—毒物兴奋性剂量-反应关系及其对毒理学发展的影响
戴宇飞, 郑玉新 编译 (中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050)
摘要:剂量-反应关系是毒理学的重要概念,一直用于对化学品、药物、物理等有害因素进行毒性预测和外推,公共卫生管理部门以此为基础进行有害因素的危险度评价,并制定相应的管理法规和控制措施。最近毒理学界提出了一种新的剂量2反应关系模型,即毒物兴奋效应模型,对过去公认的阈值模型和线性非阈值模型提出了挑战。本文对毒物兴奋效应模型的概念及其在环境、医学、公共卫生领域产生的影响及引起的讨论作一介绍。
16 世纪著名的医学家Paracelsus 有一段关于毒理学的论述:所有的物质都是有毒的,只是依剂量的不同区分为毒物或药物……。他在这里明确提出了物质剂量的概念,奠定了现代毒理学的基础,至此毒理学开始了对剂量-反应关系的研究。剂量-反应关系是指不同剂量的外源化学物与其引起的质效应发生率之间的关系。可用曲线表示,即以表示反应的百分率或比值为纵坐标,以剂量为横坐标,绘制散点图所得到的曲线。传统的用于对化学物进行危险度评价的基本模型有两种,一种是用于对非致癌性物质进行危险度评价的阈值模型(图1a ) ,另一种是用于对极低剂量致癌性物质危险度进行外推的线性非阈值模型(图1b ) 。最近Calabrese和Baldwin在《自然》杂志上发表的一篇文章,对我们一直遵循的毒理学中剂量2反应关系模型提出了质疑,他们认为管理部门所应用的毒性预测方法是基于一种有错误的模型之上,并尖锐地指出这种模型的建立是毒理学界在十九世纪二三十年代犯的一个历史性错误。在这篇文章中作者还提出了一种新的毒性预测模式。由于剂量-反应关系在过去一直用于对化学品、药物、物理等有害因素进行毒性预测和外推,公共卫生管理部门以此为基础制定相应的管理法规和控制措施,因此论文作者这个观点的提出在环境、医学、公共卫生领域引起了广泛的关注和讨论。本文就这篇文章的主要观点以及由此而引发的一些讨论作一介绍。
1 毒物兴奋效应模型的提出
1. 1 毒物兴奋性剂量-反应关系的概念
Calabrese 认为剂量-反应关系既非阈值模型,又非线性模型,其基本形式应该是U型(图1c) 。U 型曲线通常被称做毒物兴奋性剂量-反应关系曲线,即在低剂量条件下表现为适当的刺激(兴奋) 反应,而在高剂量条件下表现为抑制作用。这种刺激作用通常(不全是) 表现在最初的抑制性反应之后,表现为对动态平衡破坏后的一种适度补偿。依据所检测的终点不同,毒物兴奋性的剂量2反应关系可以是倒U 型,即当监测终点为生长情况(如多种有毒金属、除草剂和放射物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) ;也可以是J 型,即监测终点为发病率(如突变、畸变、癌症) 。
1. 2 毒物兴奋效应模型被忽略的原因
毒物兴奋效应并不是Calabrese 在这篇文章中首次提出的,早在19 世纪就已在动物实验中发现了毒物兴奋效应,在此之后的100 多年时间里已发现了5000 多例毒物兴奋效应的例子,如低水平的环境因素如镉、糖精、二恶英、大量的多环芳烃、X 射线和γ射线源可降低一些种属动物的肿瘤发生率;低剂量的X射线可增加小鼠和豚鼠的寿命;低剂量的乙醇和乙醛能延长果蝇的寿命;多种环境刺激因素可以延长线虫的寿命;许多毒物(如镉、铅) 可促进不同植物的生长等。由此可见,毒物兴奋效应是一种确实存在的实验现象,但长久以来人们关注的都是阈值模型和线性模型,而忽略了毒物兴奋效应模型,这主要包括以下几个方面的原因:
1. 大多数毒理学试验在设计上并没有用来评价毒物兴奋效应,设计的剂量远远高于显示毒物兴奋效应的剂量区间。如美国国家毒理学项目(NTP) 对致癌作用的评价即属于这种情况。
2. 即使设计了适当的剂量,在假定的毒理学阈值剂量下,还是会出现一些轻微的毒性作用,由于与对照组相比没有显著性差异而被认为是无作用剂量,从而不去关注更低剂量条件下的反应。但恰恰是当处于标准阈值之下的剂量越来越小时,才会表现出越来越强的超出对照值的反应(毒物兴奋效应) 。
3. 权威地位不容怀疑。当阈值模型和线性模型作为普遍规则被确定下来,那些意外的结果虽可重复但由于不符合常规而作为错误的结果或作为无关的生物学随机变异而被忽视了。
4. 对毒物兴奋效应进行研究存在困难,因为需要使用多种剂量(特别是在低剂量范围内) ,许多现象的出现是一过性的,需在试验的不同时段进行测定;要使用更多的试验对象来增加统计效度,需要进行重复试验等。
这些特征往往使得研究者未经深入研究就轻易地对现象下结论。此外,毒物兴奋效应机制不清是限制它被广泛接受的一个因素。毒理学研究者们很少关注为什么在剂量-反应关系中会存在这样一种转变(例如兴奋之后的抑制作用) 。另一方面,分子药理学家则关注这样一种转变机制是如何运行的,以及它们如何影响到剂量-反应关系, 包括毒物兴奋性作用的双相剂量-反应关系。在已发表的文章中发现有30 多种药物受体系统影响了毒物兴奋性剂量-反应关系,这种反应机制至少在受体水平已被阐明。也有的研究表明,毒物兴奋效应可能是全身免疫系统参与的一种机体适应性反应。这些发现提示并不存在单一的毒物兴奋效应机制,但是体现了维持生物系统稳态的基本原则。
2.毒物兴奋效应模型的影响
毒物兴奋效应作为对低剂量条件下的剂量-反应关系的一种更科学、更精确的描述,必将取代原有的模型而占据主导地位,但是这种取代以及观念的转变并不是一蹴而就的,用论文作者的话来形容,就象将社会从苏联模式转变为西方社会一样。如果毒物兴奋效应观点被承认,必将对社会各方面产生巨大的影响。这表现在以下几个方面:
1. 在环保方面,它对评价致癌危险度的低剂量线性关系模型的可信度及应用是一个挑战,强调了致癌剂存在阈值,这一结论引发这样一个讨论:环境应该治理到什么程度,也就是说多清洁才算清洁? 以美国为例,它的环保部门需要投入大量的财力对危险物存放场所进行清理,将一些认为是危险的物质完全清除出去,因为在许多人的心目中,零污染是首要目标。如果遵循毒物兴奋效应规律,化学物在低剂量存在时实际上不是一件坏事,似乎没有必要如此浪费财力,因此这一观点为政府部门有的放矢地控制污染,节约资金提供了依据。
2. 在公共卫生管理方面,公共卫生管理部门对工厂企业等有害物质作业场所进行危险度评价和管理时首先要制定相应的职业接触安全限值。如果作业场所的实测值低于限值则认为是安全的;如果高于限值,则必须采取措施加以控制。职业接触安全限值就是在线性反应关系模型的基础上通过外推得到的。计算公式:职业接触安全限值= 无不良反应剂量/安全系数
安全系数用来解释外推中的未知因素以及种属间的差异,其中包含了以往的经验以及专家所做出的推断。由于外推是以线性模型为基础,而从毒物兴奋效应模型可知在低剂量条件下的毒性反应并不遵循线性规律,提示以往所制定的卫生标准存在商榷之处。由此可见,毒物兴奋效应模型将会对卫生标准的制定带来巨大的影响。
3. 毒物兴奋效应的观点彻底改变了向公众进行危险度交流的策略。在过去的30 年,许多国家的管理部门和公共卫生机构都“教育”公众,且过分渲染,使大家认为许多毒物没有安全的接触剂量,特别是致癌剂,如放射性物质和二恶英。如果毒物兴奋效应观点被承认,公共交流的危险度评价信息将完全改变。
4. 在医学上带来的影响:许多抗生素、抗病毒剂和抗肿瘤制剂以及大量的其它药物都表现出毒物兴奋性的双相剂量-反应:一个剂量可能是临床有效的,但另一剂量则可能是有害的。如一些抗肿瘤药物(如苏拉明) 在高剂量下抑制细胞增殖,此时具有临床疗效,而在低剂量条件下又成为一种局部激动剂,可以促进细胞增殖。再比如,治疗阿尔茨海默病的药物抗胆碱酯酶制剂,在低剂量时增强病人的认知功能,但在高剂量时降低认知功能。由于毒物兴奋效应的存在,在药物的使用剂量上,需要进行仔细的临床监测。因此毒物兴奋效应的双相剂量-反应关系不仅为完善临床治疗方案提供了新的机会,同时也提出了必须要解决的危险性问题。
5. 在科研方面:研究发现150 多种内源性兴奋剂、药物和污染物通过影响抗体产生、细胞转移、噬菌体的吞噬作用、肿瘤细胞的破坏及其它作用终点对人体和其它动物产生毒物兴奋效应。对这种现象的认识对将来的研究和生物医学发展产生重要影响。此外,目前很少有人意识到大多数肽类物质的剂量-反应关系遵从着毒物兴奋效应模型。对毒物兴奋性双相剂量-反应关系的认识对于阐明各种肽类物质的生物学调控作用及它们对人体所具有更深层次的生化作用具有十分重要的意义。
总之,毒物兴奋效应剂量-反应关系是一种更为普遍的、更适用的剂量2反应关系模型。对毒物兴奋效应的全面认可将会提高对生物的适应性反应、危险度评价和临床医学的认识,并在更广的生物学范畴加深对细胞和机体水平调控机制的理解。
3 毒物兴奋效应模型引发的讨论
正是由于毒物兴奋效应模型一旦被认可将会产生如此广泛而深远的影响,因此这一观点提出后引起热烈的讨论,尤其是在进行危险度评价时,是否要应用毒物兴奋效应模型重新进行评价,对这个问题还存在许多疑义[9 ,10 ,11 ] ,包括:
1. 在低剂量时观察到某一检测终点的毒物兴奋效应,在高剂量时,这个检测终点是否还会受到影响表现出相对应的毒性反应? 例如:维生素C 在低剂量时降低坏血病的发病率,但在高剂量表现出的有害作用并不是坏血病。因此对于某一特定的化学物质来说,如果在高和低剂量条件下作用于不同的作用终点,那么很显然不能把对于某一作用终点产生毒物兴奋效应的剂量作为这一化学物的安全接触剂量。
2. 在接触多种化学物时,假如所有的化学物都存在毒物兴奋效应,那么这种作用是相加,协同,还是拮抗?
3. 假如在某一剂量时证明了毒物兴奋效应的存在,是否有办法证明在更低剂量时不会产生有害作用?
4. 正常条件下癌症的发病率很低,对于致癌性物质来说,即使发生毒物兴奋效应,降低了癌症的发病率,但没有统计学显著性,如何说服反对者们承认存在毒物兴奋效应?
5. 即使确认了毒物兴奋效应的剂量水平,在确定职业接触限值时还是需要通过外推来得到,这仍然是一个估计值,而且对于一些化学物来说,测试毒物兴奋效应的试验费用要远远超过由它来确定职业接触限值所带来的好处。因此,有人建议这样的试验最好只在那些原有的标准出现明显漏洞的化学品中进行。
由此看来不论是线性模型,还是毒物兴奋效应模型,用于危险度评价都有局限性。随着分子遗传学、蛋白质化学、人类基因组研究的不断深入,以及对环境2基因交互作用的深入研究,将使我们对毒作用机制有更完整的认识,以机制为基础的危险度评价将极大减少危险度评价中的不确定因素,这将是真正科学意义上的危险度评价模式,同时也是毒理学发展的终极目的之一。
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