周宗燦

(北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部毒理學(xué)系，北京 100191)

化學(xué)品安全已成為國(guó)際和我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題，化學(xué)品安全是食品安全、環(huán)境安全和職業(yè)安全的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)品不僅可引起對(duì)人體健康的有害作用和中毒，還是多種常見(jiàn)病、多發(fā)病的重要危險(xiǎn)因素。對(duì)化學(xué)品的管理應(yīng)基于循證毒理學(xué)和健康危險(xiǎn)評(píng)定。目前化學(xué)物毒性測(cè)試已成為化學(xué)品健康危險(xiǎn)評(píng)定和管理的瓶頸，急需突破。主要的問(wèn)題是:(1)以實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主的化學(xué)物毒性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)體系，對(duì)一種化學(xué)品的毒性測(cè)試需要耗費(fèi)2～3年和數(shù)百萬(wàn)美元。國(guó)際市場(chǎng)上現(xiàn)已存在10萬(wàn)種以上的化學(xué)物。年產(chǎn)量大于1噸化學(xué)品約有3萬(wàn)種需要進(jìn)行毒性測(cè)試，其中僅有相當(dāng)少數(shù)化學(xué)品有足夠資料能夠較好表征其對(duì)人或生態(tài)系統(tǒng)的毒性以支持管理決策?，F(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案顯然不能滿足要求。(2)現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)、組學(xué)技術(shù)和高通量篩選試驗(yàn)、系統(tǒng)毒理學(xué)的發(fā)展，在化學(xué)品毒性測(cè)試和健康危險(xiǎn)評(píng)定沒(méi)有得到充分的應(yīng)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(yàn)，但往往是多種替代試驗(yàn)檢測(cè)同一個(gè)終點(diǎn)，如急性毒性替代試驗(yàn)有5種，眼刺激替代試驗(yàn)有6種，皮膚刺激替代試驗(yàn)有5種等。這樣針對(duì)已有的20多種基本試驗(yàn)，可能會(huì)發(fā)展出百余種替代試驗(yàn)。替代試驗(yàn)的此種思路是否適當(dāng)，有待探討。

為推動(dòng)化學(xué)品管理，聯(lián)合國(guó)、經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織(OECD)、美國(guó)和歐共體都做了大量工作，如聯(lián)合國(guó)實(shí)行的“全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)簽制度”和歐共體提出的化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制制度(registration，evaluation，anthoristation and ristriction of chemicals，REACH)法規(guī)。我國(guó)在化學(xué)品管理上還存在差距，需要我國(guó)有關(guān)毒理學(xué)研究的技術(shù)支持。

本文從三方面綜述化學(xué)品毒性測(cè)試和危險(xiǎn)評(píng)定的目前發(fā)展趨勢(shì)和我們的意見(jiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)是改變毒性測(cè)試策略，以毒作用靶器官/作用模式為主線進(jìn)行化學(xué)物的分類并建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，改進(jìn)危險(xiǎn)評(píng)定方法［1］。

1 毒性測(cè)試策略的轉(zhuǎn)變

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

圖1 NRC(2007)提出的毒性測(cè)試和危險(xiǎn)性分析總體框架.

該報(bào)告提出后，在毒理學(xué)界引起了強(qiáng)烈反響，Collins等［3］提出，毒性評(píng)定從動(dòng)物體內(nèi)研究轉(zhuǎn)移到體外實(shí)驗(yàn)，低等生物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模。并且美國(guó)的NTP、EPA和國(guó)立衛(wèi)生研究院化學(xué)基因組學(xué)中心(NIH Chemical Genomics Center，NCGC)對(duì)此開(kāi)展了協(xié)作研究［4］。NRC方案是試驗(yàn)策略的轉(zhuǎn)變，而不是試驗(yàn)方法的替代，此策略可減少試驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，與現(xiàn)代機(jī)制毒理學(xué)和系統(tǒng)毒理學(xué)的進(jìn)展相結(jié)合。需要指出的是，盡管該報(bào)告提出了毒性測(cè)試和危險(xiǎn)性分析的框架，但對(duì)于如何實(shí)施毒性測(cè)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(cè)試新策略，但也提出了一些有待深入解決的問(wèn)題，如不同靶器官細(xì)胞的毒性途徑的特異性，有害效應(yīng)和適應(yīng)的分界點(diǎn)，毒性途徑網(wǎng)絡(luò)中各毒性途徑對(duì)毒性結(jié)局的相對(duì)貢獻(xiàn)，靶器官細(xì)胞間的交互作用，以及如何預(yù)測(cè)整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)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(wèn)題均有待于進(jìn)一步研究和解決。

2 基于靶器官/毒作用模式的化學(xué)物分類

減少毒性測(cè)試工作量的另一個(gè)方法是將密切相關(guān)的化學(xué)品作為一組或一類，全面測(cè)試一個(gè)類別中的參照化學(xué)物，對(duì)其他化學(xué)物只需要測(cè)試其毒效應(yīng)或關(guān)鍵事件的相對(duì)強(qiáng)度。OECD(2007)已提出了化學(xué)品分類初步指南［6］。以被測(cè)試的化學(xué)物和終點(diǎn)的數(shù)據(jù)可用于估計(jì)未經(jīng)測(cè)試的化學(xué)物的性質(zhì)和終點(diǎn)，填補(bǔ)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(guān)系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)、外推和內(nèi)插等。

近年來(lái)，在機(jī)制毒理學(xué)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(dǎo)致毒性有關(guān)終點(diǎn)的一組關(guān)鍵事件。關(guān)鍵事件是引起毒理學(xué)反應(yīng)MOA所關(guān)鍵的和可測(cè)量的事件。毒作用機(jī)制是指從分子水平到肉眼可見(jiàn)的毒性或組織病理學(xué)毒性、各事件的精確途徑的詳細(xì)描述。顯然利用MOA的概念可簡(jiǎn)化對(duì)化學(xué)物毒作用機(jī)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(yīng)該根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和毒性(靶器官/毒作用模式)進(jìn)行分類，即化學(xué)物結(jié)構(gòu)-毒性(structure-toxicity，ST)分類方法?；瘜W(xué)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定毒性的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定其理化性質(zhì)和化學(xué)活性，分別影響化學(xué)物在體內(nèi)的毒動(dòng)學(xué)和毒效學(xué)過(guò)程?；瘜W(xué)物理性質(zhì)可預(yù)測(cè)其毒動(dòng)學(xué)特征。在毒效學(xué)方面，化學(xué)物引起細(xì)胞的生物分子損傷，進(jìn)而引起細(xì)胞應(yīng)激。因?yàn)榧?xì)胞監(jiān)測(cè)大分子損害而不是造成這些損傷的化學(xué)物類型，所以，細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)具有生物分子損傷特異性，并不是化學(xué)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(guān)聯(lián)的特點(diǎn)。因此，化學(xué)物結(jié)構(gòu)決定其毒動(dòng)學(xué)特點(diǎn)和其在靶器官中與生物分子的反應(yīng)性，而在靶器官的毒作用模式和靶器官毒效應(yīng)則取決于細(xì)胞應(yīng)激的類型和該器官結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。例如，肝毒物有1000種以上，肝細(xì)胞毒性機(jī)制有6種，肝臨床病理綜合征有15種。不同的毒物可通過(guò)共同的途徑引起靶細(xì)胞損傷和死亡，進(jìn)而導(dǎo)致靶器官毒效應(yīng)?；瘜W(xué)物ST分類即是以化學(xué)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，化學(xué)物的理化性質(zhì)可預(yù)測(cè)其毒動(dòng)學(xué)特征，以靶器官/毒作用模式表征毒效學(xué)特征。此ST分類法將具有毒理學(xué)特色和實(shí)用性。

3 基于毒作用模式的危險(xiǎn)評(píng)定

健康危險(xiǎn)評(píng)定方法學(xué)上已有相當(dāng)大的發(fā)展，已發(fā)展了許多新的方法來(lái)改進(jìn)危險(xiǎn)度評(píng)定中的劑量-反應(yīng)關(guān)系的評(píng)定，如基準(zhǔn)劑量(benchmark dose，BMD)法、概率危險(xiǎn)評(píng)定、分類回歸法、化學(xué)物特異性調(diào)整因子(chemical-specific adjustment factors，CSAF)法、基于生理學(xué)的毒代動(dòng)力學(xué)(physiologically based toxicokinetics，PBTK)法等。這些新的方法學(xué)主要側(cè)重于如何較好地確定危險(xiǎn)度評(píng)定起始點(diǎn)值，考慮易感亞人群，降低危險(xiǎn)度評(píng)定的不確定性等。側(cè)重點(diǎn)主要是優(yōu)化外推起始點(diǎn)(如BMD)和發(fā)展CSAF法。CSAF法以化學(xué)物特異性的毒動(dòng)學(xué)和毒效學(xué)資料作為依據(jù)來(lái)代替由于物種間差異和個(gè)體差異外推的默認(rèn)值［7－8］。CSAF法優(yōu)點(diǎn)是概念明確并可作為良好的方法學(xué)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上可以包含和發(fā)展上述各項(xiàng)研究需要和更深層次的改進(jìn)。而且，國(guó)際化學(xué)品安全性規(guī)劃署(IPCS)發(fā)展了的癌和非癌終點(diǎn)MOA的人類關(guān)聯(lián)性框架(human relevance framework，HRF)［9－10］，以關(guān)鍵事件/毒作用模式的相似性來(lái)判斷動(dòng)物資料外推到人的可靠性。我們提出，以相同毒作用機(jī)制/模式的肝毒物在關(guān)鍵事件的差異建立毒效學(xué)CSAF，比對(duì)全部毒物逐個(gè)確定毒效學(xué)CSAF在工作量和準(zhǔn)確性上可有較大的改進(jìn)。以MOA對(duì)于CSAF法的改進(jìn)，需要:①研究靶器官毒效應(yīng)的各種毒作用模式和關(guān)鍵事件，確定其限速性關(guān)鍵事件，以及檢測(cè)指標(biāo)(生物學(xué)標(biāo)志);②發(fā)展以化學(xué)物結(jié)構(gòu)和(或)作用模式ST分類及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)展各ST分類化學(xué)物的各系數(shù)的預(yù)測(cè)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(yīng)的概率描述和不確定性。上述化學(xué)物分類法和靶器官毒作用模式研究，可能發(fā)展化學(xué)物類別/靶器官的CSAF法，外推并評(píng)定危險(xiǎn)度，減少工作量。

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

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