周宗燦

(北京大學醫(yī)學部毒理學系，北京 100191)

化學品安全已成為國際和我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重大問題，化學品安全是食品安全、環(huán)境安全和職業(yè)安全的基礎。化學品不僅可引起對人體健康的有害作用和中毒，還是多種常見病、多發(fā)病的重要危險因素。對化學品的管理應基于循證毒理學和健康危險評定。目前化學物毒性測試已成為化學品健康危險評定和管理的瓶頸，急需突破。主要的問題是:(1)以實驗動物體內(nèi)實驗為主的化學物毒性測試標準實驗體系，對一種化學品的毒性測試需要耗費2～3年和數(shù)百萬美元。國際市場上現(xiàn)已存在10萬種以上的化學物。年產(chǎn)量大于1噸化學品約有3萬種需要進行毒性測試，其中僅有相當少數(shù)化學品有足夠資料能夠較好表征其對人或生態(tài)系統(tǒng)的毒性以支持管理決策。現(xiàn)行的標準測試方案顯然不能滿足要求。(2)現(xiàn)代分子生物學技術(shù)、組學技術(shù)和高通量篩選試驗、系統(tǒng)毒理學的發(fā)展，在化學品毒性測試和健康危險評定沒有得到充分的應用。(3)鑒于3Rs即替代、優(yōu)化、減少(replacement，refinement，reduction)的理念，已發(fā)展了不少替代試驗，但往往是多種替代試驗檢測同一個終點，如急性毒性替代試驗有5種，眼刺激替代試驗有6種，皮膚刺激替代試驗有5種等。這樣針對已有的20多種基本試驗，可能會發(fā)展出百余種替代試驗。替代試驗的此種思路是否適當，有待探討。

為推動化學品管理，聯(lián)合國、經(jīng)濟合作和發(fā)展組織(OECD)、美國和歐共體都做了大量工作，如聯(lián)合國實行的“全球化學品統(tǒng)一分類和標簽制度”和歐共體提出的化學品注冊、評估、授權(quán)和限制制度(registration，evaluation，anthoristation and ristriction of chemicals，REACH)法規(guī)。我國在化學品管理上還存在差距，需要我國有關毒理學研究的技術(shù)支持。

本文從三方面綜述化學品毒性測試和危險評定的目前發(fā)展趨勢和我們的意見?？偟膩碚f是改變毒性測試策略，以毒作用靶器官/作用模式為主線進行化學物的分類并建立相關數(shù)據(jù)庫，改進危險評定方法［1］。

1 毒性測試策略的轉(zhuǎn)變

2007年美國國家研究委員會(National Research Council，NRC)應美國環(huán)保局(EPA)和國家毒理學計劃(National Toxicology Program，NTP)的要求，為毒性測試發(fā)展長期展望和關于實現(xiàn)展望的策略計劃發(fā)表了一份題為《21世紀的毒性測試:展望和策略》的研究報告。報告指出毒性測試策略轉(zhuǎn)變需要實現(xiàn)如下目標:① 實現(xiàn)對化學品、化學混合物、不同結(jié)局和生命階段的廣泛覆蓋;② 減少毒性測試所需的費用和時間;③發(fā)展用于評定環(huán)境因子健康效應的更為可靠的科學基礎;④將測試中動物的使用數(shù)量降到最低。報告重點提出了毒性測試和危險性分析的總體框架(圖1)，包括化學表征、毒性測試(毒性途徑和靶向測試)、劑量-反應和外推建模、人群和暴露資料、危險分析。毒性測試方案的核心是人源性細胞的體外毒性-途徑測試(toxicity-pathway testing)和整體動物染毒的靶向測試(targeted testing)。在體外培養(yǎng)人源性細胞中經(jīng)化學毒物處理確定細胞應激至死亡的信號轉(zhuǎn)導途徑是此策略第一關鍵步驟，細胞應激至死亡通常有多種信號轉(zhuǎn)導途徑。NRC報告中提出了一些毒性途徑例子，如核因子紅細胞衍生2(E2)樣因子〔nuclear factor(erythroid-derived 2)-like 2，Nrf2〕抗氧化反應途徑、熱休克反應途徑、孕烷X受體(pregnane X receptor，PXR)反應途徑，組成型雄烷受體(constitutive androstane receptor，CAR)反應途徑，過氧化物酶增殖體激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)反應途徑、芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)反應途徑、低滲透壓反應途徑、DNA損傷反應途徑和內(nèi)源性激素反應途徑等。此外，也有提出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激途徑、炎癥反應途徑、缺氧以及金屬應激途徑等［2］。在確定了毒作用途徑后，應進行14 d重復染毒體內(nèi)毒性試驗，確定毒作用的靶器官，必要時進行代謝產(chǎn)物評價和在轉(zhuǎn)錄組學水平研究受影響的細胞過程。

圖1 NRC(2007)提出的毒性測試和危險性分析總體框架.

該報告提出后，在毒理學界引起了強烈反響，Collins等［3］提出，毒性評定從動物體內(nèi)研究轉(zhuǎn)移到體外實驗，低等生物體內(nèi)實驗和計算機建模。并且美國的NTP、EPA和國立衛(wèi)生研究院化學基因組學中心(NIH Chemical Genomics Center，NCGC)對此開展了協(xié)作研究［4］。NRC方案是試驗策略的轉(zhuǎn)變，而不是試驗方法的替代，此策略可減少試驗的經(jīng)費和時間，與現(xiàn)代機制毒理學和系統(tǒng)毒理學的進展相結(jié)合。需要指出的是，盡管該報告提出了毒性測試和危險性分析的框架，但對于如何實施毒性測試的轉(zhuǎn)變并未提出具體的和可行的指南，具有很大的發(fā)展空間。

Toxicological Sciences雜志在2009年以論壇的形式發(fā)表了十余篇論文［5］，肯定了此毒性測試新策略，但也提出了一些有待深入解決的問題，如不同靶器官細胞的毒性途徑的特異性，有害效應和適應的分界點，毒性途徑網(wǎng)絡中各毒性途徑對毒性結(jié)局的相對貢獻，靶器官細胞間的交互作用，以及如何預測整體動物實驗長期染毒觀察到的最低作用劑量和未觀察到的有害作用劑量等。這些問題均有待于進一步研究和解決。

2 基于靶器官/毒作用模式的化學物分類

減少毒性測試工作量的另一個方法是將密切相關的化學品作為一組或一類，全面測試一個類別中的參照化學物，對其他化學物只需要測試其毒效應或關鍵事件的相對強度。OECD(2007)已提出了化學品分類初步指南［6］。以被測試的化學物和終點的數(shù)據(jù)可用于估計未經(jīng)測試的化學物的性質(zhì)和終點，填補缺失數(shù)據(jù)的方法，包括類似物法(category approach)、交叉取值 (read-across)，定量結(jié)構(gòu)-活性關系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)、外推和內(nèi)插等。

近年來，在機制毒理學研究中發(fā)展了毒作用模式(mode-of-action，MOA)的概念，毒作用模式是指證據(jù)權(quán)重支持的可能導致毒性有關終點的一組關鍵事件。關鍵事件是引起毒理學反應MOA所關鍵的和可測量的事件。毒作用機制是指從分子水平到肉眼可見的毒性或組織病理學毒性、各事件的精確途徑的詳細描述。顯然利用MOA的概念可簡化對化學物毒作用機制的表征，有助于在易感人群和生命階段的外推。并且，結(jié)構(gòu)相似的化合物可能具有相類似的毒作用模式，建議應該根據(jù)化學結(jié)構(gòu)和毒性(靶器官/毒作用模式)進行分類，即化學物結(jié)構(gòu)-毒性(structure-toxicity，ST)分類方法。化學物的化學結(jié)構(gòu)是決定毒性的物質(zhì)基礎，決定其理化性質(zhì)和化學活性，分別影響化學物在體內(nèi)的毒動學和毒效學過程?；瘜W物理性質(zhì)可預測其毒動學特征。在毒效學方面，化學物引起細胞的生物分子損傷，進而引起細胞應激。因為細胞監(jiān)測大分子損害而不是造成這些損傷的化學物類型，所以，細胞的應激反應具有生物分子損傷特異性，并不是化學物特異性的。而靶器官毒性則顯示與該器官結(jié)構(gòu)和功能相關聯(lián)的特點。因此，化學物結(jié)構(gòu)決定其毒動學特點和其在靶器官中與生物分子的反應性，而在靶器官的毒作用模式和靶器官毒效應則取決于細胞應激的類型和該器官結(jié)構(gòu)和功能特點。例如，肝毒物有1000種以上，肝細胞毒性機制有6種，肝臨床病理綜合征有15種。不同的毒物可通過共同的途徑引起靶細胞損傷和死亡，進而導致靶器官毒效應?；瘜W物ST分類即是以化學結(jié)構(gòu)為基礎，化學物的理化性質(zhì)可預測其毒動學特征，以靶器官/毒作用模式表征毒效學特征。此ST分類法將具有毒理學特色和實用性。

3 基于毒作用模式的危險評定

健康危險評定方法學上已有相當大的發(fā)展，已發(fā)展了許多新的方法來改進危險度評定中的劑量-反應關系的評定，如基準劑量(benchmark dose，BMD)法、概率危險評定、分類回歸法、化學物特異性調(diào)整因子(chemical-specific adjustment factors，CSAF)法、基于生理學的毒代動力學(physiologically based toxicokinetics，PBTK)法等。這些新的方法學主要側(cè)重于如何較好地確定危險度評定起始點值，考慮易感亞人群，降低危險度評定的不確定性等。側(cè)重點主要是優(yōu)化外推起始點(如BMD)和發(fā)展CSAF法。CSAF法以化學物特異性的毒動學和毒效學資料作為依據(jù)來代替由于物種間差異和個體差異外推的默認值［7－8］。CSAF法優(yōu)點是概念明確并可作為良好的方法學平臺，在此基礎上可以包含和發(fā)展上述各項研究需要和更深層次的改進。而且，國際化學品安全性規(guī)劃署(IPCS)發(fā)展了的癌和非癌終點MOA的人類關聯(lián)性框架(human relevance framework，HRF)［9－10］，以關鍵事件/毒作用模式的相似性來判斷動物資料外推到人的可靠性。我們提出，以相同毒作用機制/模式的肝毒物在關鍵事件的差異建立毒效學CSAF，比對全部毒物逐個確定毒效學CSAF在工作量和準確性上可有較大的改進。以MOA對于CSAF法的改進，需要:①研究靶器官毒效應的各種毒作用模式和關鍵事件，確定其限速性關鍵事件，以及檢測指標(生物學標志);②發(fā)展以化學物結(jié)構(gòu)和(或)作用模式ST分類及相關數(shù)據(jù)庫，發(fā)展各ST分類化學物的各系數(shù)的預測和確定方法;③發(fā)展CSAF法的各系數(shù)和從小樣本資料外推總體反應的概率描述和不確定性。上述化學物分類法和靶器官毒作用模式研究，可能發(fā)展化學物類別/靶器官的CSAF法，外推并評定危險度，減少工作量。

目前毒理學的發(fā)展正處于十字路口，需要發(fā)展轉(zhuǎn)化毒理學(translational toxicology)［11］，以迅速地在基礎研究與危險管理之間建立更直接的聯(lián)系。

［1］周宗燦，李 濤.基因與環(huán)境的交互作用:健康危險評定與預警［M］.上海:上海科學技術(shù)出版社，2009:11-30，92-100，103-128，385-424.

［2］Simmons SO，F(xiàn)an CY，Ramabhadran R.Cellular stress response pathway system as a sentinel ensemble in toxicological screening［J］.Toxicol Sci，2009，111(2):202-225.

［3］Collins FS，Gray GM，Bucher JR.Toxicology.Transforming environmental health protection［J］.Science，2008，319(5865):906-907.

［4］Schmidt CW.TOX 21:new dimensions of toxicity testing［J］.Environ Health Perspect，2009，117(8):A348-A353.

［5］Holsapple MP，Afshari CA，Lehman-McKeeman LD.Forum Series:the"Vision"for Toxicity Testing in the21st Century:prom-ises and conundrums［J］.Toxicol Sci，2009，107(2):307-308.

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［7］IPCS.Guidance Document for the Use of Data in Development of Chemical-Specific Adjustment Factors(CSAFs)for Interspecies Differences and Human Variability in Dose/Concentration-Response Assessment.2001.

［8］IPCS. Chemical-Specific Adjustment Factors for Interspesies Differences and Human Variability:Guidance Document for Use of Data in Dose/Concentration-Response Assessment.2005.

［9］Boobis AR，Cohen SM，Dellarco V，McGregor D，Meek ME，Vickers C，et al.IPCSframework for analyzing the relevance of a cancer mode of action for humans［J］.Crit Rev Toxicol，2006，36(10):781-792.

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［11］Mattes WB，Walker EG.Translational toxicology and the work of the predictive safety testing consortium［J］.Clin Pharmacol Ther，2009，85(3):327-330.