第二节 暴露因素

化学物的暴露特征是影响毒作用大小的又一关键因素。暴露剂量、暴露途径、暴露持续时间与频率、交叉暴露与溶剂，联合作用都可影响化学物对机体所产生的效应。

一、暴露剂量

影响化学物毒性最重要的因素是剂量，包括暴露剂量、内剂量和靶剂量。任何物质在一定剂量下都可能是有毒的，相反，毒性作用很强的物质在极低剂量下也可能是无毒的甚至是机体必需的。水为生命之源，一般是不会出现任何急性和慢性毒性作用的，但一次性摄入大量的水可导致细胞和组织水肿，产生明显甚至致命的毒作用。氟化钠是一种急性毒性很强的物质，其LD₅₀为35mg/kg，但微量氟化钠对机体健康很重要。1～2mg/d的氟化钠能促进牙齿健康，3～4mg/d氟化钠则能导致氟斑牙，更大剂量的氟可以导致氟中毒，表现为氟骨症。纯品维生素D经口急性毒性作用很强，LD₅₀为10mg/kg（或40万IU/kg），但机体需要10pg/d（400IU）维生素D以维持健康，维生素D缺乏还可以导致佝偻病，严重缺乏甚至可以引起死亡。

还有研究发现，化学物的稀释浓度对毒作用也有一定的影响。同样剂量的化学物，低浓度经口摄入比高浓度摄入产生更大的毒作用。因为低浓度溶液吸收更迅速，分布到靶器官也越快。但如果该物质具有刺激性或腐蚀性，高浓度的毒性作用更大。

内剂量指已被机体吸收进入血液的量，靶剂量是吸收且到达靶器官产生毒作用的剂量。暴露剂量越大，内剂量和靶剂量也越大，毒性作用也越强。凡影响生物转运和生物转化的因素都能影响化学物的毒作用。

二、暴露途径

大部分化学物通过不同途径进入机体所产生的毒性是不同的。如维生素D急性经口毒作用很强，但急性经皮基本无毒。水经口摄入通常情况下无毒，但经静脉注射能导致红细胞破裂而出现毒性，吸入水可以导致溺亡。

机体对化学物的吸收速度和吸收率可因暴露途径不同而不同，进而表现出不同程度的毒效应。化学物经静脉注射可直接进入血流，从而引起最大的效应和最迅速的反应。一般认为，化学物暴露途径的吸收速度和毒性大小的顺序从高至低依次为静脉注射、吸入、腹腔注射、肌内注射、皮下注射、皮内注射、经口、经皮。但也有例外，如硝酸盐经口染毒后可在胃肠道中还原为亚硝酸盐，从而引起高铁血红蛋白血症，而静脉注射则无此毒作用。

化学物经口染毒，一般先通过肝门静脉进入肝脏，然后再进入体循环分布身体各部位。首过消除即是指化学物在胃肠道吸收后经门静脉系统到达肝脏而被代谢。肝脏是外源化学物代谢的主要场所，在肝中的代谢结果可能是活化增毒，也可能是解毒，因此，假定某化学物经口、经皮和吸入后的吸收量是相同的，那么经肝脏代谢增毒的化学物经口毒性将比经皮和吸入的毒性要高。

通过比较化学物不同暴露途径的急性毒性参数，可推测其经不同途径的吸收程度。如经口或经皮LD₅₀与静脉注射LD₅₀相似时，可推测该化学物容易快速吸收；若经皮LD₅₀远高于经口LD₅₀，则提示该化学物不易经皮吸收。

三、暴露持续时间与频率

化学物的毒作用依据暴露持续时间不同可分为急性毒性作用、亚急性毒性作用、亚慢性毒性作用和慢性毒性作用。急性毒性的暴露和慢性毒性的暴露是两种极端的暴露，所引起的症状通常彼此并无联系。如铅中毒的急性毒性主要体现在胃肠道反应，而慢性暴露可导致血液毒性、神经系统和肌肉损伤。无机砷的急性中毒症状主要是胃肠道反应、呕吐和频繁腹泻，而慢性中毒主要是皮肤病变、肝脏、周围神经毒性和血液毒性。苯的急性毒性为中枢神经系统抑制，慢性暴露可导致骨髓毒性。急性和慢性毒性之间不仅表现的症状无相互关系，两者之间的毒性效力也不同。急性毒性高的化学物不一定具有高度的慢性毒性，反之亦然。

一定剂量的外源化学物，一次性全部给予时，可能会引起严重中毒，若分几次给予，可能只引起轻微毒作用，甚至不引起毒作用，主要取决于两次染毒间隔时间、该外源化学物排出速率和已造成损伤的修复能力。任何重复染毒，毒作用的产生可能完全依赖于染毒的频率和剂量而非染毒的持续时间。如果化学物暴露频率间隔时间短于其生物半衰期（t_1/2），则可产生蓄积作用，可引起严重的毒作用。图6－3显示了暴露频率、t_1/2和靶剂量之间的关系。曲线B所示的化学物t_1/2和暴露间隔时间相同，该类物质即使单剂量暴露出现毒作用，但相同的总剂量分次暴露则低于靶部位产生毒效应浓度，可表现为无毒性；而曲线A所示的化学物t_1/2远大于暴露间隔时间，小于总剂量的分次暴露即可达到毒效应浓度而表现出毒性；化学物C的t_1/2远小于暴露间隔时间，分次暴露不会达到毒效应浓度。当然，即使化学物无物质蓄积，但每次暴露仍可能造成功能蓄积，此时在暴露间隔时间内机体是否能有效的进行细胞损伤修复对影响化学物的毒性就尤为重要。

四、交叉暴露与溶剂

（一）交叉暴露

在实际生活中，一种化学物进入机体的途径可能不仅仅局限于某一种途径，而更多的是交叉暴露。如经皮暴露的化学物，可通过未彻底清洗接触过化学物的手而产生经口交叉暴露。再如滞留在鼻咽部的经呼吸道吸入的化学物，可随着鼻咽部的黏液经口进入机体。因此，上述的某一特定的暴露途径应理解为主要暴露途径而不是唯一暴露途径。

（二）溶剂

溶剂通过改变化学物的吸收影响毒作用。如以油作为溶剂的DDT溶液对大鼠经口LD₅₀为150mg/kg，而以水作为溶剂的大鼠经口LD₅₀为500mg/kg，提示油能促进DDT的吸收。有些溶剂如二甲基亚砜、丙酮和乙醇可以进入细胞膜脂质双分子层，改变细胞膜亲脂性从而增加化学物的吸收。甚至一些大分子化学物如筒箭毒碱，在丙酮或二甲基亚砜（DMSO）作用下能迅速经小鼠尾部皮肤吸收。

溶剂还可能通过与化学物发生化学反应而影响其毒性。比如，以吐温－80和丙二醇作溶剂，测定二溴磷和敌敌畏的急性毒作用，结果显示两种物质以丙二醇为溶剂时毒作用均高于前者。究其原因，是由于丙二醇的烷氧基可与该两种毒物的甲氧基发生置换，形成毒性更高的产物。因此，原则上，受试物所选择的溶剂应该无毒，与受试物无反应，制成的溶液稳定。

五、化学物的联合作用

在生产和生活环境中，人类往往同时或先后暴露于来自多种环境介质中的不同化学物，多种外源化学物作用于机体导致的生物学效应十分复杂。联合作用（joint action）即是指两种或两种以上的化学物同时或先后作用于生物体所引起的毒作用。

（一）联合作用的类型

一种化学物的毒性能受到同时或连续暴露于机体的其他多种化合物的影响。化学物联合作用有四种主要类型，分别是相加作用、协同作用、增强作用和拮抗作用。

1.相加作用

两种或两种以上化学物对机体的毒作用靶相同，其对机体产生的综合效应等于各个化学物单独对机体所产生效应的总和。例如，大多数有机磷化学物对胆碱酯酶活性的联合作用就属于相加作用。

2.协同作用

两种或两种以上化学物的综合效应远远大于单独的化学物的效应总和。协同作用可以比作2加2大于4而不是等于4。例如，石棉和吸烟对肺的影响属于协同作用。有石棉接触史的工人肺癌发病率比正常人群高5倍，吸烟者肺癌发病率比正常人群高11倍，而石棉工人中吸烟者的发病率比正常人群高55倍。

3.增强作用

一种化学物对某特定器官或系统无毒性，但可使另一种化学品的毒性增强，可以比作0加2大于2。例如，异丙醇本身没有肝毒性，但是当它和四氯化碳共同作用时，四氯化碳的肝毒性远远大于单独给予时的毒性。同样，三氯乙烯对肝脏无毒作用，但能增加四氯化碳的肝毒性。

4.拮抗作用

两种或两种以上化学物同时作用于机体，其联合毒性作用低于各个化学物单独毒作用的总和。拮抗作用可以比作2加2小于4。拮抗作用又包括化学拮抗、功能拮抗、竞争性拮抗和非竞争性拮抗。

（1）化学性拮抗 指两种化学物发生反应生成新的毒性较低的化学物。例如，金属离子的螯合剂二巯基丙醇和二巯基丁二酸钠都可与砷、汞、铅等金属离子络合，从而降低这些金属离子的毒性，抗毒素拮抗各种动物的毒素。

（2）功能性拮抗 两种化学物共同作用时对同种生理功能产生相反的效应而达到平衡。例如，静脉注射升压剂去甲肾上腺素或间羟胺能有效拮抗巴比妥酸盐中毒时血压的显著下降。

（3）竞争性拮抗 当两种化学物在体内与同一受体结合时，产生竞争性拮抗，如烯丙羟吗啡酮（naloxone）用于解除吗啡和其他吗啡样麻醉剂对呼吸的抑制作用，神经节阻断剂阻断尼古丁对神经节的影响。

（4）非竞争性拮抗 当联合作用的化学物不作用于同一受体时，则产生非竞争性拮抗。例如，有机磷农药通过抑制胆碱酯酶（AChE）产生毒效应，治疗有机磷农药中毒的阿托品，并非作用于AChE受体，而是阻滞胆碱能神经支配的效应细胞的M胆碱受体。

（5）配置性拮抗 一种化学物影响另一种化学物的生物转运和生物转化，使之较少到达靶器官或在靶器官中作用时间缩短，如活性炭吸附胃肠道中的化学物减少其吸收；代谢酶诱导剂诱导解毒酶或抑制剂抑制活化酶；又如利尿药加快血液中化学物的排泄。

（二）联合作用的机制

联合作用机制多种多样，主要体现在一种化学物对另一种化学物的毒代动力学和毒效动力学的影响。毒效动力学水平的变化主要影响化学物对靶部位的结合位点和信号通路，最典型的例子就是拮抗剂通过与受体竞争性地结合来阻断激动剂如神经递质或激素的作用。毒代动力学变化影响机体的生物转运和生物转化过程，从而影响化学物的剂量－效应关系。例如丙磺舒能减少青霉素经尿液的排泄从而延长药物作用时间。目前研究的最多的是通过干扰代谢过程的增强和拮抗作用机制。

外源化学物的协同或拮抗作用最好理解的机制就是一种化学物的新陈代谢被另一种物质干扰。如苯巴比妥、3－甲基胆蒽、多氯联苯（PCB）、DDT、苯并（a）芘均是外源化合物代谢酶诱导剂，可以增强酶的活性，协同和拮抗作用就好比硬币的两面。如果某化学物经过代谢活化成毒性更强的产物，上述酶诱导剂就能促进代谢活化物过程，从而增强该化学物的毒性，即为协同作用。如果某化学物经过代谢毒性降低，酶的诱导就能加速该化学物的代谢解毒，从而降低该化学物的毒性，此即为拮抗。

（三）联合作用的评定

国内外尚未形成化学物联合作用统一评价体系。目前用于化学物联合作用定性或定量评价的方法主要有联合作用系数法、等效应线图法、等概率和曲线法、共毒系数法、方差分析、Logistic模型、广义三阶多项式回归模型等。但每种方法均有各自的使用条件和优缺点，下面就联合作用系数法和等效应线图法进行简单介绍。

1.联合作用系数法（K法）

联合作用系数法为先求出各化合物各自的LD₅₀，在假设化学物的联合作用为相加作用的基础上，求出混合化学物联合作用下的预期LD₅₀。

式中 A、B、N——各种化合物；

a、b、n——化合物A、B、N在混合化学物中所占的质量分数。

通过动物试验测定化学物混合物的实际LD₅₀即为实测LD₅₀，混合化学物的预期LD₅₀与混合化学物的实测LD₅₀的比值即为K值。

通过分析K值的大小可以初步判定联合作用的类型。评定联合作用的K值有Smyth法和Keplinger法。如果各化学物呈现相加作用，则K值理论上应该等于1。但是由于LD₅₀本身会有一定波动，所以K值也会有一定范围的波动。采用Keplinger法，一般认为K值在0.57～1.75为相加作用，K＜0.57为拮抗作用，K＞1.75为协同作用。

2.等效应线图法

等效应线图法原理为在同种试验动物和相同接触途径下分别求出两种混合化学物（化学物A和化学物B）的LD₅₀及其95%可信限，然后以纵坐标表示化学物A的剂量范围，以横坐标表示化学物B的剂量范围，分别将两种化合物在纵坐标与横坐标上的LD₅₀值及95%可信限的上下限值连成三条直线即为等效应线。再求出两个混合化学物的实测LD₅₀值，若实测LD₅₀正好落在两个化合物95%可信限的上下两条线之间，表示相加作用；如交点落到95%可信限下限以下，表示为协同作用；如若交点落到95%可信限上限直线之外，表示为拮抗作用。等效应线图法简单直观、但只适用于评定两个化学物的联合作用（图6－4）。