品的數據，就可以確定相對毒性。 在體外試驗中確定的化學品的相對毒性可以表示為對未處理細胞的終點反應產生 50% 影響的濃度。 這一決定被稱為 EC₅₀ (E有效的 C濃度為 50細胞的百分比），可用於比較不同化學品的體外毒性。 （用於評估相對毒性的類似術語是 IC₅₀，表示導致細胞過程 50% 抑制的化學物質的濃度，例如，吸收中性紅的能力。）評估化學物質的相對體外毒性是否與其在體外的相對毒性相當並不容易體內毒性，因為體內系統中有很多混雜因素，例如毒代動力學、代謝、修復和防禦機制。 此外，由於大多數這些測定測量的是一般細胞毒性終點，因此它們不是基於機械的。 因此，體外和體內相對毒性之間的一致性是簡單相關的。 儘管從體外外推到體內存在許多複雜性和困難，但這些體外試驗被證明是非常有價值的，因為它們執行起來簡單且成本低廉，並且可以用作篩選以在早期階段標記劇毒藥物或化學品。發展。

靶器官毒性

體外試驗也可用於評估特定的靶器官毒性。 設計此類測試存在許多困難，最值得注意的是體外系統無法在體內保持器官的許多特徵。 通常，當細胞從動物身上取出並置於培養物中時，它們往往會迅速退化和/或去分化，即失去其器官樣功能並變得更加通用。 這帶來了一個問題，即在很短的時間內（通常是幾天），培養物不再可用於評估毒素的器官特異性影響。

由於分子和細胞生物學的最新進展，許多這些問題正在被克服。 獲得的關於體內細胞環境的信息可用於調節體外培養條件。 自 1980 世紀 XNUMX 年代中期以來，新的生長因子和細胞因子被發現，其中許多現已上市。 將這些因子添加到培養的細胞中有助於保持它們的完整性，也可能有助於在更長的時間內保留更多的分化功能。 其他基礎研究增加了對培養細胞的營養和激素需求的認識，因此可以配製新的培養基。 最近在識別可以在其上培養細胞的天然存在的和人工的細胞外基質方面也取得了進展。 在這些不同的基質上培養細胞會對它們的結構和功能產生深遠的影響。 從這些知識中獲得的一個主要優勢是能夠複雜地控制培養細胞的環境，並單獨檢查這些因素對基本細胞過程和它們對不同化學試劑的反應的影響。 簡而言之，這些系統可以深入了解特定器官的毒性機制。

許多靶器官毒性研究是在原代細胞中進行的，根據定義，原代細胞是從器官中新鮮分離出來的，通常在培養中的壽命有限。 使用來自器官的單一細胞類型的原代培養物進行毒性評估有很多優勢。 從機械的角度來看，這種培養物可用於研究化學物質的特定細胞靶標。 在某些情況下，可以將來自一個器官的兩種或多種細胞類型一起培養，這提供了一個額外的優勢，即能夠觀察細胞間相互作用對毒素的反應。 一些皮膚共培養系統已被設計成可以在體內形成類似於皮膚的三維結構。 也可以共培養來自不同器官（例如肝臟和腎臟）的細胞。 這種類型的培養物可用於評估必須在肝臟中生物激活的化學物質對腎細胞的特異性影響。

分子生物學工具在可用於靶器官毒性測試的連續細胞系的開發中也發揮了重要作用。 這些細胞係是通過將 DNA 轉染到原代細胞中產生的。 在轉染過程中，處理細胞和 DNA，使 DNA 可以被細胞吸收。 DNA 通常來自病毒，包含一個或多個基因，表達後可使細胞永生化（即能夠在培養物中長期存活和生長）。 還可以對 DNA 進行工程改造，使永生化基因受誘導型啟動子控制。 這種構建體的優點是細胞只有在接受適當的化學刺激以允許永生化基因表達時才會分裂。 這種構建體的一個例子是來自猿猴病毒 40 (SV40) 的大 T 抗原基因（永生化基因），其前面是金屬硫蛋白基因的啟動子區域，它是由培養基中存在的金屬誘導的。 因此，在將基因轉染到細胞中後，可以用低濃度的鋅處理細胞以刺激MT啟動子並開啟T抗原基因的表達。 在這些條件下，細胞增殖。 當從培養基中去除鋅時，細胞停止分裂並在理想條件下恢復到表達其組織特異性功能的狀態。

產生永生化細胞的能力與細胞培養技術的進步相結合，極大地促進了從許多不同器官（包括大腦、腎臟和肝臟）創建細胞系。 然而，在將這些細胞系用作真正細胞類型的替代物之前，必須仔細表徵它們以確定它們到底有多“正常”。

其他用於研究靶器官毒性的體外系統涉及越來越複雜。 隨著體外系統從單細胞培養到整個器官培養的複雜性不斷提高，它們變得與體內環境更具可比性，但與此同時，鑑於變量數量的增加，它們變得更加難以控制。 因此，在研究人員無法控制實驗環境時，可能會失去在更高級別組織中可能獲得的收益。 表 1 比較了用於研究肝毒性的各種體外系統的一些特徵。

表 1. 肝毒性研究的體外系統比較

精密切割的組織切片正被更廣泛地用於毒理學研究。 有可用的新儀器，使研究人員能夠在無菌環境中切割均勻的組織切片。 組織切片提供了一些優於細胞培養系統的優勢，因為器官的所有細胞類型都存在，並且它們保持其體內結構和細胞間通訊。 因此，可以進行體外研究以確定器官內的靶細胞類型以及研究特定的靶器官毒性。 切片的一個缺點是它們在培養的前 24 小時後迅速退化，這主要是由於氧氣向切片內部細胞的擴散不良。 然而，最近的研究表明，通過溫和的旋轉可以實現更有效的曝氣。 這與使用更複雜的介質一起，使切片能夠存活長達 96 小時。

組織外植體在概念上類似於組織切片，也可用於確定特定目標器官中化學物質的毒性。 組織外植體是通過取出一小塊組織（用於致畸研究，一個完整的胚胎）並將其放入培養物中進行進一步研究而建立的。 外植體培養物可用於短期毒性研究，包括皮膚刺激和腐蝕性、氣管石棉研究和腦組織神經毒性研究。

分離的灌注器官也可用於評估靶器官毒性。 這些系統提供了類似於組織切片和外植體的優勢，因為所有細胞類型都存在，但不會因製備切片的操作而對組織造成壓力。 此外，它們允許維持器官內相互作用。 一個主要的缺點是它們的短期生存能力，這限制了它們在體外毒性測試中的使用。 就作為替代品而言，這些培養物可以被認為是一種改進，因為動物不會經歷體內毒物治療的不良後果。 然而，它們的使用並沒有顯著減少所需的動物數量。

總之，有幾種類型的體外系統可用於評估靶器官毒性。 使用這些技術中的一種或多種，可以獲得有關毒性機制的大量信息。 困難仍然在於知道如何從代表毒理學過程的相對較小部分的體外系統外推到體內發生的整個過程。

眼部刺激的體外測試

從動物福利的角度來看，最具爭議的全動物毒性試驗可能是在兔子身上進行的眼睛刺激 Draize 試驗。 在這個測試中，將少量固定劑量的化學物質放入兔子的一隻眼睛中，而另一隻眼睛用作對照。 在接觸後的不同時間對刺激和炎症的程度進行評分。 正在努力開發替代該測試的方法，該測試不僅出於人道原因，而且還因為觀察的主觀性和結果的可變性而受到批評。 有趣的是，儘管 Draize 測試受到了嚴厲的批評，但它已被證明在預測人眼刺激物方面非常成功，尤其是其他方法難以識別的輕微至中度刺激性物質。 因此，對體外替代品的需求很大。

尋找 Draize 測試的替代方案是一項複雜的工作，儘管預計會成功。 已經開發了許多體外和其他替代方案，並且在某些情況下它們已經實施。 根據定義，Draize 測試的改進替代品對動物的痛苦或痛苦較小，包括 Low Volume Eye Test，其中將少量測試材料放入兔子的眼睛中，不僅出於人道原因，而且為了更接近地模擬人們實際可能意外接觸的量。 另一個改進是 pH 值小於 2 或大於 11.5 的物質不再在動物身上進行測試，因為已知它們會嚴重刺激眼睛。

1980 年至 1989 年間，用於化妝品眼部刺激性測試的兔子數量估計下降了 87%。 體外測試已被納入分層測試方法的一部分，以實現整體動物測試的大幅減少。 這種方法是一個多步驟過程，首先要全面檢查歷史眼睛刺激數據，並對要評估的化學品進行物理和化學分析。 如果這兩個過程沒有產生足夠的信息，則會進行一系列體外測試。 從體外試驗中獲得的額外數據可能足以評估物質的安全性。 如果沒有，那麼最後一步將是進行有限的體內測試。 很容易看出這種方法如何消除或至少大大減少預測測試物質安全性所需的動物數量。

用作此分級測試策略的一部分的體外測試電池取決於特定行業的需求。 從化妝品到製藥再到工業化學品，許多行業都在進行眼睛刺激測試。 每個行業所需的信息類型各不相同，因此不可能定義一個單一的體外測試電池組。 測試電池通常設計用於評估五個參數：細胞毒性、組織生理學和生物化學的變化、定量構效關係、炎症介質以及恢復和修復。 細胞毒性測試的一個例子是使用培養細胞進行的中性紅測定（見上文），這是一種可能的刺激原因。 可以在人角膜上皮細胞的培養物中測定因接觸化學品而導致的細胞生理學和生物化學變化。 或者，研究人員還使用了從屠宰場獲得的完整或解剖的牛或雞眼球。 在這些全器官培養物中測量的許多終點與體內測量的終點相同，例如角膜混濁和角膜腫脹。

炎症通常是化學性眼損傷的一個組成部分，並且有許多檢測方法可用於檢查此參數。 各種生化測定檢測在炎症過程中釋放的介質的存在，例如花生四烯酸和細胞因子。 雞蛋的絨毛尿囊膜 (CAM) 也可用作炎症指標。 在 CAM 測定中，將 14 到 XNUMX 天的雞胚的一小塊殼移除以暴露 CAM。 然後將化學物質應用於 CAM，然後在不同時間對炎症跡象（例如血管出血）進行評分。

在體外評估最困難的體內過程之一是眼部損傷的恢復和修復。 一種新開發的儀器，矽微生理計，測量細胞外 pH 值的微小變化，可用於實時監測培養的細胞。 該分析已被證明與體內恢復相當好，並已被用作該過程的體外測試。 這是對用作 Draize 眼刺激測試替代方法的測試類型的簡要概述。 在接下來的幾年內，很可能會定義一個完整的體外測試電池系列，並且每個電池都將針對其特定用途進行驗證。

驗證

監管機構接受和實施體外測試方法的關鍵是驗證，即為特定目的確定候選測試可信度的過程。 美國和歐洲都在努力定義和協調驗證過程。 歐盟於 1993 年成立了歐洲替代方法驗證中心 (ECVAM)，以協調那裡的工作並與美國組織進行互動，例如美國學術中心約翰霍普金斯動物試驗替代中心 (CAAT)和替代方法驗證機構間協調委員會 (ICCVAM)，由美國國立衛生研究院、美國環境保護署、美國食品和藥物管理局以及消費品安全委員會的代表組成。

體外試驗的驗證需要大量的組織和計劃。 政府監管機構以及工業界和學術界的科學家必須就可接受的程序達成共識，並由科學顧問委員會進行充分監督，以確保協議符合既定標準。 驗證研究應在一系列參考實驗室中進行，使用來自化學庫的校準化學品組和來自單一來源的細胞或組織。 必須證明候選測試的實驗室內重複性和實驗室間再現性，並對結果進行適當的統計分析。 一旦驗證研究的不同組成部分的結果得到匯總，科學顧問委員會就可以針對特定目的對候選測試的有效性提出建議。 此外，研究結果應發表在同行評審的期刊上，並放入數據庫中。

驗證過程的定義目前正在進行中。 每項新的驗證研究都將為下一項研究的設計提供有用的信息。 國際交流與合作對於快速制定廣泛接受的一系列協議至關重要，特別是考慮到 EC 化妝品指令的通過所帶來的緊迫性。 這項立法確實可以為進行認真的驗證工作提供所需的動力。 只有完成這一過程，才能開始接受各種監管機構的體外方法。

結論

本文概述了體外毒性測試的現狀。 體外毒理學科學相對年輕，但它正在呈指數級增長。 未來幾年的挑戰是將細胞和分子研究產生的機理知識納入大量體內數據清單，以提供更完整的毒理學機制描述，並建立可以使用體外數據的範例預測體內毒性。 只有通過毒理學家和政府代表的共同努力，才能實現這些體外方法的內在價值。

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遺傳毒性評估是評估藥物在遺傳物質 (DNA) 中誘導三種一般類型變化（突變）中任何一種的能力：基因、染色體和基因組。 在人類等生物體中，基因由 DNA 組成，DNA 由稱為核苷酸鹼基的單個單元組成。 這些基因排列在稱為染色體的離散物理結構中。 遺傳毒性會對人類健康造成重大且不可逆轉的影響。 基因毒性損傷是誘發癌症的關鍵步驟，也可能與誘發出生缺陷和胎兒死亡有關。 上述三類突變可以發生在生物體（例如人類）所擁有的兩種組織中的任何一種中：精子或卵子（生殖細胞）和剩餘組織（體細胞）。

測量基因突變的分析是檢測基因內核苷酸的​​取代、添加或缺失的分析。 測量染色體突變的分析是檢測涉及一條或多條染色體的斷裂或染色體重排的分析。 測量基因組突變的分析是檢測染色體數量變化的分析，這種情況稱為非整倍性。 自 Herman Muller 於 1927 年開發出第一個檢測基因毒性（誘變）試劑的測定方法以來，遺傳毒性評估發生了很大變化。 從那時起，已經開發了 200 多種檢測 DNA 突變的方法； 然而，如今用於遺傳毒性評估的檢測方法不到十種。 本文回顧了這些測定，描述了它們測量的內容，並探討了這些測定在毒性評估中的作用。

開發前的癌症危害識別 遺傳毒理學領域

遺傳毒理學已成為整體風險評估過程中不可或缺的一部分，並且近年來作為致癌活動的可靠預測指標而聲名鵲起。 然而，在遺傳毒理學發展之前（1970 年之前），其他方法已經並且仍在用於識別對人類的潛在癌症危害。 目前用於識別人類癌症風險的方法主要有六大類：流行病學研究、長期體內生物測定、中期體內生物測定、短期體內和體外生物測定、人工智能（構效）、和基於機制的推理。

表 1 給出了這些方法的優點和缺點。

表 1. 當前識別人類癌症風險的方法的優缺點

遺傳毒理學分析的基本原理和概念基礎

儘管用於遺傳毒性評估的測定的確切類型和數量在不斷發展並且因國家/地區而異，但最常見的包括 (1) 細菌和/或培養的哺乳動物細胞中的基因突變和 (2) 染色體突變的測定在活小鼠體內培養的哺乳動物細胞和/或骨髓。 第二類中的一些分析也可以檢測非整倍性。 儘管這些檢測無法檢測生殖細胞中的突變，但之所以使用它們，主要是因為進行生殖細胞檢測的額外成本和復雜性。 儘管如此，當需要有關生殖細胞效應的信息時，還是會使用小鼠生殖細胞試驗。

超過 25 年期間（1970-1995）的系統研究，特別是在北卡羅來納州的美國國家毒理學計劃，已經導致使用離散數量的測定來檢測試劑的誘變活性。 評估測定有用性的基本原理是基於它們檢測在囓齒動物中引起癌症和懷疑在人類中引起癌症的物質（即致癌物）的能力。 這是因為過去幾十年的研究表明，癌細胞含有某些基因的突變，而且許多致癌物也是誘變劑。 因此，癌細胞被視為含有體細胞突變，致癌作用被視為一種體細胞突變。

之所以選擇當今最常用的遺傳毒性檢測方法，不僅是因為它們的數據庫龐大、成本相對較低且易於操作，而且還因為它們已被證明可以檢測許多囓齒動物和推測的人類致​​癌物。 因此，遺傳毒性測定可用於預測藥物的潛在致癌性。

遺傳毒理學領域的一個重要概念和實踐發展是認識到許多致癌物在體內被酶修飾，產生改變的形式（代謝物），這些形式通常是母體化學物質的最終致癌和致突變形式。 為了在培養皿中復制這種新陳代謝，Heinrich Malling 表明，從囓齒動物肝臟中提取的製劑中含有許多進行這種新陳代謝轉化或激活所必需的酶。 因此，許多在培養皿或試管（體外）中進行的遺傳毒性測定都採用添加類似的酶製劑。 簡單的製劑稱為 S9 混合物，純化的製劑稱為微粒體。 一些細菌和哺乳動物細胞現已經過基因工程改造，以包含一些來自囓齒動物或人類的產生這些酶的基因，從而減少了添加 S9 混合物或微粒體的需要。

遺傳毒理學分析和技術

用於遺傳毒性篩選的主要細菌系統是沙門氏菌 (Ames) 致突變性測定，在較小程度上，菌株 WP2 大腸埃希氏菌. 1980 年代中期的研究表明，僅使用沙門氏菌系統的兩種菌株（TA98 和 TA100）就足以檢測大約 90% 的已知沙門氏菌誘變劑。 因此，這兩種菌株用於大多數篩選目的； 然而，其他各種菌株可用於更廣泛的測試。

這些化驗以多種方式進行，但兩種通用程序是板摻入和液體懸浮液化驗。 在平板摻入測定中，將細胞、測試化學品和（如果需要）S9 一起添加到液化瓊脂中，然後倒在瓊脂培養皿的表面上。 頂部瓊脂在幾分鐘內變硬，培養板孵育兩到三天，之後突變細胞生長形成肉眼可檢測的細胞簇，稱為菌落，然後對其進行計數。 瓊脂培養基含有選擇劑或由只有新突變細胞才能生長的成分組成。 液體孵育試驗類似，只是將細胞、測試劑和 S9 在不含液化瓊脂的液體中一起孵育，然後將細胞從測試劑和 S9 中去除並接種到瓊脂上。

培養的哺乳動物細胞中的突變主要在以下兩個基因之一中檢測到： 高鐵 和 tk. 與細菌檢測類似，哺乳動物細胞系（從囓齒動物或人類細胞發育而來）在塑料培養皿或試管中暴露於測試劑，然後被接種到含有僅允許突變細胞生長的選擇劑的培養基的培養皿中. 用於此目的的檢測包括 CHO/HPRT、TK6 和小鼠淋巴瘤 L5178Y/TK^{+ / -} 化驗。 其他包含各種 DNA 修復突變以及一些參與新陳代謝的人類基因的細胞係也被使用。 這些系統允許恢復基因內的突變（基因突變）以及涉及基因側翼染色體區域的突變（染色體突變）。 然而，後一種類型的突變在更大程度上被 tk 基因係統比 高鐵 由於基因係統的位置 tk 基因。

類似於細菌致突變性的液體孵育測定，哺乳動物細胞致突變性測定通常涉及在存在測試劑和 S9 的情況下將細胞暴露在培養皿或試管中數小時。 然後清洗細胞，再培養幾天，讓正常（野生型）基因產物被降解，新的突變基因產物得以表達和積累，然後將它們接種到含有選擇劑的培養基中，該選擇劑允許只有突變細胞才能生長。 與細菌檢測一樣，突變細胞長成肉眼可檢測的菌落，然後進行計數。

染色體突變主要通過細胞遺傳學分析來識別，其中包括將培養皿中的囓齒動物和/或囓齒動物或人類細胞暴露於測試化學品，允許發生一個或多個細胞分裂，染色染色體，然後通過顯微鏡目視檢查染色體檢測染色體結構或數量的改變。 儘管可以檢查各種終點，但監管機構目前認為最有意義的兩個終點是染色體畸變和稱為微核的子類別。

需要大量的培訓和專業知識才能對細胞中是否存在染色體畸變進行評分，這使得該過程在時間和金錢方面都非常昂貴。 相比之下，微核幾乎不需要培訓，並且可以自動檢測。 微核在細胞內顯示為與包含染色體的細胞核不同的小點。 微核是由染色體斷裂或非整倍體引起的。 由於與染色體畸變相比，微核評分更容易，而且最近的研究表明，在活小鼠骨髓中誘導染色體畸變的藥物通常會在該組織中誘導微核，因此微核現在通常被測量為一種能力的指標。誘導染色體突變的試劑。

儘管與上述其他檢測相比，生殖細胞檢測的使用頻率要低得多，但它們對於確定一種藥物是否對生殖細胞構成風險是不可或缺的，其中的突變可能會對後代的健康產生影響。 最常用的生殖細胞檢測是在小鼠中進行的，涉及的系統檢測 (1) 染色體之間的可遺傳易位（交換）（可遺傳易位檢測），(2) 基因或涉及特定基因（可見或生化特定位點）的染色體突變化驗），和（3）影響生存能力的突變（顯性致死試驗）。 與體細胞分析一樣，生殖細胞分析的工作假設是這些分析中呈陽性的試劑被認為是潛在的人類生殖細胞誘變劑。

現狀與未來展望

最近的研究表明，只需要三條信息就可以檢測出一組 90 種囓齒動物致癌物（即，假定的人類致癌物和體細胞誘變劑）中的大約 41%。 這些包括 (1) 試劑的化學結構知識，特別是如果它包含親電子部分（參見結構-活性關係部分）； (2) 沙門氏菌致突變性資料； (3) 來自囓齒類動物（小鼠和大鼠）的 90 天慢性毒性試驗的數據。 事實上，基本上所有 IARC 宣布的人類致癌物都可以僅使用沙門氏菌試驗和小鼠骨髓微核試驗檢測為誘變劑。 大多數人類致癌物對大鼠和小鼠均具有致癌性（跨物種致癌物），並且大多數跨物種致癌物在沙門氏菌中具有致突變性和/或誘導微核，這一發現進一步支持使用這些致突變性試驗檢測潛在的人類致癌物在小鼠骨髓中。

隨著 DNA 技術的進步、人類基因組計劃以及對突變在癌症中作用的認識的加深，正在開發新的遺傳毒性測定法，這些測定法可能會納入標準篩選程序。 其中包括使用轉基因細胞和囓齒動物。 轉基因係統是將來自另一個物種的基因引入細胞或生物體的系統。 例如，轉基因小鼠現在處於實驗用途，允許檢測動物任何器官或組織的突變，基於將細菌基因引入小鼠。 現在可以獲得細菌細胞，如沙門氏菌和哺乳動物細胞（包括人類細胞系），它們含有參與致癌/誘變劑代謝的基因，如 P450 基因。 對轉基因囓齒類動物或天然基因（如 高鐵，或者現在可以執行沙門氏菌中的目標基因，以便確定由化學物質引起的突變的確切性質，從而提供對化學物質作用機制的深入了解，並允許與假定暴露於該物質的人類的突變進行比較.

細胞遺傳學的分子進步現在允許對染色體突變進行更詳細的評估。 這些包括使用附著（雜交）到特定基因的探針（小片段 DNA）。 染色體上基因的重排可以通過探針位置的改變來揭示，這些探針是熒光的，很容易被可視化為染色體上的彩色扇區。 用於 DNA 斷裂的單細胞凝膠電泳測定（通常稱為“彗星”測定）允許檢測單個細胞內的 DNA 斷裂，並可能成為與細胞遺傳學技術結合用於檢測染色體損傷的極其有用的工具。

經過多年的使用和系統開發的大型數據庫的生成，現在可以在短時間內（幾週）用相對較少的成本進行幾次檢測就可以完成遺傳毒性評估。 產生的數據可用於預測試劑成為囓齒動物的能力，並推測為人類致癌物/體細胞誘變劑。 這種能力可以限制誘變劑和致癌劑進入環境，並開發替代的非誘變劑。 未來的研究應該會產生比目前的檢測方法具有更高預測性的更好方法。

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字 生物標誌物 是 biological marker 的縮寫，該術語指的是發生在生物系統（例如人體）中的可測量事件。 然後，該事件被解釋為有機體或預期壽命的更一般狀態的反映或標記。 在職業健康中，生物標誌物通常被用作健康狀況或疾病風險的指標。

生物標誌物用於可能包括人類的體外和體內研究。 通常，確定了三種特定類型的生物標記。 儘管一些生物標誌物可能難以分類，但通常將它們分為暴露生物標誌物、效應生物標誌物或易感性生物標誌物（見表 1）。

表 1. 職業健康毒理學研究中使用的暴露生物標誌物或影響生物標誌物示例

給定可接受的有效性程度，生物標誌物可用於多種目的。 在個體基礎上，生物標誌物可用於支持或反駁特定類型的中毒或其他化學引起的不良反應的診斷。 在健康受試者中，生物標誌物還可以反映個體對特定化學物質暴露的過敏性，因此可以作為風險預測和諮詢的基礎。 在暴露的工人群體中，可以應用一些暴露生物標誌物來評估對污染減排法規的遵守程度或一般預防工作的有效性。

暴露的生物標誌物

暴露生物標誌物可以是體內的外源性化合物（或代謝物）、化合物（或代謝物）與內源性成分之間的相互作用產物，或與暴露相關的其他事件。 最常見的是，暴露於穩定化合物（例如金屬）的生物標誌物包括對適當樣品（例如血液、血清或尿液）中金屬濃度的測量。 對於揮發性化學品，可以評估它們在呼出氣中的濃度（吸入無污染空氣後）。 如果化合物在體內代謝，可選擇一種或多種代謝物作為暴露的生物標誌物； 代謝物通常在尿樣中測定。

現代分析方法可以分離有機化合物的異構體或同系物，以及確定金屬化合物的形態或某些元素的同位素比率。 複雜的分析可以確定因與反應性化學物質結合而引起的 DNA 或其他大分子結構的變化。 此類先進技術無疑將在生物標誌物研究中的應用中獲得相當大的重要性，並且較低的檢測限和更好的分析有效性可能會使這些生物標誌物更加有用。

暴露於致突變化學品的生物標誌物出現了特別有前途的發展。 這些化合物具有反應性，可與蛋白質或 DNA 等大分子形成加合物。 可在白細胞或組織活檢中檢測到 DNA 加合物，特定的 DNA 片段可從尿液中排出。 例如，暴露於環氧乙烷會導致與 DNA 鹼基發生反應，並且在切除受損鹼基後，N-7-(2-羥乙基)鳥嘌呤會從尿液中消失。 一些加合物可能不直接指特定的暴露。 例如，8-hydroxy-2'-deoxyguanosine 反映了 DNA 的氧化損傷，這種反應可能由幾種化合物觸發，其中大部分也會誘導脂質過氧化。

其他大分子也可能因加合物形成或氧化而發生變化。 特別令人感興趣的是，此類反應性化合物可能會產生血紅蛋白加合物，可將其確定為暴露於這些化合物的生物標誌物。 優點是可以從血液樣本中獲得大量的血紅蛋白，並且考慮到紅細胞的四個月壽命，與蛋白質氨基酸形成的加合物將表明在此期間的總暴露量。

加合物可通過高效脂質色譜等靈敏技術測定，也可使用一些免疫學方法。 一般來說，分析方法是新的、昂貴的，需要進一步開發和驗證。 更好的靈敏度可以通過使用獲得 ³²P 標記後測定，這是發生 DNA 損傷的非特異性指示。 所有這些技術都可能對生物監測有用，並已應用於越來越多的研究中。 然而，需要更簡單和更靈敏的分析方法。 鑑於某些方法在低水平暴​​露下的特異性有限，吸煙或其他因素可能會對測量結果產生重大影響，從而造成解釋困難。

暴露於致突變化合物，或暴露於代謝成誘變劑的化合物，也可以通過評估來自暴露個體的尿液的致突變性來確定。 尿液樣本與一株細菌一起孵育，其中特定點突變以易於測量的方式表達。 如果尿液樣本中存在致突變化學物質，那麼細菌的突變率就會增加。

必鬚根據暴露的時間變化和與不同隔間的關係來評估暴露生物標誌物。 因此，生物標誌物代表的時間範圍，即生物標誌物測量反映過去暴露和/或累積身體負荷的程度，必鬚根據毒代動力學數據確定，以便解釋結果。 特別是，應考慮生物標誌物指示在特定目標器官中保留的程度。 儘管血液樣本通常用於生物標誌物研究，但外周血通常不被視為隔室，儘管它充當隔室之間的傳輸介質。 血液中濃度反映不同器官水平的程度因不同化學物質而異，通常還取決於接觸時間的長短以及接觸後的時間。

有時，此類證據用於將生物標誌物分類為（總）吸收劑量指標或有效劑量指標（即已到達靶組織的量）。 例如，可以根據暴露後特定時間血液中溶劑的實際濃度數據來評估對特定溶劑的暴露。 該測量值將反映已被吸收到體內的溶劑量。 由於溶劑的蒸氣壓，一些被吸收的量將被呼出。 在血液中循環時，溶劑會與身體的各種成分相互作用，最終會被酶分解。 代謝過程的結果可以通過確定與穀胱甘肽結合產生的特定硫醇尿酸來評估。 硫醇尿酸的累積排泄可能比血藥濃度更好地反映有效劑量。

生命事件，例如繁殖和衰老，可能會影響化學物質的分佈。 懷孕會顯著影響化學物質在體內的分佈，許多化學物質可能會通過胎盤屏障，從而導致胎兒暴露。 哺乳可能會導致脂溶性化學物質的排泄，從而導致母親體內的保留減少以及嬰兒的吸收增加。 在體重減輕或骨質疏鬆症發展過程中，儲存的化學物質可能會被釋放，然後可能導致目標器官重新和長期的“內源性”暴露。 其他因素可能會影響化合物的個體吸收、代謝、保留和分佈，並且可以使用一些易感性生物標誌物（見下文）。

效應生物標誌物

影響標記可以是內源性成分，或功能能力的量度，或受暴露影響的身體或器官系統狀態或平衡的一些其他指標。 此類效應標記物通常是異常的臨床前指標。

這些生物標誌物可能是特異性的或非特異性的。 特定的生物標誌物是有用的，因為它們表明特定暴露的生物學效應，從而提供可用於預防目的的證據。 非特異性生物標誌物不指向影響的個別原因，但它們可能反映由於混合暴露引起的總體綜合影響。 因此，兩種類型的生物標誌物都可能在職業健康方面具有相當大的用途。

暴露生物標誌物和效應生物標誌物之間沒有明確的區別。 例如，可以說加合物的形成反映了一種影響而不是暴露。 然而，效應生物標誌物通常指示細胞、組織或全身功能的變化。 一些研究人員將總體變化作為影響的生物標誌物，例如暴露的實驗動物肝臟重量增加或兒童生長減慢。 出於職業健康的目的，效應生物標誌物應限於那些指示亞臨床或可逆生化變化的生物標誌物，例如酶的抑制。 最常用的效應生物標誌物可能是由某些殺蟲劑（即有機磷和氨基甲酸酯）引起的膽鹼酯酶抑制。 在大多數情況下，這種影響是完全可逆的，酶抑制反映了對這組特定殺蟲劑的總暴露。

一些暴露不會導致酶抑制，而是導致酶活性增加。 屬於 P450 家族的幾種酶就是這種情況（參見“毒性反應的遺傳決定因素”）。 它們可能是由暴露於某些溶劑和多環芳烴 (PAH) 引起的。 由於這些酶主要在難以獲得活組織檢查的組織中表達，因此在體內通過施用由該特定酶代謝的化合物間接測定酶活性，然後測量尿液或血漿中的分解產物。

其他接觸可能會誘導體內保護性蛋白質的合成。 最好的例子可能是金屬硫蛋白，它結合鎘並促進這種金屬的排泄； 鎘暴露是導致金屬硫蛋白基因表達增加的因素之一。 類似的保護性蛋白質可能存在，但尚未得到充分探索以被接受為生物標誌物。 在可能用作生物標誌物的候選者中，有所謂的應激蛋白，最初稱為熱休克蛋白。 這些蛋白質由一系列不同的生物體響應各種不利暴露而產生。

氧化損傷可以通過測定血清中丙二醛的濃度或乙烷的呼出量來評估。 同樣，尿液中小分子量蛋白質的排泄，如白蛋白，可作為早期腎損傷的生物標誌物。 臨床實踐中常規使用的幾個參數（例如，血清激素或酶水平）也可用作生物標誌物。 然而，這些參數中的許多參數可能不夠靈敏，無法檢測早期損傷。

另一組效應參數與遺傳毒性效應（染色體結構的變化）有關。 這種影響可以通過對經歷細胞分裂的白細胞進行顯微鏡檢查來檢測。 在顯微鏡下可以看到染色體的嚴重損傷——染色體畸變或微核形成。 也可以通過在細胞分裂過程中向細胞中添加染料來揭示損傷。 然後可以將暴露於基因毒劑可視化為每條染色體的兩個染色單體之間的染料交換增加（姐妹染色單體交換）。 染色體畸變與患癌症的風險增加有關，但姐妹染色單體交換率增加的意義尚不清楚。

更複雜的遺傳毒性評估是基於體細胞中的特定點突變，即從口腔粘膜獲得的白細胞或上皮細胞。 特定位點的突變可能使細胞能夠在含有其他有毒化學物質（例如 6-硫鳥嘌呤）的培養物中生長。 或者，可以評估特定基因產物（例如，由特定致癌基因編碼的致癌蛋白的血清或組織濃度）。 顯然，這些突變反映了發生的總遺傳毒性損害，並不一定表明任何有關致病暴露的信息。 這些方法尚未準備好實際用於職業健康，但這一研究領域的快速進展表明這些方法將在幾年內可用。

易感性生物標誌物

易感性標記，無論是遺傳的還是誘導的，都是個體對異生素的作用或一組此類化合物的作用特別敏感的指標。 大多數注意力都集中在遺傳易感性上，儘管其他因素可能至少同樣重要。 過敏可能是由於遺傳特徵、個體體質或環境因素造成的。

代謝某些化學物質的能力是可變的並且由基因決定（參見“毒性反應的遺傳決定因素”）。 幾種相關的酶似乎受單個基因控制。 例如，外來化學物質的氧化主要是由屬於 P450 家族的酶家族進行的。 其他酶通過結合使代謝物更易溶於水（例如，N-乙酰轉移酶和μ-穀胱甘肽-S-轉移酶）。 這些酶的活性受基因控制並且變化很大。 如上所述，可以通過給予小劑量藥物然後測定尿液中代謝物的量來測定活性。 現在已經對一些基因進行了表徵，並且可以使用技術來確定基因型。 重要研究表明，發生某些癌症形式的風險與代謝外來化合物的能力有關。 許多問題仍未得到解答，因此目前限制了這些潛在的易感性生物標誌物在職業健康中的使用。

其他遺傳特徵，例如 alpha₁-抗胰蛋白酶缺乏症或葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏症，也會導致體內防禦機制缺陷，從而導致對某些暴露的過敏反應。

大多數與易感性相關的研究都涉及遺傳易感性。 其他因素也發揮了作用，但部分被忽視了。 例如，患有慢性病的人可能對職業暴露更敏感。 此外，如果疾病過程或之前接觸有毒化學物質導致了一些亞臨床器官損傷，那麼承受新的有毒物質接觸的能力可能會降低。 在這種情況下，器官功能的生化指標可以用作易感性生物標誌物。 也許關於過敏的最好例子與過敏反應有關。 如果一個人對特定的接觸變得敏感，那麼可以在血清中檢測到特異性抗體。 即使個人沒有變得敏感，其他當前或過去的接觸也可能增加產生與職業接觸相關的不利影響的風險。

一個主要問題是確定工作中混合暴露的聯合效應。 此外，個人習慣和藥物使用可能導致易感性增加。 例如，煙草煙霧通常含有大量的鎘。 因此，由於職業接觸鎘，體內積累了大量這種金屬的重度吸煙者患上與鎘相關的腎臟疾病的風險會增加。

職業健康應用

生物標誌物在毒理學研究中非常有用，許多可能適用於生物監測。 儘管如此，也必須承認其局限性。 迄今為止，許多生物標誌物僅在實驗室動物中進行過研究。 其他物種的毒代動力學模式可能不一定反映人類的情況，外推可能需要對人類誌願者進行驗證性研究。 此外，必須考慮由於遺傳或體質因素導致的個體差異。

在某些情況下，暴露生物標誌物可能根本不可行（例如，對於在體內壽命短的化學品）。 其他化學物質可能儲存在或可能影響常規程序無法接觸到的器官，例如神經系統。 暴露途徑也可能影響分佈模式，因此也會影響生物標誌物的測量及其解釋。 例如，通過嗅覺神經直接暴露大腦很可能逃避暴露生物標誌物測量的檢測。 至於影響生物標誌物，其中許多根本不是特異性的，變化可能是由多種原因引起的，包括生活方式因素。 也許特別是對於易感性生物標誌物，目前解釋必須非常謹慎，因為個體基因型的整體健康意義仍然存在許多不確定性。

在職業健康領域，理想的生物標誌物應該滿足幾個要求。 首先，樣本採集和分析必須簡單可靠。 為獲得最佳分析質量，需要標準化，但具體要求差異很大。 主要關注領域包括：個體準備、採樣程序和样品處理以及測量程序； 後者包括技術因素，例如校準和質量保證程序，以及與個人相關的因素，例如操作員的教育和培訓。

對於分析有效性和可追溯性的文件，參考材料應基於相關基質，並含有適當濃度的有毒物質或適當水平的相關代謝物。 對於用於生物監測或診斷目的的生物標誌物，負責的實驗室必須有詳細記錄的分析程序和明確的性能特徵，以及可訪問的記錄以驗證結果。 儘管如此，與此同時，必須考慮表徵和使用參考材料來補充一般質量保證程序的經濟性。 因此，可實現的結果質量及其用途必須與質量保證的額外成本（包括參考材料、人力和儀器）相平衡。

另一個要求是生物標誌物應該是特定的，至少在研究的情況下，對於特定類型的暴露，與暴露程度有明確的關係。 否則，生物標誌物測量的結果可能很難解釋。 為了正確解釋暴露生物標誌物的測量結果，必須知道診斷有效性（即，將生物標誌物值轉化為可能的健康風險的大小）。 在這一領域，金屬作為生物標誌物研究的範例。 最近的研究證明了劑量反應關係的複雜性和微妙性，很難確定無影響水平，因此也很難確定可耐受的暴露量。 然而，這種研究也說明了發現相關信息所必需的調查類型和細化。 對於大多數有機化合物，暴露與相應的不良健康影響之間的定量關聯尚不可用； 在許多情況下，甚至連主要靶器官都不確定。 此外，毒性數據和生物標誌物濃度的評估通常因接觸物質混合物而變得複雜，而不是同時接觸單一化合物。

在將生物標誌物用於職業健康目的之前，需要考慮一些額外的因素。 首先，生物標誌物必須僅反映亞臨床和可逆變化。 其次，鑑於生物標誌物的結果可以解釋為健康風險，那麼預防措施應該是可用的，並且在生物標誌物數據表明需要減少暴露的情況下應該被認為是現實的。 第三，生物標誌物的實際使用必須被普遍認為是倫理上可接受的。

可以將工業衛生測量值與適用的暴露限值進行比較。 同樣，可以將暴露生物標誌物或效應生物標誌物的結果與生物作用限值（有時稱為生物暴露指數）進行比較。 此類限制應基於來自適當學科的臨床醫生和科學家的最佳建議，而作為“風險管理者”的負責任的管理者則應考慮相關的倫理、社會、文化和經濟因素。 如果可能，科學依據應包括劑量反應關係，並輔之以風險人群中易感性變化的信息。 在一些國家，工作人員和公眾成員參與標準制定過程並提供重要的投入，尤其是在科學不確定性很大的情況下。 主要的不確定性之一是如何定義應該預防的不良健康影響——例如，作為暴露生物標誌物的加合物形成本身是否代表應該預防的不良影響（即效應生物標誌物）。 在決定是否在倫理上站得住腳時，可能會出現一些難題，對於同一化合物，一方面對偶然暴露有不同的限制，另一方面對職業暴露有不同的限制。

通過使用生物標誌物產生的信息通常應傳達給在醫患關係中接受檢查的個人。 必須特別考慮與目前無法根據實際健康風險進行詳細解釋的高度實驗性生物標誌物分析相關的倫理問題。 例如，對於一般人群，目前對除血鉛濃度以外的暴露生物標誌物的解釋存在有限的指導。 同樣重要的是對生成的數據的信心（即是否進行了適當的採樣，以及是否在相關實驗室中使用了健全的質量保證程序）。 另一個特別令人擔憂的領域與個人過敏有關。 在提供研究反饋時必須考慮這些問題。

受生物標誌物研究影響或與開展生物標誌物研究有關的所有社會部門都需要參與有關如何處理研究產生的信息的決策過程。 應在該地區或國家的法律和社會框架內製定防止或克服不可避免的道德衝突的具體程序。 然而，每種情況都代表一組不同的問題和陷阱，並且無法開發出單一的公眾參與程序來涵蓋暴露生物標誌物的所有應用。

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化學品和其他試劑的毒性研究和表徵通常是在特定器官和器官系統的基礎上進行的。 在本章中，選擇了兩個目標進行深入討論：免疫系統和基因。 選擇這些示例來代表複雜的目標器官系統和細胞內的分子目標。 對於目標器官毒理學的更全面討論，讀者可以參考標準毒理學教科書，例如 Casarett 和 Doull，以及 Hayes。 國際化學品安全計劃 (IPCS) 還發布了若干關於器官系統目標器官毒理學的標准文件。

目標器官毒理學研究通常根據表明物質特定毒性作用的潛在信息進行，這些信息來自流行病學數據或一般急性或慢性毒性研究，或基於保護某些器官功能的特殊關注，例如作為生殖或胎兒發育。 在某些情況下，法定機構明確要求進行特定目標器官毒性試驗，例如根據美國農藥法進行的神經毒性試驗（參見“美國對生殖毒物和神經毒劑進行風險評估的方法”，以及根據日本化學品法進行的致突變性試驗物質控制法（參見“危害識別原則：日本方法”）。

正如“靶器官和關鍵效應”中所討論的，關鍵器官的識別是基於對首先產生不良反應或對最低劑量或暴露有不良反應的器官或器官系統的檢測。 然後，此信息用於設計特定的毒理學研究或更明確的毒性測試，這些測試旨在引發目標器官中更敏感的中毒跡象。 靶器官毒理學研究也可用於確定作用機制，用於風險評估（參見“美國對生殖毒物和神經毒劑進行風險評估的方法”）。

靶器官毒性研究方法

可以通過暴露完整的生物體並詳細分析目標器官的功能和組織病理學，或通過體外暴露細胞、組織切片或短期或長期培養的整個器官來研究目標器官（參見“Mechanisms of毒理學：簡介和概念”）。 在某些情況下，人類受試者的組織也可用於靶器官毒性研究，這些可能提供驗證跨物種外推假設的機會。 但是，必須記住，此類研究不提供有關毒代動力學的相關信息。

一般而言，靶器官毒性研究具有以下共同特徵： 對靶器官進行詳細的組織病理學檢查，包括屍檢、組織重量和固定組織檢查； 目標器官中關鍵通路的生化研究，例如重要的酶系統； 器官和細胞成分執行預期代謝和其他功能的能力的功能研究； 目標器官細胞暴露和早期影響的生物標誌物分析。

目標器官生理學、生物化學和分子生物學的詳細知識可以納入目標器官研究。 例如，由於小分子量蛋白質的合成和分泌是腎功能的一個重要方面，腎毒性研究通常包括對這些參數的特別關注（IPCS 1991）。 因為細胞間通訊是神經系統功能的一個基本過程，神經毒性的靶器官研究可能包括神經遞質合成、攝取、儲存、釋放和受體結合的詳細神經化學和生物物理測量，以及膜變化的電生理測量與這些事件相關的潛力。

高度重視靶器官毒性的體外方法的開發，以替代或減少對整隻動物的使用。 這些方法在處理生殖毒物方面取得了實質性進展（Heindel 和 Chapin，1993 年）。

總之，靶器官毒性研究通常作為確定毒性的高級試驗進行。 進一步評估的具體目標器官的選擇取決於篩選水平測試的結果，例如經合組織和歐盟使用的急性或亞慢性測試； 出於對防止某些類型的不利健康影響的考慮，一些目標器官和器官系統可能是特別調查的先驗候選對象。

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免疫系統的功能是保護身體免受感染因子的侵襲，並對產生的腫瘤細胞進行免疫監視。 它有一個非特異性的第一道防線，它本身可以啟動效應反應，還有一個獲得性特異性分支，其中淋巴細胞和抗體攜帶特異性識別和隨後對抗原的反應性。

免疫毒理學被定義為“研究由於異生素與免疫系統的相互作用而可能導致不良影響的事件的學科。 這些不良事件可能是由於 (1) 異生素（和/或其生物轉化產物）對免疫系統的直接和/或間接影響，或 (2) 基於免疫學的宿主對化合物的反應和/或它的代謝物，或被化合物或其代謝物修飾的宿主抗原”（Berlin et al. 1987）。

當免疫系統充當化學損傷的被動目標時，結果可能會降低對感染和某些形式的腫瘤形成的抵抗力，或者會加劇過敏或自身免疫的免疫失調/刺激。 在免疫系統對化合物修飾的外源性抗原或宿主抗原的抗原特異性作出反應的情況下，毒性可能表現為過敏或自身免疫性疾病。

研究化學誘導的免疫抑制的動物模型已經開發出來，其中一些方法已經過驗證（Burleson、Munson 和 Dean 1995 年；IPCS 1996 年）。 出於測試目的，採用分層方法從大量可用的檢測中做出充分的選擇。 一般來說，第一層的目標是識別潛在的免疫毒物。 如果識別出潛在的免疫毒性，則進行第二層測試以進一步確認和表徵觀察到的變化。 第三層調查包括對化合物作用機制的專門研究。 在對實驗室動物進行的此類研究中，幾種異生素已被確定為免疫毒物，可引起免疫抑制。

關於環境化學品對人類免疫功能干擾的數據庫是有限的（Descotes 1986 年；NRC 免疫毒理學小組委員會 1992 年）。 在研究這些化學物質對人類健康的影響的臨床和流行病學研究中，免疫毒性標記物的使用很少受到關注。 此類研究並未經常進行，並且由於例如暴露的不受控制的性質，它們的解釋通常不允許得出明確的結論。 因此，目前，囓齒類動物的免疫毒性評估，以及隨後對人類的外推，構成了有關危害和風險的決策基礎。

超敏反應，尤其是過敏性哮喘和接觸性皮炎，是工業化國家的重要職業健康問題（Vos、Younes 和 Smith，1995 年）。 接觸致敏現象首先在豚鼠身上進行了研究（Andersen 和 Maibach 1985）。 直到最近，這一直是預測測試的首選物種。 有許多豚鼠試驗方法可用，最常用的是豚鼠最大化試驗和 Buehler 的封閉斑貼試驗。 豚鼠試驗和在小鼠身上開發的新方法，如耳腫脹試驗和局部淋巴結試驗，為毒理學家提供了評估皮膚致敏危害的工具。 關於呼吸道致敏的情況非常不同。 儘管在豚鼠和小鼠身上研究化學呼吸道過敏的動物模型開發取得了進展，但目前還沒有經過充分驗證或廣泛接受的方法來鑑定化學呼吸道過敏原。

人類數據表明，化學試劑，尤其是藥物，會導致自身免疫性疾病（Kammüller、Bloksma 和 Seinen 1989）。 有許多人類自身免疫性疾病的實驗動物模型。 這包括自發性病理學（例如新西蘭黑小鼠的系統性紅斑狼瘡）和通過用交叉反應性自身抗原進行實驗免疫誘導的自身免疫現象（例如 Lewis 品系大鼠中的 H37Ra 佐劑誘導的關節炎）。 這些模型應用於免疫抑製藥物的臨床前評價。 很少有研究涉及這些模型在評估外源性物質是否會加劇誘導性或先天性自身免疫的潛力。 實際上缺乏適合研究化學品誘發自身免疫性疾病能力的動物模型。 一種在一定程度上使用的模型是小鼠膕窩淋巴結檢測。 與人類的情況一樣，遺傳因素在實驗室動物自身免疫性疾病 (AD) 的發展中起著至關重要的作用，這將限制此類測試的預測價值。

免疫系統

免疫系統的主要功能是防禦細菌、病毒、寄生蟲、真菌和腫瘤細胞。 這是通過各種細胞類型及其可溶性介質在微調音樂會中的作用來實現的。 宿主防禦可大致分為非特異性或先天性抵抗和由淋巴細胞介導的特異性或獲得性免疫（Roitt、Brostoff 和 Male 1989）。

免疫系統的成分遍布全身（Jones 等人，1990 年）。 淋巴細胞區室位於淋巴器官內（圖 1）。 骨髓和胸腺被歸類為初級或中樞淋巴器官； 次級或外周淋巴器官包括淋巴結、脾臟和分泌表面的淋巴組織，如胃腸道和呼吸道，即所謂的粘膜相關淋巴組織 (MALT)。 人體大約一半的淋巴細胞在任何時候都位於 MALT 中。 此外，皮膚是誘導對存在於皮膚上的抗原的免疫反應的重要器官。 在此過程中重要的是具有抗原呈遞功能的表皮朗格漢斯細胞。

圖 1. 初級和次級淋巴器官和組織

單核細胞/巨噬細胞譜系的吞噬細胞，稱為單核吞噬細胞系統 (MPS)，存在於淋巴器官和結外部位； 結外吞噬細胞包括肝臟中的枯否細胞、肺中的肺泡巨噬細胞、腎臟中的系膜巨噬細胞和腦中的神經膠質細胞。 多形核白細胞 (PMN) 主要存在於血液和骨髓中，但會積聚在炎症部位。

非特異性防禦

抵禦微生物的第一道防線是物理和化學屏障，例如皮膚、呼吸道和消化道。 這種屏障得到非特異性保護機制的幫助，包括吞噬細胞，例如能夠殺死病原體的巨噬細胞和多形核白細胞，以及能夠裂解腫瘤細胞和病毒感染細胞的自然殺傷細胞。 補體系統和某些微生物抑製劑（如溶菌酶）也參與非特異性反應。

特異性免疫

宿主與病原體初次接觸後，會引發特異性免疫反應。 第二道防線的標誌是 B 淋巴細胞和 T 淋巴細胞表面的受體對病原體的決定簇（所謂的抗原或表位）進行特異性識別。 在與特定抗原相互作用後，攜帶受體的細胞被刺激進行增殖和分化，產生對引發抗原具有特異性的後代細胞克隆。 特異性免疫反應通過刺激非特異性反應的功效來幫助對病原體進行非特異性防禦。 特異性免疫的一個基本特徵是記憶的發展。 與相同抗原的二次接觸會引發更快、更強烈但調節良好的反應。

基因組沒有能力攜帶足以識別可能遇到的抗原數量的抗原受體陣列的代碼。 特異性庫通過基因重排的過程而發展。 這是一個隨機的過程，在這個過程中會產生各種特殊性。 這包括自我組件的特殊性，這是不希望的。 在胸腺（T 細胞）或骨髓（B 細胞）中發生的選擇過程會刪除這些不需要的特異性。

正常的免疫效應子功能和免疫反應的穩態調節取決於多種可溶性產物，統稱為細胞因子，由淋巴細胞和其他細胞類型合成和分泌。 細胞因子對免疫和炎症反應具有多效性。 免疫反應需要不同細胞群之間的合作——抗體反應的調節、免疫細胞和分子在炎症部位的積累、急性期反應的啟動、巨噬細胞細胞毒性功能的控制以及許多其他對宿主抵抗至關重要的過程. 這些受到單獨或協同作用的細胞因子的影響，並且在許多情況下依賴於這些細胞因子。

識別特異性免疫的兩個分支——體液免疫和細胞介導或細胞免疫：

體液免疫. 在體液臂中，B 淋巴細胞在細胞表面受體識別抗原後受到刺激。 B 淋巴細胞上的抗原受體是免疫球蛋白 (Ig)。 成熟的 B 細胞（漿細胞）開始產生抗原特異性免疫球蛋白，這些免疫球蛋白在血清或粘膜表面充當抗體。 免疫球蛋白主要有五類：（1）IgM，具有最佳凝集能力的五聚體Ig，在抗原刺激後首先產生； (2) IgG，循環中的主要Ig，可通過胎盤； (3) IgA，用於保護粘膜表面的分泌型Ig； (4) IgE，固定在參與速髮型超敏反應的肥大細胞或嗜鹼性粒細胞的 Ig 和 (5) IgD，其主要功能是作為 B 淋巴細胞上的受體。

細胞免疫. 特定免疫系統的細胞臂由 T 淋巴細胞介導。 這些細胞的膜上也有抗原受體。 如果抗原呈遞細胞在組織相容性抗原的背景下呈遞，它們就會識別抗原。 因此，這些細胞除了抗原特異性外還有限制。 T 細胞作為各種（包括體液）免疫反應的輔助細胞，介導炎症細胞的募集，並且可以作為細胞毒性 T 細胞，在抗原特異性識別後殺死靶細胞。

免疫毒性機制

免疫抑制

有效的宿主抵抗力取決於免疫系統的功能完整性，這反過來又要求協調免疫反應的組成細胞和分子有足夠的數量和可操作的形式。 人類先天性免疫缺陷通常以某些幹細胞系缺陷為特徵，導致免疫細胞生成受損或缺失。 與先天性和後天性人類免疫缺陷病類比，化學誘導的免疫抑制可能僅由功能細胞數量減少引起（國際化學品安全方案，1996 年）。 淋巴細胞的缺失或數量減少可能或多或少對免疫狀態產生深遠影響。 一些免疫缺陷狀態和嚴重的免疫抑制，如可能發生在移植或細胞抑制治療中，特別與機會性感染和某些腫瘤疾病的發病率增加有關。 感染可以是細菌、病毒、真菌或原生動物，主要的感染類型取決於相關的免疫缺陷。 暴露於免疫抑制環境化學物質可能會導致更微妙的免疫抑制形式，這可能難以檢測。 例如，這些可能導致流感或普通感冒等感染的發生率增加。

鑑於免疫系統的複雜性，種類繁多的細胞、介質和功能形成了一個複雜且相互作用的網絡，免疫毒性化合物有無數機會發揮作用。 雖然許多免疫毒性化學物質引起的初始損傷的性質尚未闡明，但有關導致免疫功能抑制的免疫生物學變化的可用信息越來越多，主要來自實驗室動物研究（Dean 等人，1994 年） . 毒性作用可能發生在以下關鍵功能上（並且給出了一些影響這些功能的免疫毒性化合物的例子）：

•  不同幹細胞群的發育和擴增（苯在幹細胞水平發揮免疫毒性作用，導致淋巴細胞減少）
•  各種淋巴細胞和骨髓細胞以及這些細胞在其中成熟和發揮作用的支持組織的增殖（免疫毒性有機錫化合物通過直接細胞毒性抑制胸腺皮質中淋巴細胞的增殖活性；2,3,7,8-四氯的胸腺毒性作用-二苯並二噁英 (TCDD) 和相關化合物可能是由於胸腺上皮細胞的功能受損，而不是對胸腺細胞的直接毒性）
•  巨噬細胞和其他抗原呈遞細胞對抗原的攝取、加工和呈遞（7,12-二甲基苯並（a）蒽 (DMBA) 和鉛的目標之一是巨噬細胞的抗原呈遞；紫外線輻射的目標是抗原-呈現朗格漢斯細胞）
•  T 輔助細胞和 T 抑制細胞的調節功能（有機錫、涕滅威、多氯聯苯 (PCB)、TCDD 和 DMBA 會損害 T 輔助細胞功能；低劑量環磷酰胺治療會降低 T 抑制細胞功能）
•  各種細胞因子或白細胞介素的產生（苯並 (a) 芘 (BP) 抑制白細胞介素 1 的產生；紫外線輻射改變角質形成細胞細胞因子的產生）
•  多氯聯苯和氧化三丁基錫 (TBT) 處理後，各類免疫球蛋白 IgM 和 IgG 的合成受到抑制，而暴露於六氯苯 (HCB) 後則增加）。
•  補體調節和激活（受 TCDD 影響）
•  細胞毒性 T 細胞功能（3-甲基膽蒽 (3-MC)、DMBA 和 TCDD 抑制細胞毒性 T 細胞活性）
•  自然殺傷 (NK) 細胞功能（肺部 NK 活性受臭氧抑制；脾臟 NK 活性受鎳影響）
•  巨噬細胞和多形核白細胞的趨化性和細胞毒性功能（臭氧和二氧化氮會損害肺泡巨噬細胞的吞噬活性）。

過敏

過敏 可定義為由特定免疫反應的誘導和引發引起的不良健康影響。 當超敏反應在沒有免疫系統參與的情況下發生時，術語 假性過敏 用來。 在免疫毒理學的背景下，過敏是由對感興趣的化學品和藥物的特定免疫反應引起的。 化學物質使個體致敏的能力通常與其與身體蛋白質共價結合的能力有關。 過敏反應可能有多種形式，這些形式在潛在的免疫機制和反應速度方面各不相同。 四種主要類型的變態反應已被確認： I 型超敏反應，由 IgE 抗體引起，並且在接觸致敏個體後數分鐘內出現症狀。 II 型超敏反應是由抗體對宿主細胞的損傷或破壞引起的。 在這種情況下，症狀會在數小時內變得明顯。 III 型超敏反應或 Arthus 反應也是抗體介導的，但針對可溶性抗原，由免疫複合物的局部或全身作用引起。 IV 型或遲髮型超敏反應受 T 淋巴細胞影響，通常症狀會在致敏個體接觸後 24 至 48 小時出現。

與職業健康最相關的兩種化學過敏是接觸敏感性或皮膚過敏和呼吸道過敏。

接觸超敏反應. 大量化學物質能夠引起皮膚過敏。 在易感個體局部接觸化學過敏原後，在引流淋巴結中誘導 T 淋巴細胞反應。 在皮膚中，過敏原直接或間接與表皮朗格漢斯細胞相互作用，後者將化學物質輸送到淋巴結，並將其以免疫原性形式呈遞給反應性 T 淋巴細胞。 過敏原激活的 T 淋巴細胞增殖，導致克隆擴增。 個人現在已經變得敏感，並且會對第二次皮膚接觸相同的化學物質產生更積極的免疫反應，從而導致過敏性接觸性皮炎。 以過敏性接觸性皮炎為特徵的皮膚炎症反應繼發於特定 T 淋巴細胞對皮膚中過敏原的識別。 這些淋巴細胞被激活，釋放細胞因子並引起其他單核白細胞的局部積聚。 過敏個體在暴露後約 24 至 48 小時出現症狀，因此過敏性接觸性皮炎代表一種遲髮型超敏反應。 過敏性接觸性皮炎的常見原因包括有機化學品（如 2,4-二硝基氯苯）、金屬（如鎳和鉻）和植物產品（如毒藤中的漆酚）。

呼吸過敏. 呼吸超敏反應通常被認為是 I 型超敏反應。 然而，晚期反應和與哮喘相關的更慢性症狀可能涉及細胞介導的（IV 型）免疫過程。 與呼吸道變態反應相關的急性症狀受 IgE 抗體的影響，IgE 抗體的產生是在易感個體暴露於誘導性化學變應原後引起的。 IgE 抗體全身分佈並通過膜受體結合到血管化組織（包括呼吸道）中的肥大細胞。 吸入相同的化學物質後會引起呼吸超敏反應。 過敏原與蛋白質結合，並與結合肥大細胞的 IgE 抗體結合併交聯。 這反過來會導致肥大細胞脫顆粒和炎症介質（如組胺和白三烯）的釋放。 此類介質引起支氣管收縮和血管擴張，導致呼吸道過敏症狀； 哮喘和/或鼻炎。 已知會引起人類呼吸過敏的化學物質包括酸酐（如偏苯三酸酐）、一些二異氰酸酯（如甲苯二異氰酸酯）、鉑鹽和一些活性染料。 此外，已知長期接觸鈹會導致過敏性肺病。

自身免疫

自身免疫 可以定義為針對內源性“自身”抗原的特定免疫反應的刺激。 誘導性自身免疫可由調節性 T 淋巴細胞平衡的改變或由異生素與正常組織成分的結合引起，例如使它們具有免疫原性（“改變的自我”）。 已知會在易感個體中偶然誘發或加劇自身免疫性疾病 (AD) 等影響的藥物和化學品是低分子量化合物（分子量 100 至 500），通常認為它們本身不具有免疫原性。 化學暴露導致 AD 的機制大多是未知的。 疾病可以通過循環抗體直接產生，通過免疫複合物的形成間接產生，或作為細胞介導免疫的結果，但很可能通過多種機制的組合發生。 發病機制在藥物引起的免疫性溶血病症中最為人所知：

•  該藥物可以附著在紅細胞膜上並與藥物特異性抗體相互作用。
•  該藥物可以改變紅細胞膜，使免疫系統將細胞視為外來細胞。
•  該藥物及其特異性抗體形成免疫複合物，粘附在紅細胞膜上產生損傷。
•  紅細胞致敏是由於紅細胞自身抗體的產生而發生的。

已發現多種化學品和藥物，尤其是後者，可誘導自身免疫樣反應（Kamüller、Bloksma 和 Seinen 1989）。 職業接觸化學品可能會偶然導致 AD 樣綜合症。 接觸單體氯乙烯、三氯乙烯、全氯乙烯、環氧樹脂和二氧化矽粉塵可能會誘發硬皮病樣綜合症。 在接觸肼後，描述了一種類似於系統性紅斑狼瘡 (SLE) 的綜合徵。 接觸甲苯二異氰酸酯與血小板減少性紫癜的誘發有關。 某些免疫複合物腎小球腎炎病例與汞等重金屬有關。

人力風險評估

人體免疫狀態的評估主要使用外周血來分析免疫球蛋白和補體等體液物質，以及血液白細胞的亞群組成和功能。 這些方法通常與用於研究疑似先天性免疫缺陷病患者的體液免疫和細胞免疫以及非特異性耐藥性的方法相同。 對於流行病學研究（例如，職業暴露人群），應根據其在人群中的預測價值、經過驗證的動物模型和標記物的基礎生物學來選擇參數（見表 1）。 在（意外）接觸環境污染物或其他有毒物質後篩查免疫毒性作用的策略在很大程度上取決於情況，例如預期的免疫缺陷類型、接觸和免疫狀態評估之間的時間、接觸程度和接觸個體的數量。 評估人類特定異種生物的免疫毒性風險的過程極其困難，而且通常是不可能的，這主要是由於存在影響個體對毒性損傷反應的內源性或外源性各種混雜因素。 對於調查化學暴露在自身免疫性疾病中的作用的研究尤其如此，在這些疾病中，遺傳因素起著至關重要的作用。

表 1. 免疫標誌物檢測分類

由於很少有足夠的人類數據，因此在大多數情況下，對人類化學誘導的免疫抑制風險的評估是基於動物研究。 潛在的免疫毒性異生素的鑑定主要是在囓齒動物的對照研究中進行的。 在這方面，體內暴露研究提出了估計化合物免疫毒性潛力的最佳方法。 這是由於免疫系統和免疫反應的多因素和復雜性質。 體外研究在闡明免疫毒性機制方面具有越來越大的價值。 此外，通過使用動物和人類來源的細胞研究化合物的作用，可以生成用於物種比較的數據，這些數據可用於“平行四邊形”方法以改進風險評估過程。 如果平行四邊形的三個基石（體內動物、體外動物和人類）的數據可用，則可能更容易預測剩餘基石的結果，即人類的風險。

當化學誘導的免疫抑制風險評估必須完全依賴動物研究的數據時，可以通過將不確定因素應用於未觀察到的不良反應水平（NOAEL）來推斷人類的方法。 該水平可以基於相關模型中確定的參數，例如宿主抗性測定和超敏反應和抗體產生的體內評估。 理想情況下，這種方法與風險評估的相關性需要通過人體研究來確認。 此類研究應結合毒物的鑑定和測量、流行病學數據和免疫狀態評估。

為了預測接觸性超敏反應，可以使用豚鼠模型，並且自 1970 年代以來一直用於風險評估。 儘管敏感且可重複，但這些測試有局限性，因為它們依賴於主觀評估； 這可以通過在鼠標中開發的更新和更定量的方法來克服。 關於吸入或攝入過敏原引起的化學過敏，應根據其在人體中的預測價值開發和評估測試。 在設定潛在過敏原的安全職業暴露水平時，必須考慮過敏的雙相性質：致敏階段和誘發階段。 在先前致敏的個體中引起過敏反應所需的濃度遠低於在未免疫但易感的個體中引起致敏所需的濃度。

由於幾乎缺乏預測化學誘導的自身免疫的動物模型，因此應重點開發此類模型。 為了開發此類模型，我們應該提高對化學誘導的人類自身免疫的了解，包括研究遺傳和免疫系統標記以識別易感個體。 暴露於誘導自身免疫的藥物的人類提供了這樣的機會。

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根據定義，遺傳毒理學是研究化學或物理因素如何影響複雜的遺傳過程。 基因毒性化學品被定義為能夠改變活細胞遺傳物質的化合物。 特定化學物質造成遺傳損害的可能性不可避免地取決於幾個變量，包括生物體接觸化學物質的水平、化學物質一旦進入體內後的分佈和保留、代謝激活和/或解毒系統的效率靶組織，以及化學物質或其代謝物與細胞內關鍵大分子的反應性。 遺傳損傷導致疾病的可能性最終取決於損傷的性質、細胞修復或放大遺傳損傷的能力、表達任何已誘導改變的機會，以及身體識別和抑制基因增殖的能力。異常細胞。

在高等生物中，遺傳信息組織在染色體中。 染色體由緊密濃縮的蛋白質相關 DNA 鏈組成。 在單個染色體中，每個 DNA 分子都以一對長的、無支鏈的核苷酸亞基鏈的形式存在，這些核苷酸亞基通過磷酸二酯鍵連接在一起，磷酸二酯鍵將一個脫氧核糖部分的第 5 個碳原子連接到下一個脫氧核糖部分的第 3 個碳原子（圖 1）。 此外，四種不同核苷酸鹼基（腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤或胸腺嘧啶）中的一種與每個脫氧核糖亞基相連，就像串珠一樣。 在三維空間中，每對 DNA 鏈形成一個雙螺旋結構，所有鹼基都朝向螺旋內部。 在螺旋內，每個鹼基都與其在相反 DNA 鏈上的互補鹼基相關聯； 氫鍵決定了腺嘌呤與胸腺嘧啶和鳥嘌呤與胞嘧啶的強非共價配對（圖 1）。 由於核苷酸鹼基序列在雙鏈 DNA 分子的整個長度上是互補的，因此兩條鏈攜帶基本相同的遺傳信息。 事實上，在 DNA 複製過程中，每條鏈都充當生成新夥伴鏈的模板。

圖 1. 人類遺傳信息的 (a) 初級、(b) 二級和 (c) 三級組織

使用 RNA 和一系列不同的蛋白質，細胞最終破譯由 DNA（基因）特定區域內鹼基線性序列編碼的信息，並產生對基本細胞存活以及正常生長和分化至關重要的蛋白質。 從本質上講，核苷酸的功能就像一個生物字母表，用於編碼氨基酸，蛋白質的組成部分。

當插入不正確的核苷酸或丟失核苷酸，或在 DNA 合成過程中添加不必要的核苷酸時，這種錯誤稱為突變。 據估計，每 10 人中發生的突變不到一個⁹ 細胞正常複製過程中摻入的核苷酸。 雖然突變不一定有害，但導致重要基因失活或過度表達的改變可導致多種疾病，包括癌症、遺傳性疾病、發育異常、不孕症以及胚胎或圍產期死亡。 在極少數情況下，突變可以提高生存率； 這種情況是自然選擇的基礎。

雖然一些化學物質直接與 DNA 反應，但大多數需要代謝活化。 在後一種情況下，環氧化物或碳正離子等親電子中間體最終會導致遺傳物質中各種親核位點發生損傷（圖 2）。 在其他情況下，基因毒性是由化合物與細胞內脂質、蛋白質或氧氣相互作用的副產物介導的。

圖 2. 生物活化：a) 苯並 (a) 芘； b) N-亞硝基二甲胺

由於它們在細胞中的相對豐度，蛋白質是毒物相互作用的最常見目標。 然而，由於該分子在調節多代細胞的生長和分化中的核心作用，DNA 的修飾更受關注。

在分子水平上，親電子化合物傾向於攻擊 DNA 中的氧和氮。 最容易發生修飾的位點如圖 3 所示。儘管 DNA 主鏈磷酸基團中的氧也是化學修飾的目標，但鹼基損傷被認為在生物學上更相關，因為這些基團被認為是主要的信息來源DNA 分子中的元素。

圖 3. 化學誘導的 DNA 損傷的主要部位

含有一個親電部分的化合物通常通過在 DNA 中產生單加合物來發揮遺傳毒性。 同樣，包含兩個或多個反應性部分的化合物可以與兩個不同的親核中心反應，從而在遺傳物質中產生分子內或分子間交聯（圖 4）。 鏈間 DNA-DNA 和 DNA-蛋白質交聯可能特別具有細胞毒性，因為它們可以形成 DNA 複製的完整塊。 出於顯而易見的原因，細胞的死亡消除了它發生突變或腫瘤轉化的可能性。 基因毒劑還可以通過誘導磷酸二酯主鏈斷裂或 DNA 中鹼基和糖（產生無鹼基位點）之間的斷裂而發揮作用。 這種斷裂可能是損傷部位化學反應的直接結果，或者可能發生在上述 DNA 損傷類型之一的修復過程中。

圖 4. 蛋白質-DNA 複合物的各種損傷類型

在過去的三十到四十年裡，已經開發出多種技術來監測由各種化學品引起的遺傳損傷類型。 此類檢測在本章其他地方有詳細描述， 百科全書.

諸如單加合物、脫鹼基位點或單鏈斷裂等“微損傷”的錯誤複製可能最終導致核苷酸鹼基對替換，或染色體 DNA 中短多核苷酸片段的插入或缺失。 相反，“大損傷”，如大體積加合物、交聯或雙鏈斷裂，可能會引發相對較大的染色體片段的增加、丟失或重排。 在任何情況下，後果都可能對生物體造成毀滅性影響，因為這些事件中的任何一個都可能導致細胞死亡、功能喪失或細胞惡性轉化。 DNA 損傷究竟如何導致癌症在很大程度上是未知的。 目前認為該過程可能涉及原癌基因的不當激活，例如 我的C 和 RAS，和/或最近發現的腫瘤抑制基因如 p53 的失活。 任何一種基因的異常表達都會破壞控制細胞增殖和/或分化的正常細胞機制。

大量實驗證據表明，接觸親電子化合物後發生癌症是一種相對罕見的事件。 這可以部分解釋為細胞具有識別和修復受損 DNA 的內在能力，或者 DNA 受損的細胞無法存活。 在修復過程中，損壞的鹼基、核苷酸或損壞部位周圍的短核苷酸鏈被移除，並且（使用相反的鏈作為模板）合成一段新的 DNA 並將其剪接到位。 為了有效，DNA 修復必須在細胞分裂之前非常準確地發生，在突變傳播的機會之前。

臨床研究表明，在修復受損 DNA 的能力方面存在遺傳性缺陷的人經常會在幼年時患上癌症和/或發育異常（表 1）。 這些例子提供了將 DNA 損傷的積累與人類疾病聯繫起來的有力證據。 同樣，促進細胞增殖的藥物（如乙酸十四烷酰佛波醇）通常會增強致癌作用。 對於這些化合物，腫瘤轉化的可能性增加可能是細胞進行充分 DNA 修復的可用時間減少的直接結果。

表 1. 似乎涉及 DNA 修復缺陷的遺傳性、易患癌症的疾病

關於化學物質如何與 DNA 相互作用的最早理論可以追溯到開髮用於戰爭的芥子氣期間進行的研究。 進一步的理解源於對抗癌劑的努力，這些抗癌劑可以選擇性地阻止快速分裂的腫瘤細胞的複制。 公眾對我們環境中危害的日益關注促使人們進一步研究化學與遺傳物質相互作用的機制和後果。 表 2 列出了具有遺傳毒性的各類化學品的示例。

表 2. 在人體細胞中表現出遺傳毒性的化學品示例

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幾乎所有的醫學都致力於預防細胞死亡，如心肌梗塞、中風、外傷和休克等疾病，或引起細胞死亡，如傳染病和癌症。 因此，必須了解所涉及的性質和機制。 細胞死亡被歸類為“意外”，即由有毒物質、局部缺血等引起，或“程序性”，發生在胚胎髮育過程中，包括手指的形成和蝌蚪尾巴的吸收。

因此，細胞損傷和細胞死亡在生理學和病理生理學中都很重要。 生理細胞死亡在胚胎髮生和胚胎髮育過程中極為重要。 對發育過程中細胞死亡的研究導致了有關分子遺傳學的重要和新信息，特別是通過對無脊椎動物發育的研究。 在這些動物中，已經仔細研究了注定要經歷細胞死亡的細胞的精確位置和重要性，並且通過使用經典的誘變技術，現在已經確定了幾個相關基因。 在成人器官中，細胞死亡和細胞增殖之間的平衡控制著器官的大小。 在一些器官中，例如皮膚和腸道，細胞不斷更新。 例如，在皮膚中，細胞在到達表面時會分化，並最終隨著角質化的進行以及交聯包膜的形成而經歷終末分化和細胞死亡。

許多類別的有毒化學品都能夠誘導急性細胞損傷，然後導致死亡。 這些包括缺氧和局部缺血及其化學類似物，例如氰化鉀； 化學致癌物，形成與核酸中蛋白質共價結合的親電體； 氧化劑化學品，導致自由基形成和氧化損傷； 激活補體； 和多種鈣離子載體。 細胞死亡也是化學致癌作用的重要組成部分； 許多完全的化學致癌物在致癌劑量下會產生急性壞死和炎症，然後是再生和癌前病變。

定義

細胞損傷

細胞損傷被定義為擾亂細胞正常穩態的事件或刺激，例如有毒化學物質，從而導致許多事件的發生（圖 1）。 所示致死性損傷的主要目標是 ATP 合成的抑制、質膜完整性的破壞或必需生長因子的撤回。

圖 1. 細胞損傷

致命傷害會導致細胞在一段不同的時間後死亡，這取決於溫度、細胞類型和刺激； 或者它們可能是亞致死性或慢性的——也就是說，損傷會導致體內平衡狀態改變，雖然不正常，但不會導致細胞死亡（Trump 和 Arstila 1971；Trump 和 Berezesky 1992；Trump 和 Berezesky 1995；Trump、Berezesky 和Osornio-Vargas 1981）。 在致命傷害的情況下，在細胞死亡之前有一個階段

在此期間，細胞會恢復； 然而，在特定的時間點（“不歸路點”或細胞死亡點）之後，損傷的消除並不會導致恢復，而是細胞會發生降解和水解，最終與細胞達到物理化學平衡環境。 這是稱為壞死的階段。 在致死前階段，會發生幾種主要類型的變化，具體取決於細胞和損傷類型。 這些被稱為細胞凋亡和腫瘤。

細胞凋亡

Apoptosis 源自希臘語 載脂蛋白，意思是遠離，並且 下垂，跌倒的意思。 期限 遠離 源於這樣一個事實，即在這種類型的致死前變化期間，細胞會收縮並在外圍經歷明顯的起泡。 然後氣泡分離並漂浮。 細胞凋亡發生在各種類型的中毒性損傷後的各種細胞類型中（Wyllie、Kerr 和 Currie 1980）。 它在淋巴細胞中尤為突出，它是淋巴細胞克隆周轉的主要機制。 由此產生的片段導致在淋巴結中的巨噬細胞內看到嗜鹼性體。 在其他器官中，細胞凋亡通常發生在單個細胞中，這些細胞在死亡前後被鄰近的實質細胞或巨噬細胞的片段吞噬作用迅速清除。 在單細胞中發生的細胞凋亡以及隨後的吞噬作用通常不會導致炎症。 在死亡之前，凋亡細胞顯示出非常緻密的胞質溶膠和正常或濃縮的線粒體。 內質網 (ER) 正常或僅輕微擴張。 核染色質沿著核膜和核仁周圍明顯聚集。 核輪廓也不規則，發生核碎裂。 染色質濃縮與 DNA 片段化有關，在許多情況下，DNA 片段化發生在核小體之間，在電泳中呈現出特徵性的階梯狀外觀。

在細胞凋亡中，[Ca²⁺]_i 可能刺激 K⁺ 流出導致細胞收縮，這可能需要 ATP。 因此，完全抑制 ATP 合成的損傷更有可能導致細胞凋亡。 [Ca 的持續增加²⁺]_i 具有許多有害作用，包括激活蛋白酶、核酸內切酶和磷脂酶。 核酸內切酶激活導致單鍊和雙鏈 DNA 斷裂，進而刺激 p53 和多聚 ADP 核糖基化以及 DNA 修復所必需的核蛋白水平升高。 蛋白酶的激活會改變許多底物，包括肌動蛋白和導致水泡形成的相關蛋白質。 另一個重要的底物是聚（ADP-核糖）聚合酶 (PARP)，它會抑制 DNA 修復。 增加 [Ca²⁺]_i 也與許多蛋白激酶的激活有關，例如 MAP 激酶、鈣調蛋白激酶等。 此類激酶參與啟動立即早期基因轉錄的轉錄因子的激活，例如，c-fos、c-jun 和 c-myc，以及磷脂酶 A 的激活₂ 這導致質膜和細胞內膜（例如線粒體內膜）的透化。

腫瘤病

Oncosis，源自希臘詞 昂科斯腫脹之所以如此命名，是因為在這種類型的致死前變化中，細胞在受傷後幾乎立即開始腫脹（Majno 和 Joris 1995）。 膨脹的原因是細胞內水中陽離子的增加。 負責的主要陽離子是鈉，它通常被調節以維持細胞體積。 然而，在沒有 ATP 的情況下或如果質膜的 Na-ATPase 受到抑制，由於細胞內蛋白質和水中的鈉繼續增加，體積控制失去。 因此，在腫瘤病的早期事件中，[Na⁺]_i 這導致細胞腫脹和增加 [Ca²⁺]_i 由細胞外空間流入或細胞內儲存釋放引起。 這導致胞質溶膠腫脹、內質網和高爾基體腫脹，以及在細胞表面周圍形成水泡。 線粒體最初經歷濃縮，但後來由於線粒體內膜受損，它們也表現出高幅度的腫脹。 在這種致死前的變化中，染色質經歷濃縮並最終降解； 然而，沒有看到細胞凋亡的特徵階梯模式。

壞疽

壞死是指細胞死亡後發生的一系列變化，當細胞轉化為通常通過炎症反應去除的碎片時。 可以區分兩種類型：膨脹性壞死和凋亡性壞死。 腫瘤性壞死通常發生在大面積區域，例如，心肌梗塞或化學中毒後的局部器官，例如施用 HgCl 後的腎近端小管₂. 涉及器官的廣泛區域，壞死細胞迅速引發炎症反應，首先是急性的，然後是慢性的。 在生物體存活的情況下，在許多器官壞死之後會清除死細胞並再生，例如，在化學毒性後的肝臟或腎臟中。 相反，凋亡性壞死通常發生在單個細胞的基礎上，壞死碎片在巨噬細胞的吞噬細胞或鄰近的實質細胞內形成。 壞死細胞的最早特徵包括質膜連續性中斷和絮狀密度的出現，代表線粒體基質內的變性蛋白質。 在最初不干擾線粒體鈣積累的某些形式的損傷中，可以在線粒體中看到磷酸鈣沉積物。 其他膜系統也有類似的碎片化，例如內質網、溶酶體和高爾基體。 最終，由於溶酶體水解酶的攻擊，核染色質發生裂解。 細胞死亡後，溶酶體水解酶在與組織蛋白酶、核糖酶和脂肪酶一起清除碎片中發揮重要作用，因為它們具有最佳酸性 pH 值，並且可以在壞死細胞的低 pH 值下存活，而其他細胞酶則變性和失活。

機制

初始刺激

在致命傷害的情況下，最常見的導致細胞死亡的傷害的初始相互作用是乾擾能量代謝，例如缺氧、局部缺血或呼吸抑制，以及糖酵解，例如氰化鉀、一氧化碳、碘乙酸鹽和很快。 如上所述，抑制能量代謝的高劑量化合物通常會導致腫瘤。 導致急性細胞死亡的另一種常見初始損傷類型是質膜功能的改變（Trump 和 Arstila 1971；Trump、Berezesky 和 ​​Osornio-Vargas 1981）。 這可能是直接損傷和透化作用，如外傷或補體 C5b-C9 複合物激活、細胞膜機械損傷或鈉鉀 (Na⁺-K⁺) 與哇巴因等苷類一起泵送。 鈣離子載體，如離子黴素或 A23187，可快速攜帶 [Ca²⁺] 向下梯度進入細胞，也會造成急性致死性損傷。 在某些情況下，致死前變化的模式是細胞凋亡； 在其他情況下，它是腫瘤。

信號通路

對於多種類型的損傷，線粒體呼吸和氧化磷酸化會迅速受到影響。 在某些細胞中，這會刺激能夠維持 ATP 的無氧糖酵解，但在許多損傷中，這會受到抑制。 缺乏 ATP 會導致無法激活許多重要的穩態過程，特別是細胞內離子穩態的控制（Trump 和 Berezesky 1992；Trump、Berezesky 和 ​​Osornio-Vargas 1981）。 這導致 [Ca²⁺]_i, 並增加 [Na⁺] 和 [Cl^-]導致細胞腫脹。 [Ca 增加²⁺]_i 導致下面討論的許多其他信號機制的激活，包括一系列激酶，這可能導致立即早期基因轉錄增加。 增加 [Ca²⁺]_i 還改變細胞骨架功能，部分導致氣泡形成和核酸內切酶、蛋白酶和磷脂酶的激活。 這些似乎觸發了上面討論的許多重要影響，例如通過蛋白酶和脂肪酶激活引起的膜損傷，核酸內切酶激活導致的 DNA 直接降解，以及作為轉錄因子的 MAP 激酶和鈣調蛋白激酶等激酶的激活。

通過對無脊椎動物發育的廣泛研究 秀麗隱桿線蟲 和 果蠅以及人類和動物細胞，已經確定了一系列促死亡基因。 已發現其中一些無脊椎動物基因具有哺乳動物對應物。 例如，ced-3 基因，它對細胞程序性死亡至關重要 秀麗隱桿線蟲， 具有蛋白酶活性並與哺乳動物白細胞介素轉化酶 (ICE) 具有很強的同源性。 最近已鑑定出一種密切相關的基因，稱為 apopain 或 prICE，具有更緊密的同源性 (Nicholson et al. 1995)。 在 果蠅，收割者基因似乎參與了導致程序性細胞死亡的信號。 其他促死亡基因包括 Fas 膜蛋白和重要的腫瘤抑制基因 p53，後者被廣泛保存。 p53 在 DNA 損傷後在蛋白質水平上被誘導，當磷酸化作為其他基因（如 gadd45 和 waf-1）的轉錄因子時，這些基因參與細胞死亡信號傳導。 其他直接早期基因如 c-fos、c-jun 和 c-myc 似乎也參與某些系統。

同時，還有一些抗死亡基因似乎可以抵消促死亡基因。 其中第一個被識別的是 ced-9，來自 秀麗隱桿線蟲，與人類的 bcl-2 同源。 這些基因以一種未知的方式起作用，以防止細胞被遺傳或化學毒素殺死。 最近的一些證據表明 bcl-2 可以作為一種抗氧化劑。 目前，人們正在努力加深對相關基因的了解，並根據情況開發激活或抑制這些基因的方法。

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機械毒理學是研究化學或物理試劑如何與活生物體相互作用以引起毒性的學科。 了解一種物質的毒性機理可以增強防止毒性和設計更理想的化學品的能力； 它構成了過度暴露治療的基礎，並經常有助於進一步了解基本的生物過程。 為此目的 百科全書 重點將放在預測人類毒性的動物身上。 毒理學的不同領域包括機械毒理學、描述性毒理學、監管毒理學、法醫毒理學和環境毒理學（Klaassen、Amdur 和 Doull，1991 年）。 所有這些都得益於了解毒性的基本機制。

為什麼要了解毒性機制？

了解一種物質引起毒性的機制可以以不同的方式增強毒理學的不同領域。 對機理的理解有助於政府監管機構為人體接觸建立具有法律約束力的安全限值。 它可以幫助毒理學家推薦有關清理或修復受污染場地的行動方案，並結合物質或混合物的物理和化學特性，可用於選擇所需防護設備的等級。 機械知識在形成治療基礎和設計治療人類疾病的新藥方面也很有用。 對於法醫毒理學家來說，毒性機制通常可以提供有關化學或物理試劑如何導致死亡或喪失能力的見解。

如果了解了毒性機制，描述性毒理學就可用於預測相關化學品的毒性作用。 然而，重要的是要了解，缺乏機械信息不會阻止衛生專業人員保護人類健康。 基於動物研究和人類經驗的審慎決定用於建立安全暴露水平。 傳統上，安全邊際是通過使用動物研究（使用重複暴露設計）的“無不良影響水平”或“最低不良影響水平”並將該水平除以職業暴露因子 100 或職業暴露因子 1,000 來確定的。其他人類環境暴露。 這一過程的成功從過去已設定並遵守適當接觸限值的工人因接觸化學品而導致健康不良影響的少數事件中可見一斑。 此外，人類的壽命不斷延長，生活質量也在不斷提高。 總體而言，毒性數據的使用導致了有效的監管和自願控制。 毒性機制的詳細知識將增強目前正在開發的新風險模型的可預測性，並將導致持續改進。

了解環境機制是複雜的，並且需要了解生態系統破壞和體內平衡（平衡）。 雖然本文沒有討論，但加深對毒性機制及其在生態系統中的最終後果的理解將有助於科學家在處理城市和工業廢料方面做出審慎的決定。 廢物管理是一個不斷發展的研究領域，並將在未來繼續發揮重要作用。

毒性機制研究技術

大多數機理研究都是從動物的描述性毒理學研究或人類的臨床觀察開始的。 理想情況下，動物研究包括仔細的行為和臨床觀察，對血液和尿液成分進行仔細的生化檢查以發現體內主要生物系統功能不良的跡象，以及通過顯微鏡檢查對所有器官系統進行屍檢評估以檢查傷害（參見 OECD 測試指南；EC 化學品評估指令；美國 EPA 測試規則；日本化學品法規）。 這類似於在兩到三天的時間段內在醫院進行的全面人體體檢，除了驗屍檢查。

理解毒性機制是觀察的藝術和科學，是選擇檢驗各種假設的技術的創造力，也是將體徵和症狀創新性地整合到因果關係中的科學。 機理研究從暴露開始，遵循與時間相關的分佈和在體內的歸宿（藥代動力學），並測量在系統的某個水平和某個劑量水平下產生的毒性作用。 不同的物質可以在生物系統的不同水平上起作用而引起毒性。

曝光

機理研究中的接觸途徑通常與人體接觸相同。 途徑很重要，因為除了在化學物質被吸收到血液並分佈到全身後的全身效應之外，還可能在接觸部位產生局部效應。 局部影響的一個簡單但有說服力的例子是在使用專為清潔硬表面設計的強酸或強鹼溶液後刺激和最終腐蝕皮膚。 類似地，在暴露於刺激性蒸汽或氣體（例如氮氧化物或臭氧）後，鼻子和/或肺部的細胞會發生刺激和細胞死亡。 （兩者都是空氣污染或煙霧的成分）。 化學物質通過皮膚、肺或胃腸道吸收到血液中後，任何器官或組織中的濃度都受到許多因素的控制，這些因素決定了化學物質在體內的藥代動力學。 如下所述，身體具有激活和解毒各種化學物質的能力。

藥代動力學在毒性中的作用

藥代動力學描述了化學吸收、分佈、新陳代謝（體內生化變化）和從體內消除或排泄的時間關係。 相對於毒性機制，這些藥代動力學變量可能非常重要，在某些情況下決定是否會發生毒性。 例如，如果一種物質沒有被充分吸收，就不會發生全身毒性（在體內）。 相反，被消化酶或肝酶快速（幾秒或幾分鐘）解毒的高反應性化學物質可能沒有時間引起毒性。 一些多環鹵化物和混合物以及某些金屬如鉛如果排泄迅速則不會引起明顯的毒性； 但積累到足夠高的水平決定了它們的毒性，因為排泄速度不快（有時以年為單位）。 幸運的是，大多數化學物質在體內的滯留時間不會這麼長。 無害物質的積累仍然不會引起毒性。 從體內消除和解毒的速度通常被稱為化學物質的半衰期，即 50% 的化學物質被排出或轉變為無毒形式的時間。

然而，如果一種化學物質在特定細胞或器官中積累，這可能表明有理由進一步檢查其在該器官中的潛在毒性。 最近，已經開發出數學模型來將藥代動力學變量從動物外推到人類。 這些藥代動力學模型在生成假設和測試實驗動物是否可以很好地代表人類方面非常有用。 關於這個主題已經寫了許多章節和文本（Gehring 等人 1976 年；Reitz 等人 1987 年；Nolan 等人 1995 年）。 圖 1 描繪了生理模型的簡化示例。

圖 1. 簡化的藥代動力學模型

不同級別和系統可能會受到不利影響

毒性可以在不同的生物學水平上進行描述。 可以評估整個人（或動物）、器官系統、細胞或分子的損傷。 器官系統包括免疫系統、呼吸系統、心血管系統、腎臟系統、內分泌系統、消化系統、肌肉骨骼系統、血液系統、生殖系統和中樞神經系統。 一些關鍵器官包括肝、腎、肺、腦、皮膚、眼睛、心臟、睾丸或卵巢，以及其他主要器官。 在細胞/生化水平上，不利影響包括干擾正常蛋白質功能、內分泌受體功能、代謝能量抑製或異生（外來物質）酶抑製或誘導。 分子水平的不利影響包括 DNA-RNA 轉錄、特定細胞質和核受體結合以及基因或基因產物的正常功能的改變。 最終，主要器官系統的功能障礙可能是由該器官內特定靶細胞的分子改變引起的。 然而，並不總是可以將機制追溯到因果關係的分子起源，也沒有必要。 可以在不完全了解分子靶標的情況下設計干預和治療。 然而，關於毒性具體機制的知識增加了外推到其他化學品的預測價值和準確性。 圖 2 是可以檢測到正常生理過程干擾的各個級別的圖示。 箭頭表示可以自上而下（暴露、對系統/器官毒性的藥代動力學）或自下而上（分子變化、對系統/器官毒性的細胞/生化效應）確定對個體的後果。

圖 2. 毒性機制的重新表述

毒性機制的例子

毒性機制可以很簡單也可以很複雜。 通常，毒性類型、毒性機制和影響程度之間存在差異，這與不良反應是由於單一的急性高劑量（如意外中毒）還是較低劑量有關反復接觸（來自職業或環境接觸）。 傳統上，出於測試目的，通過直接插管到囓齒動物的胃中或暴露於氣體或蒸氣的氣氛中兩到四個小時（以最類似於人類暴露的方式）給予急性單次高劑量。 在接觸後兩週內觀察動物，然後檢查主要的外部和內部器官是否受傷。 重複劑量測試的時間從幾個月到幾年不等。 對於囓齒類動物，兩年被認為是足以評估毒性和致癌性的慢性（終生）研究，而對於非人類靈長類動物，兩年將被視為亞慢性（小於終生）研究以評估重複劑量毒性。 暴露後，將對所有組織、器官和體液進行全面檢查，以確定任何不利影響。

急性毒性機制

以下示例特定於可導致死亡或嚴重失能的高劑量、急性效應。 然而，在某些情況下，干預會導致短暫且完全可逆的影響。 暴露的劑量或嚴重程度將決定結果。

簡單的窒息劑. 惰性氣體和一些其他非反應性物質的毒性機制是缺氧（缺氧）。 這些導致中樞神經系統 (CNS) 缺氧的化學物質被稱為 單純窒息劑. 如果一個人進入一個含有氮氣但氧氣不足的封閉空間，大腦會立即缺氧，如果不迅速將人移開，則會導致失去知覺並最終死亡。 在極端情況下（接近零氧）可能會在幾秒鐘內失去知覺。 營救取決於迅速轉移到含氧環境中。 由於無法再生的神經元死亡，延遲救援可能會導致不可逆轉的腦損傷。

化學窒息劑. 一氧化碳 (CO) 與氧氣競爭與血紅蛋白（在紅細胞中）的結合，因此剝奪組織的能量代謝所需的氧氣； 可能導致細胞死亡。 干預措施包括從 CO 源去除和用氧氣處理。 氧氣的直接使用是基於 CO 的毒性作用。另一種強效化學窒息劑是氰化物。 氰化物離子會干擾細胞的新陳代謝和氧氣對能量的利用。 用亞硝酸鈉處理會導致紅細胞中的血紅蛋白變為高鐵血紅蛋白。 與氰化物的細胞靶標相比，高鐵血紅蛋白對氰化物離子具有更大的結合親和力。 因此，高鐵血紅蛋白結合氰化物並使氰化物遠離靶細胞。 這形成了解毒治療的基礎。

中樞神經系統 (CNS) 抑製劑. 急性毒性的特徵是對許多材料（如非反應性或轉化為反應性中間體的溶劑）產生鎮靜或失去知覺。 據推測，鎮靜/麻醉是由於溶劑與中樞神經系統細胞膜的相互作用，這削弱了它們傳遞電信號和化學信號的能力。 雖然鎮靜似乎是一種溫和的毒性形式，並且是早期麻醉劑發展的基礎，但“劑量仍然會產生毒藥”。 如果通過攝入或吸入給予足夠的劑量，動物可能會因呼吸停止而死亡。 如果沒有發生麻醉死亡，當受試者離開環境或化學物質重新分佈或從體內消除時，這種類型的毒性通常很容易逆轉。

皮膚效應. 對皮膚的不利影響範圍從刺激到腐蝕，具體取決於遇到的物質。 強酸和強鹼溶液與活組織不相容且具有腐蝕性，會導致化學灼傷並可能留下疤痕。 疤痕是由於負責再生的真皮深層皮膚細胞的死亡。 較低的濃度可能只會刺激第一層皮膚。

皮膚的另一種特定毒性機制是化學致敏作用。 例如，當 2,4-二硝基氯苯與皮膚中的天然蛋白質結合併且免疫系統將改變的蛋白質結合複合物識別為異物時，就會發生過敏。 在應對這種異物時，免疫系統會激活特殊細胞，通過釋放引起皮疹或皮炎的介質（細胞因子）來消除異物（參見“免疫毒理學”）。 這與接觸毒藤時免疫系統的反應相同。 免疫致敏對特定化學物質非常特異，並且在引起反應之前至少需要兩次暴露。 第一次接觸會致敏（使細胞識別化學物質），隨後的接觸會觸發免疫系統反應。 遠離接觸和使用含類固醇的抗炎藥膏進行對症治療通常可有效治療致敏個體。 在嚴重或難治性病例中，全身作用免疫抑製劑如潑尼鬆與局部治療結合使用。

肺致敏. 甲苯二異氰酸酯 (TDI) 會引發免疫致敏反應，但目標部位是肺部。 易感個體過度接觸 TDI 會導致肺水腫（液體積聚）、支氣管收縮和呼吸受損。 這是一種嚴重的情況，需要將此人從潛在的後續暴露中移除。 治療主要是對症治療。 皮膚和肺部過敏遵循劑量反應。 超過為職業暴露設定的水平會導致不良影響。

眼睛效果. 眼睛受傷的範圍從外層發紅（游泳池發紅）到角膜白內障形成再到虹膜（眼睛的有色部分）受損。 當認為不會發生嚴重傷害時，會進行眼睛刺激測試。 許多導致皮膚腐蝕的機制也會對眼睛造成傷害。 對皮膚有腐蝕性的物質，如強酸（pH 值小於 2）和鹼（pH 值大於 11.5），未在動物眼中進行測試，因為大多數物質會因類似於導致皮膚腐蝕的機製而導致腐蝕和失明. 此外，清潔劑和表面活性劑等表面活性劑會導致眼睛受傷，範圍從刺激到腐蝕。 一組需要小心的材料是帶正電（陽離子）的表面活性劑，它會導致灼傷、角膜永久性混濁和血管形成（血管形成）。 另一種化學物質二硝基苯酚對白內障形成具有特殊作用。 這似乎與眼睛中這種化學物質的濃度有關，這是藥代動力學分佈特異性的一個例子。

雖然上面的清單遠非詳盡無遺，但它旨在讓讀者了解各種急性毒性機制。

亞慢性和慢性毒性機制

當以單次高劑量給藥時，某些化學物質的毒性機制與以較低但仍然有毒的劑量重複給藥時的毒性機制不同。 當給予單次高劑量時，總是有可能超過人的解毒或排泄化學物質的能力，這可能導致與給予較低重複劑量時不同的毒性反應。 酒精就是一個很好的例子。 高劑量的酒精會導致主要的中樞神經系統影響，而較低的重複劑量會導致肝損傷。

抗膽鹼酯酶抑制. 例如，大多數有機磷殺蟲劑在主要在肝臟中被代謝激活之前，對哺乳動物幾乎沒有毒性。 有機磷酸酯的主要作用機制是抑制大腦和周圍神經系統中的乙酰膽鹼酯酶 (AChE)。 AChE 是終止神經遞質乙酰膽鹼刺激的正常酶。 長期輕微抑制 AChE 與不良反應無關。 在高水平暴露下，無法終止這種神經元刺激會導致膽鹼能神經系統過度刺激。 膽鹼能過度刺激最終會導致一系列症狀，包括呼吸停止，如果不及時治療會導致死亡。 主要治療是給予阿托品，它阻斷乙酰膽鹼的作用，以及給予解磷定，它重新激活被抑制的 AChE。 因此，通過了解毒性的生化基礎來解決有機磷毒性的原因和治療。

代謝激活. 許多化學物質，包括四氯化碳、氯仿、乙酰氨基芴、亞硝胺和百草枯，都會被代謝活化為自由基或其他活性中間體，從而抑制和乾擾正常的細胞功能。 在高水平暴露下，這會導致細胞死亡（參見“細胞損傷和細胞死亡”）。 雖然具體的相互作用和細胞目標仍然未知，但能夠激活這些化學物質的器官系統，如肝臟、腎臟和肺，都是潛在的傷害目標。 具體而言，器官內的特定細胞具有或多或少的激活或解毒這些中間體的能力，並且這種能力決定了器官內的細胞內易感性。 新陳代謝是理解藥代動力學（描述這些類型的轉化以及這些中間體的分佈和消除）對於認識這些化學物質的作用機制很重要的原因之一。

癌症機制. 癌症是多種疾病，雖然由於自 1980 年以來開發的許多分子生物學技術，對某些類型癌症的了解正在迅速增加，但仍有很多東西需要學習。 然而，很明顯癌症的發展是一個多階段的過程，關鍵基因是不同類型癌症的關鍵。 許多這些關鍵基因的 DNA 改變（體細胞突變）會導致易感性增加或癌性病變（參見“遺傳毒理學”）。 暴露於天然化學物質（在牛肉和魚等熟食中）或合成化學物質（如聯苯胺，用作染料）或物理因素（來自太陽的紫外線、來自土壤的氡、來自醫療程序或工業活動的伽馬輻射）都是體細胞基因突變的貢獻者。 然而，有天然和合成物質（如抗氧化劑）和 DNA 修復過程可以保護和維持體內平衡。 很明顯，遺傳學是癌症的一個重要因素，因為缺乏正常 DNA 修復的色素乾皮病等遺傳疾病綜合症會因暴露於太陽紫外線而顯著增加患皮膚癌的易感性。

生殖機制. 與癌症類似，許多生殖和/或發育毒性的機制是已知的，但還有很多有待了解。 眾所周知，某些病毒（如風疹）、細菌感染和藥物（如沙利度胺和維生素 A）會對發育產生不利影響。 最近，Khera (1991) 的工作以及 Carney (1994) 的評論顯示了很好的證據，表明在動物試驗中使用乙二醇的異常發育影響可歸因於母體代謝酸性代謝物。 當乙二醇被代謝為包括乙醇酸和草酸在內的酸性代謝物時，就會發生這種情況。 對胎盤和胎兒的後續影響似乎是由於這種代謝中毒過程。

結論

本文的目的是對幾種已知的毒性機制和未來研究的必要性給出一個觀點。 重要的是要了解機械知識對於保護人類或環境健康並非絕對必要。 這些知識將提高專業人員更好地預測和管理毒性的能力。 用於闡明任何特定機制的實際技術取決於科學家的集體知識和那些就人類健康做出決定的人的想法。

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