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毒理学的挑战、机遇和发展

    摘要  本文认为当前毒理学主要来自新产品数量的激增、毒理学自身的难题和新型产品的安全性评价三方面的挑战。但从促进学科发展的两个基本要素即社会需求和新理论、新技术的支持而言，由于生命科学正处于一次新革命的大背景，新理论、新技术和新方法不断涌现，为毒理学的发展提供了强有力的支持，因而毒理学正处于前所未有的发展机遇。毒理学未来的发展将以毒理基因组学为先导，呈现以下几个发展趋势，即由被动毒理学向主动毒理学、由高剂量测试向低剂量测试、由单一性模型向特征性模型、由低通量测试向高通量测试、由单一用途向多用途、多领域发展。
    近几年来，有关21世纪毒理学面临的挑战和未来的发展趋势一直受到人们的关注，如2001年召开的国际毒理学大会（ICT-Ⅸ）将此作为会议的主题。对此问题仁者见仁，智者见智。有人认为毒理学将迎来大发展的新时代，也有人认为毒理学的发展不容乐观。但不管如何看，进一步明确毒理学面临的挑战、弄清其社会需求、准确把握发展趋势、抓住机遇，对发展我国的毒理学无疑是非常重要的。为此，笔者谈一点个人的看法。
一、毒理学面临的挑战
毒理学当前面临的挑战可以说有很多，有来自社会的、其他学科的、毒理学自身的，在我国还有毒理学人才流失、研究经费严重不足等，就毒理学自身而言可能主要来自以下三方面。
1．如何应对成千上万的新化学物   由于组合化学(combinational chemisty)、计算机辅助药物设计(computer-aided drug design)、逻辑药物发现(rational drug discovery)、 代谢工程(metabolic engineering)的快速发展带来新化学品和生物产品的革命，使新产品数量的激增。如组合化学与传统化学合成方法比较，用时、用人大大减少，合成化学物数量大大增加（见表1）。在组合化学和与之相匹配的化合物库(chemical library)发展的同时，药物有效成分的高通量筛选技术和方法也应运而生。
                                表1   组合化学与传统化学合成方法的比较                   

基因工程经历了20世纪70年代以克隆和表达DNA重组技术的第一代基因工程,80 年代对蛋白质的结构和功能进行局部修饰的第二代基因工程,90年代以来已进入利用DNA重组技术对生物细胞内固有的代谢途径进行改造的第三代基因工程，又称代谢工程或途径工程(pathway engineering)。它可提高化学物产量，生产目标细胞本身不能合成的新化学物，改造细胞的生长速率、分泌量等生物性状。因而，随着代谢工程理论和技术的发展，生物工程产品的数量也将快速增加。
    然而，按现行毒理学安全性评价方法远远不能满足化学物快速增长的需求。据OECD估计，今后五年欧共体国家需评价的化学物数量达20万种。从药物研制开发而言，毒理学评价是除临床试验外耗时最长的、耗费最多一个环节。
2．如何解决长期困扰毒理学自身的一些难题   如何确定化学物在低剂量下的效应，如何外推种属之间的毒性效应，如何研究化学混合物的相互作用，如何确定环境和遗传因素对疾病的相对贡献率，如何预测药物的毒性效应等问题尚未得到有效解决，这在很大程度上影响了毒理学功能的发挥。
3. 如何评价一些新型产品的安全性   转基因食品和药物、生物农药和新型生物制品（单克隆抗体、DNA疫苗、重组细胞因子、基因治疗制品、反义药物、克隆组织或器官、干细胞移植等）等将为农业、医疗带来革命性的变化，有广阔的发展前景，但同时也带来安全性评价的新问题，因为这些产品无法用现行方法进行可靠的评价。同样，蛋白质诱变剂、RNA突变和微量营养物在缺乏或低于一定剂量下的遗传毒性问题在理论和方法上都还无法解决。
二、 毒理学面临前所未有的良好机遇
    挑战和机遇往往是并存的，有挑战才有机遇。一个学科要发展，主要取决于两个基本要素。一个是社会需求，社会需求是学科发展的推动力，有需求才有动力。从上述可见，毒理学无疑有庞大的社会需求。另一个是要有基础理论和技术作指导和支撑。从大背景来说，20世纪50年代由于物理学和生命科学的交叉融合，诞生了分子遗传学，极大的促进了毒理学的发展。目前，生命科学又面临着与物理学、化学、计算机学等学科交叉融合的一次新革命。有人认为这是50年一遇的良好机遇。
1.毒理学正在经历一次重要的变革   近年来，生命科学在新理论和新技术上有了突飞猛进的发展，以基因组学(genomics)、蛋白质组学(proteomics)和组合化学三个大规模科学（large-scale science）为代表的新学科不断涌现。如Functional genomics, Structural genomics, Chemical genomics, Pharmacogenomics, Cytomics, Transcriptomics, Pharmacoproteomics, Ecogenomics, Epigenomics, Methylomics, Metabolomics, Pharmacoepigenomics, Proteasomics, Pharmacomethylomics, Translational oncogenomics, Kinomics, CHOmics, Immunomics, Clinomics, Arromics, Bibliomics, Mutation research genomics，cellular genomics等，使人们对基因和基因组的认识，对生命本质的认识和认识生命、健康的手段取得了重要的进展（见图1）。其中某些学科已与毒理学产生交叉融合形成了新分支。如基因组学→毒理基因组学和环境基因组学(toxicogenomics or environmental genomics )，蛋白质组学→毒理蛋白质组学(toxicoproteomics)，代谢组学(metabonomics)→毒理代谢组学(toxicometabonomics), 生物信息学或硅上生物学(Bioinformatics, or In silico biology)→硅上毒理学(in silico toxicology)等，这些交叉分支学科已成为当前毒理学中最活跃的研究领域。可认为毒理学正在经历一次从理论到实践的重要变革。
2．新技术、新方法为毒理学的发展提供了强有力的技术支持   近年来，新技术、新方法不断涌现。如包括基因芯片或DNA微阵列(Genechip，DNAchip，DNA microarray)或芯片实验室（Lab-on-a-chip）、蛋白芯片（Proteinchip）、组织芯片（tissue microarray）、细胞芯片（cell microarray）、表型芯片(phenotype chip)等的生物芯片技术；转基因和knockout技术、报告基因技术、干细胞技术、基因或蛋白质差异表达检测技术、实时定量PCR(real -time and quantitative PCR)技术、蛋白质组技术平台、代谢组技术平台、发光技术、荧光/比色、干细胞培养技术等等。这些新技术已经在毒理学研究中得到成功应用，成为毒理学研究的重要手段，并根据这些方法或技术建立了一些新的毒性测试方法、评价模型。如毒理芯片(Toxchip, ToxBlot，U34DNA，PHASE-1 microarray，Safe-hit，Stress and toxicity-1等)、转基因突变检测模型动物(LacZ MutMouse和LacI BigBlue小鼠等)和致癌检测模型动物(如rasH2 transgenic mouse model，TgAC transgenic mouse model，p53+/- knockout mouse model，XPA +/- knockout mouse model，XPA +/- / p53+/- knockout mouse model等)、转基因细胞试验系统（将代谢酶基因转入哺乳动物细胞和细菌，如MCL细胞系表达5种主要类型的cyp450酶，可用于测试遗传毒性终点；GPTAS52哺乳动物致突变系统，包括了细菌的GPT基因，可用于测试基因突变；将N－乙酰转移酶、硝基还原酶、细胞色素p450等参与致突变物活化的基因导入细菌或酵母致突变实验菌株，构成细菌或酵母突变测试系统。特别是导入人体的代谢酶基因模拟人体的代谢情况）等。
3．新理论、新技术和新方法为毒理学发展提供良好的机遇 人体和其他生物的基因组计划、乙基亚硝基脲小鼠突变筛选计划(The ENU-Mouse Mutagenesis Science Project)、环境基因组计划等的完成或进展，细胞凋亡和细胞胀亡(oncosis)等细胞死亡模式、细胞信号转导通路、细胞周期调控和细胞分化机制等的研究进展，为毒理学的发展提供了理论指导。在已进行的所有研究中，毒作用都有直接或间接的基因改变，由于DNA的表达可作为毒性高度敏感的信息化标志物，这为解决低剂量的毒性评价提供了可能；由于基因的同源性（人的基因数为39000条，鼠仅比人少300条，约1％差异），这为从基因水平解决毒作用的种属差异提供了可能，如现正在研究的桥式生物标志物(bridging biomarker)；生物芯片技术可用于筛选毒性相关基因、揭示毒作用的基因表达谱、快速筛选毒物、筛选和检测基因多态性、检测基因突变、进行安全性评价等，从而为解决化学物的联合作用、高通量的筛选化学物、阐明毒作用机制等长期困扰毒理学的难题提供了可能。
三、毒理学未来的发展
  毒理学未来的发展将以毒理基因组学为先导，呈现以下几个发展趋势。
1.由被动毒理学向主动毒理学发展 主动毒理学或称积极毒理学(positive toxicology)，主要包括发现毒理学(discovery toxicology)、预测毒理学(predictive toxicology)和预发展毒理学(predevelopmental toxicology)等内容。其含义是毒理学家在新产品开发的全部进程中，均应发挥积极主动的指导和决策作用，而不是仅仅是在产品开发的中后期参与毒理学安全性评价。目的是在新化学物的创新早期对新化学物进行毒性筛选，及时发现和淘汰因毒性问题不适用于进一步研究开发的化学物或化学结构，或者有针对性地设计一些试验研究，解决某些重要化学物的特异性毒性问题，指导化学物合成，帮助选择先导化学物。在临床试验、田间试验或进入人类生产和生活环境前预测其对人体的可能毒性，寻找替代人体观察的指标或标志物。在临床试验或进入人类环境后参与对产品的安全性评估。其基本要求是快速和短期、化学物样本量消耗量少，并且一定要灵活、动态，根据实际情况不断地调整和完善。特点是既包括按GLP原则规范的毒性试验评价，也包括不受GLP规范约束的毒性筛选和评价，特别是在产品研发早期。手段有结构活性关系分析、短期和高通量毒性筛选、毒理学模型、相似性化学物特征性基因、蛋白质组表达谱、代谢谱等的分析，从而预测和评价化学物的毒性。
2．由高剂量测试向低剂量测试发展  以基因组表达谱、蛋白质组表达谱、代谢组谱、生物标志物等敏感、特异的毒性指标体系将替代或部分替代以死亡、组织病理学为主的传统毒性指标体系。从而阐明和评价更接近实际条件下暴露剂量对人体和其他生物的毒性效应，解决从高剂量向低剂量外推时不肯定性带来的误差。
3．实验动物由单一性模型向特征性模型发展  一是利用体内和体外技术，在整体水平、器官水平、细胞水平、亚细胞水平和分子水平层次分明地进行毒理研究（见表2）；二是利用转基因和基因敲除等技术制备的动物、细胞模型，替代或部分替代现行采用的健康动物，特别是药物毒性的评价将采用某一功能缺陷或不同程度的疾病模型。如美国科学院已启动供包括毒理等学科使用的生物医学模型计划；三是发展符合替代(replacement)、减少(reduction)、优化(refinement)、责任心或可靠性(responsibility) 4R原则的试验方法，更多地采用替代动物和替代试验。如目前已被OECD、FDA等机构正式采用的有急性经口毒性的上下移动法(UDP)、皮肤和眼刺激毒性的EpidermTM、EPISKINTM、Corrositex和小鼠局部淋巴结试验(LLNA)；正在研究的有急性系统毒性的体外方法、用体外资料估算体内急性毒性起始剂量的方法、毒代动力学的体外方法、预测器官特异性毒性的体外筛选方法、发育毒性实验方法等。

                              表2. 毒性试验和研究的模型水平

4．由低通量测试向高通量测试(high throughput testing)发展  现行毒性试验均为低通量  方法，今后将建立大量中、高通量的毒性试验方法，以满足快速、早期测试新产品的需求，目前已建立了某些细胞毒性、遗传毒性、胚胎毒性和致畸性的高通量方法。如96孔和384孔板的高通量彗星试验和利用胚胎干细胞的体外模型系统检测遗传毒性等方法。
5.由单一用途向多用途、多领域发展  目前毒理学存在的一个重要问题是功能单一，今后将进一步拓展研究领域，特别是功能基因组学、疾病基因组学、药物发现等领域（见图2）。因为现代医学研究证明,人类疾病都直接或间接地与基因有关。从这个意义上，人类所有疾病都可视为“基因病”。尽管我们已经能了解哪些放射性物质和化学物质可对DNA造成损害以及损害的程度如何，但是我们不能成功的将DNA的损伤和某种疾病基因相关联。这是因为要了解基因型和表型的细胞和分子过程需要彻底了解相关的基因及其功能，而这也正是功能基因组学的研究目标。正是由于这一点将突变研究和基因组研究两者联系在了一起。基因组工作能为突变研究提供信息资源、基因组序列和相关的技术方法，而突变则能利用这些资源来了解基因及其功能、以及核酸水平的突变如何演变成疾病。疾病的发生可能是基因结构的改变，如点突变、基因的缺失、扩增、多态性等，还包括染色体移位、大片断DNA的丢失或扩增、基因融合、基因插入等；也可能是基因表达水平的改变，如表达过量或表达量不足，因为基因表达量的变化也是有结构基础的，例如基因启动子序列的变化或调节因子的结构和表达量的变化。对人类和动物基因突变体和突变谱的研究有助于疾病分子机制的阐明。因为所有DNA都有突变的潜能，不同的基因各有独特的突变类型。运用突变检测方法分析病变和非病变组织基因、蛋白质的改变即突变基因或蛋白，有助于疾病相关基因的识别与鉴定。利用模式生物和其他学科已有成果，运用毒理学手段研究毒物与致病基因或易感基因的相互关系。在人群中开展环境诱变因素与致病基因或易感基因(包括其标志物)突变相关性的研究。通过这些研究将毒理学与功能基因组学和疾病基因组学联系起来，从而为疾病的诊断预防提供依据，为新药发现提供药物作用靶。同样，利用单核苷酸多态性等分析技术开展毒理遗传学研究，为个体化治疗和预防提供依据。
    综上所述，毒理学面临来自社会、自身理论和方法不能适应发展需求的严峻挑战，必需在理论和方法上进行创新。同时我们也有理由相信毒理学正面临重要的发展机遇，社会的需求作为毒理学发展的推动力，物理、化学、计算机、其他生命科学等基础学科的发展为毒理学提供理论和技术支撑的有利条件下，我们应树立信心，积极主动地应对挑战，抓住机遇，制订正确的发展战略，齐心协力，积极创新，加快发展步伐，一定能够使我国毒理学取得的快速的发展，更好地发挥其在保护人体健康和生态平衡中的应有作用。