第二节 剂量和剂量－反应关系

一、剂量和暴露特征

（一）剂量

剂量（dose）为决定外源化学物对机体损害作用的重要因素。其概念较为广泛，主要指外源化学物与机体接触、被机体吸收或直接导致机体损害的量。剂量的指标主要包括以下几种。

1.暴露剂量

暴露剂量（exposure dose）是指与机体实际接触的量或环境中机体接触毒物的总量，也称为接触剂量或外剂量（external dose）。

给予剂量（administered dose）是指机体摄入、吸入或应用于皮肤的外源化学物的量，又称潜在剂量（potential dose）。如饮用水中或灌胃液中毒物浓度、染毒柜空气中毒物浓度或涂抹皮肤的毒物浓度等。

应用剂量（applied dose）是指直接与机体的吸收部位接触、可供吸收的量。如肺泡气中毒物浓度、胃内毒物浓度或皮肤上毒物的量等。

2.吸收剂量

吸收剂量（absorbed dose）是指已被机体吸收进入血液到达体内的量，又称内剂量（internal dose）。如血液、尿中毒物或其活性代谢物的浓度或量就是常用的吸收剂量指标。

3.生物有效剂量

生物有效剂量（biologically effective dose）是指被吸收且到达毒作用器官组织产生毒作用的剂量，又称靶剂量（target dose）。

（二）暴露特征

外源化学物或其代谢物到达生物体内的作用部位，浓度和持续时间达到一定程度时可以产生毒效应。暴露特征是决定外源化学物对机体损害作用的重要因素。暴露特征包括暴露途径、暴露期限和暴露频率。

在毒理学中，机体最常见的暴露途径有经消化道、呼吸道、皮肤，以及其他途径，如静脉注射、肌肉注射、腹腔注射、皮下注射、皮内注射等各种注射途径。毒物产生最快速最大效应的暴露途径是直接进入血液（静脉注射），但食品毒理学中主要的暴露途径是经口。

暴露期限同样影响外源化学物对机体毒作用的性质及程度。在毒理学中按照与外源化学物接触时间的长短，把暴露（染毒）期限分成四类：急性、亚急性、亚慢性和慢性毒性。急性毒性试验指24h内一次或多次染毒；亚急性试验指不超过一个月的重复染毒；亚慢性毒性试验一般指1～3个月的重复染毒；慢性毒性试验指3个月以上的重复染毒。短期重复剂量试验、亚慢性毒性试验和慢性毒性试验统称为重复染毒试验。

另一个与时间有关的因素是暴露频率，内剂量与接触频率有关。对慢性毒性来说，有些毒物如化学致癌物一次接触也可引起肿瘤，但多数致癌物是多次小剂量接触更容易致癌，如亚硝胺类致癌物。多次接触产生相对较大的总剂量，也可能使损害作用连续，出现累积效应。食品通常是长期甚至终生接触，所以对食品中化学物的安全性评价应着重考虑多次、长期甚至终生接触。

二、剂量－反应关系和量反应、质反应

在毒理学研究中，根据所测定的有害作用的生物学和统计学的特点，将终点分为效应和反应两类。

（一）量反应

量反应（gradual response）表示暴露一定剂量外源化学物后所引起的一个生物个体、器官或组织的生物学改变，也称为效应（effect）。此种变化的程度用计量单位来表示。如某种有机磷化合物可使血液中胆碱酯酶的活力降低，四氯化碳能引起血清中谷丙转氨酶的活力增高，苯可使血液中白细胞计数减少等。

在游离器官/组织和完整动物均可观察到效应。但在游离器官/组织中效应的分析和描述远比在完整动物中简单，这是因为游离器官/组织不存在多种整体调节系统和机制，如在整体动物的神经和内分泌调节及转运机制等。所以，在毒理学研究中，研究在人、动物或其他整体生物中毒物暴露实际上发生的效应尤其重要，很多类型的效应只能在整体条件下被观察到，如生长速率（体重）、器官重量改变、血压和葡萄糖水平上升或下降等。

不同的化学物有不同的毒效应，即便是同一外源化学物，在不同动物机体条件下，其所致效应不同，效应类型也不同。如药物反应停是强烈的人类致畸物，但在大、小鼠中则不然。

（二）质反应

质反应（quantal response）指在暴露某一化学物的群体中，出现某种效应的个体在群体中所占比率，也称为反应（response），一般以百分率或比值表示，如患病率、死亡率、肿瘤发生率等。其观察结果只能以“有”或“无”“异常”或“正常”等计数资料来表示。

（三）剂量－反应（效应）关系

剂量－反应（效应）关系（dose－response/effect relationship）是毒理学研究中十分重要的概念，即随着外源化学物的剂量增加，对机体的毒效应的程度增加，或出现某种效应的个体在群体中所占比例增加。若以剂量为横坐标，以引起的生物作用发生率或作用强度为纵坐标，则可获得相应的剂量－反应关系或剂量－效应关系曲线。

三、剂量－效应曲线和剂量－反应曲线

剂量－效应关系和剂量－反应关系都可以用曲线来表示。以剂量为横坐标，以表示效应强度的计量单位或者以表示反应的百分率或比值为纵坐标，绘制散点图，可得到剂量－效应/反应曲线。剂量－反应曲线反映了机体对外源化学物毒作用易感性的分布。不同的外源化学物在不同的条件下，引起的效应类型不同，这主要是剂量与量反应或质反应的相关关系不一致，因此，在用曲线进行描述时可呈现不同类型的曲线。剂量－反应/效应曲线可以有直线型、抛物线型或S型曲线等。

（一）直线型

直线型即外源化学物剂量的变化与反应/效应的强度或反应率的改变成正比，即随着剂量的增加，反应的强度也随着增加。此种曲线关系较少，仅在某些体外试验中，在一定剂量范围内可能见到。

（二）抛物线型

抛物线型常见于剂量－效应关系，即随着剂量的增加，反应的强度也增高，且最初增高急速，随后变得缓慢，以致曲线先陡峭后平缓，而呈抛物线型。将剂量换算为对数，抛物线即可转变为一条直线。

（三）S型曲线

S型即剂量－反应关系曲线的基本类型是S型曲线，该曲线可以反映出实验动物或人的个体差异，少数个体特别敏感或不敏感，整个群体的易感性呈正态分布。S型曲线特点是在低剂量范围内，随剂量增加反应缓慢增加，然后剂量增加时，反应也随之急速增加，但当剂量继续增加时，反应强度增加又趋于缓慢。曲线开始平缓，继之陡峭，然后又趋于平缓，呈S型。实际上，更常见的剂量－反应关系曲线是非对称型S型曲线，该曲线两端不对称，一端较长，另一端较短，非对称型S型曲线反映出个体对外源化学物毒效应易感性呈偏态分布。

四、时间－反应关系

时间－反应关系（time－response relationship）反映某一固定暴露剂量条件下，毒效应发生的时间过程。在毒理学中，时间－反应关系涉及很多方面。

（一）潜伏期

潜伏期是指单次剂量或短期暴露致癌物质后出现第一个临床表现（如肿瘤）需要的时间。暴露至效应出现的时间间隔（潜伏期）长短取决于暴露剂量。有时潜伏期可达几十年。

（二）效应持续时间

效应持续时间仅用于停止暴露后可逆的效应。如果靶器官中化学物或其活性代谢物的浓度超过最小有效浓度（Ceff）即可发生效应，低于Ceff后效应即消失。

（三）延迟效应

一些外源化学物的效应只有在长期暴露后才出现，这不是因为物质需要在生物体中蓄积，而是由于在毒效应出现前必须有效应蓄积。

（四）暴露时间和浓度

外源化学物引起某种毒效应所需的暴露时间和暴露浓度有一定的关系。其对呼吸毒理学的研究具有重要意义，如在吸入染毒时，如果暴露浓度（c）固定，吸收的量将与暴露浓度和暴露时间（t）成比例，累积的剂量与c·t成比例。符合Haber提出的c·t＝k关系式，影响效应出现的因素包括吸收速度、酶的代谢活化等。

五、低剂量兴奋效应

自20世纪90年代以来，毒物低剂量兴奋效应，即毒物兴奋效应（hormesis）问题引起毒理学界的再次关注，认为剂量－反应关系既非阈值模型，也非线性模型，通常毒物兴奋性剂量－反应关系曲线被称为“U型”或“J型”曲线，即在低剂量条件下表现为适当的刺激（兴奋）反应，而在较高或高剂量条件下表现为抑制作用。由于所检测的效应终点不同，毒物兴奋性的剂量－反应关系可以是“U型”或“J型”或“倒U型”或“倒J型”。如观察的效应终点为生长情况（如多种有毒金属、除草剂和射线在低剂量条件下对植物生长状况的影响）或存活情况（如γ射线在低剂量条件下对啮齿动物寿命的影响）时，可见到倒“U型”；而效应终点为发病率（如突变、畸变、癌症）的研究中，可见到“J型”。有些环境内分泌干扰物（如壬基酚、镉等）在低剂量时表现为拟激素样作用，而随着剂量的增大则主要表现为各种不同程度的中毒（抑制）效应，可见到“倒J型”。

目前，有关毒物兴奋效应的作用机制尚不清楚，已有几种假设：①为抵抗外来刺激，机体产生的应激调节机制，当机体在维持动态平衡时应激过度就会出现兴奋效应；②酶或受体结合位点的饱和，使得不同剂量的同一物质表现出完全不同的效应；③必需微量元素以及氟和砷等物质本身就有多种作用方式，其具体效应取决于剂量。大多数学者认为第一种假设较为合理，可以揭示毒物兴奋效应的普遍性和非特异性，但仍不能从生理学和病理生理学上阐明这种反应机制。