CHAPTER 2 第二章
食品毒理学基础
第一节 毒物、毒性与毒效应谱
一、毒物
（一）外源化学物
外源化学物（xenobiotics）指存在于人类生活环境中、可能与机体接触并能够进入机体，在体内呈现一定生物学效应的化学物质。外源化学物用于描述所有与生物体相互作用的、且在机体正常代谢途径中不能产生的化学物。与外源化学物相对是内源化学物（endobiotics），内源化学物是指机体内原已存在的和代谢过程中所形成的产物或中间产物。但需要注意的是有些生物体的内源化学物对其他的生物可能是外源化学物，比如天然化学物士的宁是马钱子植物产生的，但对动物和人是外源化学物，士的宁作为外源化学物具有较强的毒性。此外，内源化学物（如组胺及其他血管活性物质、自由基、同型半胱氨酸、硒）在体内的生物学过程作用过强或摄入过多，可对机体产生损伤作用。近年来，毒理学研究中已加强了对内源化学物的研究，但外源化学物研究仍然是毒理学研究的主要内容之一。
（二）毒物
毒物（toxic substance，poison，toxicant）是指在一定的条件下，较小剂量下即可对机体产生损害作用或使机体出现异常反应的外源化学物。毒物与非毒物两者的分类是相对的，无法制订统一的判定性阈值或者标准。任何外源化学物均有可能是毒物，只要能够进入机体并达到相应的剂量，比如我们每天都摄入的食盐，如果一次性服用达到200～250g，就可能出现机体严重的毒性反应，甚至会导致机体死亡；人体对硒的安全摄入量为50～200μg/d，当摄入量低于50μg/d则可能引发心肌炎、克山病等疾病，反之，当每日摄入量超过200μg/d时，则可能导致中毒，而如果当每日摄入量达到1mg/d，则会导致机体死亡；同样，临床上的药物当使用的剂量超过安全范围也可以导致机体产生毒性效应，甚至危及生命；如推荐剂量的阿司匹林（乙酰水杨酸）相对安全，全球数百万人在服用，但是如果长期服用阿司匹林可损害胃黏膜，0.2～0.5g/kg的剂量可导致机体死亡。毒物的定义也涉及生物学定性层面，对一种或同一种属生物体有毒的化学物，对其他生物可能相对无害。如四氯化碳对许多生物有很强的肝毒性，但对鸡却相对无害。
（三）毒物的分类
毒物包括生物性毒物和人类活动产生的化学物。根据物理形态可以分气态毒物、液态毒物和固体毒物，根据使用情况可以分溶剂、农药等，根据作用靶器官可以分肝脏毒物、心血管毒物、神经毒物、生殖毒物等，根据作用机制可以分胆碱酯酶抑制剂、细胞色素P450诱导物等，根据毒作用类型可以分致癌物、致畸物等，根据毒性作用强度可以分剧毒、高毒、中毒、低毒、实际无毒等。当毒物暴露于机体后，可以与机体的生物分子等发生反应，干扰或破坏机体的正常生理功能，引发可逆性或者是永久性的结构功能改变，反应严重的将会导致生命终止。
外源化学物的种类繁多，分类方法也不少。按外源化学物的用途及分布范围，可将毒物分为：①工业毒物，包括生产过程中使用的原料、辅助剂以及生产中产生的中间体、杂质、成品、副产品、废弃物等；②环境污染物，包括生产过程中排放的废气、废水和废渣中各种外源化学物，这些污染物可通过空气、水、土壤或食物而危及人类健康；③食品中有毒成分，包括天然毒素或食品变质后产生的毒素，食品中不合格的添加剂以及非法添加剂；④农用化学物，包括农药、化肥、除草剂、植物生长调节剂、动物饲料添加剂、瓜果蔬菜保鲜剂、生长激素等，常因误用、滥用以及农药在食品中的残留而造成危害；⑤嗜好品（如卷烟）、化妆品、其他日用品中的有害成分；⑥生物性毒物，它是由生物体如微生物、动物或植物产生的毒性物质；⑦医用化学品，包括医用药物和兽医用药。如各种化疗药物、血管造影剂、医用消毒剂等；⑧军事毒物，如沙林、芥子气、塔崩、维埃克斯（VX）等；⑨放射性核素，如I131等。
二、毒性
（一）毒性
毒性（toxicity）是指在特定条件下，化学物导致机体有害作用的一种固有的能力。毒性是物质的一种内在性质，取决于物质的化学结构，这种特性是物质与生俱来的、不变的特性，是通过测量该物质在特定的条件下对机体产生的毒作用大小来确定的，如通过规范的急性毒性试验来评价毒物的急性毒性等。显然，有必要系统研究化学物的化学结构及其理化特性与该物质毒性之间的相互关系。毒性反映毒物的剂量与机体反应之间的关系，引起机体某种有害反应的剂量是衡量毒物毒性的指标，一种外源化学物对机体的损害作用越大，其毒性就越高。除此之外，影响外源化学物的毒性还有接触条件，比如接触途径、接触期限、接触速率以及接触频率等。根据毒物暴露剂量与暴露时间不同，可以将毒性分为急性毒性、亚急性毒性、亚慢性毒性和慢性毒性，或者分为短期毒性和长期毒性。中毒（poisoning）指生物体受到毒物作用而引起功能性或器质性疾病状态，按发生快慢，中毒可分为急性中毒和慢性中毒。在慢性中毒过程中有时可出现急性发作。
（二）选择性毒性
选择性毒性（selective toxicity）通常是指化学物在不同物种间的毒效应的差异。目前认为，选择性毒性是毒作用的普遍特点，化学物的这种毒性差异即选择性毒性既可发生在不同物种之间，也可发生在同种属群体中不同个体之间（易感人群为高危人群），亦可能发生在同一个体内不同器官或系统间（易感器官为靶器官）。外源化学物对机体存在选择性毒性的原因主要包括：①物种和细胞学差异；②不同生物或者组织器官对外源化学物及其代谢物的蓄积能力不同；③不同生物或者组织器官对外源化学物的生物转化过程不同；④不同生物或者组织器官对外源化学物导致的损害修复能力不同。物种之间毒作用的差异使毒理学动物试验结果外推到人存在不确定性，导致部分毒物的毒效应无法外推到人群。也正是因为毒物的毒效应存在物种之间的选择性差异，才发明了各种特异性药物如抗生素、杀虫剂、灭鼠剂等，用于临床医学、畜牧业和农业等领域，并从中取得一定的效益。
（三）蓄积作用
蓄积作用（accumulation effect）是指外源化学物长期地、连续地、反复地进入机体，并且吸收速度（或总量）超过代谢转化排出的速度（或总量）时，外源化学物或其代谢物在机体内逐渐增加和贮存。蓄积作用是外源化学物发生亚慢性、慢性毒作用的基础。
蓄积作用分为物质蓄积和功能蓄积，物质蓄积（material accumulation）是指机体反复多次接触外源化学物后，采用化学分析方法能测得机体内或某些器官组织内存在该化合物的原型或其代谢物。功能蓄积（functional accumulation）是指采用外源化学物反复多次染毒实验动物后，机体内虽然不能检出化学毒物或代谢物，然而机体可以出现慢性中毒现象，也称为损伤蓄积。功能蓄积是损害效应累计的结果，也可能是由于存留的化学毒物或代谢物数量极微，目前技术方法尚不能检出的一种物质蓄积。物质蓄积与功能蓄积可以同时存在。
外源化学物或其代谢物在机体的蓄积部位称为储存库（depot）。机体常见的储存库有血浆蛋白、脂肪组织、肝脏、肾脏、骨骼等。如骨骼为铅的储存库。蓄积形式主要有原型、代谢物和结合形式。
三、毒效应谱
（一）毒效应谱
毒效应谱（spectrum of toxic effect）是指当机体暴露于外源化学物后，随着其剂量的增加而出现一系列改变，可以表现为：①外源化学物的机体负荷增加；②意义不明的生理和生化改变；③亚临床改变；④临床中毒；⑤死亡。机体负荷是指在体内化学物和/或其代谢物的量及分布。亚临床改变、临床中毒、死亡属于损害作用（毒效应）。毒效应谱还可包括致癌、致突变和致畸胎作用。
适应（adaptation）是指机体对外源化学物引起的有害作用显示不易感性或易感性降低。抗性（resistance）和耐受（tolerance）相关，但是意义不同。抗性用于一个群体对于应激原化学物反应的遗传机构改变。耐受对个体是指获得对某种化学物毒作用的抗性，通常是早先暴露的结果。引起耐受的主要机制可能是由于到达毒作用靶部位的毒物量降低或某组织对该化学物的反应性降低。
（二）毒作用的分类
1.速发性或迟发性毒作用
速发性毒作用（immediate toxic effect）是指某些外源化学物在一次暴露后短时间内所引起的即刻毒性作用，如氰化钾和硫化氢引起的急性中毒。一般情况是暴露毒物后迅速中毒，说明该毒物吸收速度快、分布范围广，毒性作用直接；反之则说明吸收速度缓慢或在发生毒性作用前需经代谢活化。中毒后迅速恢复，说明该毒物能很快被排出或被解毒，反之则说明解毒或排泄效率低，或已产生病理或生化方面的损害以致难以恢复。迟发性毒作用（delayed toxic effect）是指在一次或多次接触某种外源化学物后，经一定时间间隔才出现的毒性作用。例如，某些有机磷类化合物具有迟发性神经毒效应。又如外源化学物的致癌作用，人类一般要在初次接触后10～20年或更长时间才能出现肿瘤。
2.局部或全身毒作用
局部毒作用（local toxic effect）指某些外源化学物在机体接触部位直接造成的损害效应。如接触具有腐蚀性的酸碱所造成的皮肤损伤，吸入刺激性气体引起的呼吸道损伤等。全身毒作用（systemic toxic effect）指外源化学物被机体吸收并分布至靶器官或全身后所产生的损害作用，例如一氧化碳引起机体缺氧。除一些活性很高的物质外，大多数化学物产生全身毒作用，有些物质两种作用兼而有之。例如四乙基铅可作用于皮肤的吸收部位，然后分布至全身，对中枢神经系统（CNS）和其他器官产生毒作用。
3.可逆或不可逆效应
外源化学物的可逆效应（reversible effect）指停止接触后可逐渐消失的毒效应。一般情况下，机体接触外源化学物的浓度愈低，时间愈短，造成的损伤愈轻，则脱离暴露后其毒效应消失得就愈快，如某些有机磷农药对胆碱酯酶活性的早期抑制作用。外源化学物的不可逆效应（irreversible effect）指在停止接触外源化学物后其毒作用继续存在，甚至对机体造成的损害作用可进一步发展。例如，外源化学物引起的肝硬化、肿瘤等是不可逆的。如游离二氧化硅引起的肺部致纤维化作用、外源化学物引起的肿瘤等是不可逆的。化学物的毒效应是否可逆，在很大程度上还取决于所受损伤组织的修复和再生能力。例如肝有较高的再生能力，因此大多数肝损伤是可逆的。反之，中枢神经系统的损伤绝大多数是不可逆的。
4.急性或慢性毒作用
急性毒作用（acute toxic effect）是指外源化学物一次性、较大剂量暴露对机体产生的损害作用，如短时间吸入高浓度苯蒸气所致的急性苯中毒等。慢性毒作用（chronic toxic effect）是指某些外源化学物多次、长期、反复多次暴露对机体产生的损害作用，如慢性镉中毒所致的肾小管重吸收功能障碍等。
5.一般或特殊毒作用
一般毒作用（general toxic effect）指外源化学物暴露对机体产生的、经常性的、传统概念意义上的损害作用。如多数毒物引发的各类靶器官毒效应等。特殊毒作用（special toxic effect）是指某些外源化学物暴露引起机体出现的突变、肿瘤、畸胎等特殊的损害作用。如砷化物致肺癌等。
6.超敏反应
超敏反应（hypersensitivity）指机体对外源化学物产生的一种病理性免疫反应。引起这种过敏性反应的外源化学物称为过敏原，过敏原可以是完全抗原或者是半抗原。许多外源化学物作为一种半抗原，进入机体后，首先与内源性蛋白质结合形成抗原，然后再进一步激发抗体产生。当再次与该外源化学物接触后，即可引发抗原抗体反应，产生典型的超敏反应。超敏反应可分为I～IV型。其中，I型超敏反应也称为变态反应（allergic reaction）。如青霉素引起的过敏性休克等。变态反应是一种有害反应，没有典型的S型剂量－反应关系，但对特定的个体来说，变态反应与剂量有关。例如一个对花粉过敏的人，其过敏反应强度与空气中花粉浓度有关。
7.特异体质反应
特异体质反应（idiosyncratic reaction）指机体对外源化学物的一种遗传性异常反应（过强或者过弱的反应），其原因主要是由于基因多态性导致。例如，病人接受一个标准治疗剂量的肌肉松弛剂琥珀酰胆碱，一般情况下引起的肌肉松弛时间较短，因为它能迅速被血清胆碱酯酶分解。但有些患者缺乏这种酶，可出现较长时间肌肉松弛，以致呼吸暂停。又如，体内缺乏NADH高铁血红蛋白还原酶的人，对亚硝酸盐及其他能引起高铁血红蛋白症的外源化学物异常敏感。
一种外源化学物的毒效应可能涉及上述几种分类。例如，强酸可引起皮肤局部毒效应，并且是即刻效应，但早期可逆。长期低水平氯乙烯暴露可引起肝血管肉瘤，但一次高剂量暴露可产生麻醉和肝毒效应。青霉素对某些个体引起的变态反应是间接效应，有时是立即的全身毒效应，而该效应可能是可逆的。
（三）靶器官
靶器官（target organ）是指外源化学物进入机体后直接或主要损害的器官。如甲基汞的靶器官是脑，镉的靶器官是肾，锰的靶器官是基底节。毒作用强弱，主要取决于该物质在靶器官中的浓度，但浓度最高的器官不一定是靶器官，例如铅蓄积在骨中，但铅中毒主要表现为造血系统、神经系统等毒效应。DDT在脂肪的浓度最高，但对脂肪组织没有毒效应，其常见靶器官有神经系统、血液和造血系统以及肝、肾、肺等。
许多化学物质有特定的靶器官，另有一些化学物质则作用于几个靶器官，这在化学结构与理化性质近似的同系物或同类物中更为多见。另外，在同一靶器官产生相同毒效应的化学物质，其作用机制可能不同。某特定器官成为毒物靶器官的可能原因有：①器官的血液供应；②特定的酶或生化途径；③器官功能和解剖位置；④对特异性损伤的易感性；⑤对损伤的修复能力；⑥有特殊的摄入系统；⑦代谢毒物的能力和活化/解毒系统平衡；⑧毒物与特殊生物大分子结合等。
（四）生物标志
生物标志（biomarker）又称生物标志物或生物学标记，是指能反映已被机体吸收的外源化学物或其生物学后果的各类测定指标，可分为暴露生物标志、效应生物标志和易感性生物标志。通过动物体内试验和体外试验研究生物标志并推广到人体和人群研究，已经成为外源化学物对人体健康影响研究的重要内容。在剂量－反应（效应）关系研究中，暴露剂量指标和反应（效应）指标的选择尤为关键，在这个过程中生物标志的研究与应用具重要价值。
1.暴露生物标志（biomarker of exposure）
暴露生物标志指测定的组织、体液或排泄物中吸收的外源化学物、其代谢物或与内源性物质的反应产物的含量，且其可作为吸收剂量或靶剂量，可提供关于暴露于外源化学物信息的指标。
暴露生物标志分为体内剂量标志和生物效应剂量标志。前者反映机体特定化学物质及其代谢物含量（内剂量或靶剂量），如检测人体某些生物材料如血液、尿液、头发中的铅、汞、镉等重金属含量可以准确判断机体暴露水平。后者反映化学物及其代谢物与某些组织细胞或靶分子相互作用形成的反应产物含量，如苯并（a）芘与DNA结合形成加合物。加合物的形成往往预示着毒效应起始，而加合物的数量则决定了毒效应强度，生物效应剂量标志的使用有助于准确建立剂量－反应关系。
2.效应生物标志（biomarker of effect）
效应生物标志指可测出的机体生化、生理、行为等异常或病理组织学方面的改变的指标，可反映关联不同靶剂量的有害效应信息，包含反映早期生物效应标志、结构和/或功能改变效应生物标志及疾病效应生物标志。早期生物效应标志反映外源化学物与组织细胞作用产生的分子水平改变，如DNA损伤等。结构和/或功能改变效应生物标志反映外源化学物引起的组织器官功能紊乱或形态学改变，如铅致卟啉代谢紊乱是铅中毒重要和早期的变化之一，表现为血液和尿中δ－氨基－γ－酮戊酸（ALA）以及血液中游离原卟啉（FEP）、锌原卟啉（ZPP）增多。疾病效应生物标志反映外源化学物使机体出现亚临床或临床表现，可用于疾病筛选与诊断，如血清甲胎蛋白可能与肝癌有关。效应生物标志可提供人体暴露与疾病的联系，有助于确定剂量－反应关系。
3.易感性生物标志（biomarker of susceptibility）
易感性生物标志指反映机体对外源化学物毒效应敏感性的指标，即反映机体先天具有或后天获得的对接触外源性物质产生反应能力的指标。由于易感性的不同，性质与剂量相同的化学物在不同个体中引起的毒效应通常有很大差异，这是多种因素综合作用的结果，其中遗传因素十分重要。毒物代谢酶的多态性直接影响化学物在体内的结局和与生物大分子相互作用的活性，与某些疾病的高发有关。易感性标志可鉴定易感个体和易感人群，应在风险评估和管理中予以充分的考虑。
四、毒作用模式和有害结局通路
随着现代分析技术的发展和生物信息学应用的推广，特别是基因组学、蛋白组学、代谢组学和细胞组学为代表的系统生物学的建立和快速发展，需要对现有毒理学评价方法的有效性进行重新评估。传统的毒性测试方法费力、费时、成本高、外推不确定性大，面临着严峻挑战，因此亟须更新毒理学理念和方法，建立新的毒理学危险度评价体系。目前毒理学研究与安全性评价面临巨大的挑战和发展机遇，欧美等发达国家已开展新的毒理学安全评价策略研究，美国EPA委托国家研究委员会（National Research Council，NRC）于2007年提出了“21世纪毒性测试远景与策略”的报告，该报告提出应用毒理基因组学、生物信息学、系统生物学和计算机毒理学等先进技术，将毒性测试方法的重心从整体动物的系统测试转向用细胞、细胞系或细胞成分（人源性细胞）来评估生物过程变化的体外测试，简称为“21世纪毒性测试策略”（toxicity testing in the 21st century，TT21C），其目的是形成以人体生物学为基础的、涵盖广泛剂量范围、高通量低成本的体外测试方法，重点开展基于毒性通路和靶向测试以及剂量－反应关系与外推模型为核心的毒性测试，以达到以下三个目的：①增加可测试化学品数量；②降低评价费用；③提高人类暴露环境化学物危险性评价能力，最终实现毒物毒效应的预测。
（一）毒性通路
毒性通路（toxicity pathway）是指基于化学物在体内组织暴露达到一定浓度，干扰生物信号通路，当这种扰动达到一定程度时，产生不良效应甚至死亡，这种被干扰的生物信号通路被称为毒性通路。毒性通路强调的是在细胞水平化学物暴露到基因表达的一系列精确的分子事件，基于毒性通路的危险度评价强调在体外细胞水平进行低剂量试验，在广泛的剂量范围内进行多条信号通路检测。NRC在2000年就列举了细胞内和细胞间17条与发育相关的信号通路，用于评价生殖和发育毒性。此外，还有许多重要的信号通路涉及炎症、氧化应激和癌症等，目前，DNA损伤修复的信号通路已得到充分研究。
分子始发事件（molecular initiating event，MIE）是指在体内外源化学物－生物分子相互作用启动通路扰动的初始点，并通过该通路引起一系列的关键事件，并与有害结局相关联。MIE对识别导致最终有害结局相关的级联是重要的。MIE以化学物或其代谢物共价结合到蛋白质和/或DNA，与受体结合或酶结合通常是基于非共价相互作用，更具有选择性。对MIE的理解可确定化学物导致的扰动的性质。一种化学物在不同靶部位的靶分子可能不同。
（二）毒作用模式和有害结局通路
新的毒性测试方案核心是人源性细胞的毒性通路体外测试。应用人源性细胞可避免种属外推的不确定性，干细胞技术的发展已可提供各种组织类型的人源性细胞。基因组技术带来的生物技术革命促进了毒理学技术的发展，推动了高通量筛选工具的开发，使开展化学物作用的靶分子与靶细胞的大规模研究成为可能。
TT21C策略强调需要建立发展最大限度地应用已有知识的评价方法、有效靶向寻找关键的新知识，减少依赖于高资源强度的测试手段。为了实现新的危险度评定模式，要求构建一个新的工作框架，在此框架下整合从生物不同结构层次所获得的数据与知识，以有利于风险评估人员开展危险度评定。基于此，发展了毒作用模式（mode of action，MOA）和有害结局通路（adverse outcome pathway，AOP）的概念。
MOA指以化学物与生物分子交互作用开始的，证据权重支持的可能导致毒性有关终点的一组事件。可测定的作用模式不同于作用机制，后者意味着对毒作用分子基础的更详细的了解。AOP指的是一个概念框架，用以描述已有的关于一个直接的分子始发事件（如外源化合物与特定生物大分子的相互作用）与在生物不同组织结构层次（如细胞、器官、机体、群体）所出现的与危险度评定相关的“有害结局”之间的联系。