天然产物有效成分的毒理学安全性与功能性评价.ppt
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1、第二章 天然产物有效成分的毒理学安全性和功能性评价,毒理学评价 安全性评价 功能性评价,毒理学(toxicology)是研究化学、物理和生物因素对机体的损害作用、生物学机制(biologic mechanisms)、危险度评价(risk assessment)和危险度管理(risk management)的科学。毒理学主要分为三个研究领域,即描述毒理学、机制毒理学和管理毒理学。卫生毒理学(health toxicology)是利用毒理学的概念和方法,从预防医学角度,研究人类生活和生产活动中可能接触到的外来化合物对机体的生物学作用,特别是损害作用,亦即毒性作用及其机理的科学。卫生毒理学属于预防医
2、学的范畴,也是毒理学的一个分支学科。,一、毒理学安全性评价,外源化学物(xenobiotics)是在人类生活的外界环境中存在、可能与机体接触并进入机体,在体内呈现一定的生物学作用的一些化学物质,又称为“外源生物活性物质”。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。毒理学研究外源化学物对机体的有害作用,而不是有益作用(如营养作用、治疗作用等)。,(一)毒理学概述,毒理学的目的 任何一种化学物质在一定条件下都可能是对机体有害的,毒理学的目的就在于研究外源化学物质的毒性和产生毒性作用的条件,阐明剂量一效应(反应)关系,为制订卫生标准及防治措施提供理论依据。,毒理学研究的三个
3、主要研究领域:描述毒理学(descriptive toxicology)采用实验动物进行适当的毒性试验,获得用于 评价人群和环境特定化学物暴露的危险度信息。为化学物的毒作用机制提供重要线索,通过形成假设为发展机制毒理学作出贡献。,机制毒理学(mechanistic toxicology)证实与人类直接相关的实验动物中所观察到的损害作用(癌症、出生缺陷等)。验证可能与人类无关的发生于实验动物中的有害效应。设计和生产较为安全的化学物以及合理治疗化学中毒和临床疾病。进一步加深对基础生理学、药理学、细胞生物学和生物化学的了解。,管理毒理学(regulatory toxicology)根据描述和机制毒理
4、学的研究资料进行科学决策,协助政府部门制定卫生标准、相关法规条例和管理措施并付诸实施,以确保化学物、药品、食品等进入市场足够安全,达到保护人民群众身心健康的目的。,古代与中世纪毒理学 毒理学一词源于希腊文字“toxikon”公元前2735年,神农编辑完成了40卷“本草”典籍 公元前2650年,黄帝撰写了内经 古埃及、古希腊及古罗马等有关文献中都有关于有毒植物和矿物的描述,积累了关于有毒物质及中毒的知识。,(二)毒理学简史,启蒙时代毒理学16世纪瑞士医生Paracelsus(14931541)意大利内科医生Ramazzini(16331714)1775年英国外科医生Pott(1714-1788)
5、意大利内科医生Fontana(1720-1853)进一步发展了靶器官毒性概念。西班牙医生Orfila被认为是现代毒理学的奠基人,他是系统利用实验动物的第一个科学家,并发展了在组织和体液中鉴定毒物的化学分析方法。19世纪的Megendie、Bernard对依米丁、士的宁和箭毒、CO中毒的作用机制进行了研究。,现代毒理学1930年实验毒理学的第一本杂志创刊,同年在美国成立了NIH1937年引起急性肾衰竭和死亡的“磺胺事件”,促使了美国FDA的成立1955年,Lehman和他的同事共同出版了食品、药品和化妆品中化学物的安全性评价通过了许多新的法规,创办了许多新的杂志,成立了国际毒理学协会(1965)
6、,重大公共卫生事件,中国上海甲肝暴发中国山西朔州毒酒事件 中国南京汤山中毒事件 中国河北自沟苯中毒事件日本O-157 事件 印度博帕尔灾难 德法荷比二恶英事件 英国疯牛病,上海甲肝暴发,自 1988 年 1 月 19 日起,上海市民中突然发生不明原因的发热、呕吐、反食、乏力和黄疸等症状的病例,数日内成倍增长,截止到当年的 3 月 18 日,共发生 29230 例。,山西朔州毒酒事件,1998 年春节前,山西文水县一不法分子用甲醇勾兑散装白酒,批发给外地个体户。从 1 月 26 日开始,先后发现数百名群众饮假酒中毒住院,其中近 30 人死亡。,南京汤山中毒事件,2002 年 9 月 14 日,南
7、京汤山发生一起特大投毒案。犯罪分子陈正平将所携带的剧毒鼠药“毒鼠强”投放到“正武”面食店食品原料内,造成 395 人因食用有毒食品而中毒,死亡 42 人。,河北白沟苯中毒事件,2002 年初,在河北省高碑店市白沟镇箱包生 产加工企业打工的几名外地务工者,陆续出现了中毒症状,并有 6 人相继死亡,后经卫生部门调查确定为苯中毒事件。,日本 O-157 事件,日本 O-157 事件:自 1996 年 6 月从日本多所小学发生集体食物中毒事件而发现元凶为“O-157”大肠杆菌以来,日本全国至当年 8 月患者 已达 9000 多人。其中 7 人死亡,数百人住院治疗。,印度博帕尔灾难,1984 年 12
8、月 3 日,美国的跨国公司联合碳化物公司在印度中央联邦首府博帕尔开办的一家农药厂,发生了一起严重的毒气泄漏事故,给当地居民带来巨大 的灾难。据报道,共有3600多人死于 这次事故。,德法荷比二恶英事件,1999年,比利时、荷兰、法国、德国相继发生因二恶英污染导致畜禽类产品及乳制品含高浓度二恶英的事件。二恶英事件使当年比利时损失超过 10 亿欧元。,英国疯牛病,疯牛病在人类中的表现为新型克雅氏症,患者脑部会出现海绵状空洞,导致记忆丧失,身体功能失调,最终神经错乱甚至死亡。1997年,英国科学家曾经预计,在最糟糕的情况下,可能会有1000万人最终死于新型克雅氏症。2002年这一预计数字降为5万人。
9、2000年7月,在英国有超过34 000个牧场的 17 万多头牛感染了疯牛病。,毒理学主要是借助于动物模型模拟引起人体中毒的各种条件,观察实验动物的毒性反应,再外推到人。由于动物,特别是哺乳动物和人体在解剖、生理和生化代谢过程方面有很多相似之处,这就是利用动物实验的结果可以外推到人的基础。毒理学实验可采用整体动物、游离的动物脏器、组织、细胞进行。根据所采用的方法不同,可分为体内试验(in vivo test)和体外试验(in vitro test)。毒理学还利用限定人体试验和流行病学调查直接研究外源化学物对人体和人群健康的影响。,(三)毒理学的研究方法,1.体内试验 也称为整体动物试验。可严格
10、控制接触条件,测定多种类型的毒作用。实验多采用哺乳动物,例如大鼠、小鼠、脉鼠、家兔、仓鼠(hamster)、狗和猴等。在特殊需要情况下,也采用鱼类或其他水生生物、鸟类、昆虫等。检测外源化学物的一般毒性,多在整体动物进行,例如急性毒性试验,亚急性毒性试验、亚慢性毒性试验和慢性毒性试验等。哺乳动物体内试验是毒理学的基本研究方法,其结果原则上可外推到人;但体内试验影响因素较多,难以进行代谢和机制研究。,2.体外试验利用游离器官、培养的细胞或细胞器进行毒理学研究,多用于外源化学物对机体急性毒作用的初步筛检、作用机制和代谢转化过程的深入观察研究。体外试验系统缺乏整体毒物动力学过程,并且难以研究外源化学物
11、的慢性毒作用。,(1)游离器官:利用器官灌流技术将特定的液体通过血管流经某一离体的脏器(肝脏、肾脏、肺、脑等),借此可使离体脏器在一定时间内保持生活状态,与受试化学物接触,观察在该脏器出现有害作用,以及受试化学物在该脏器中的代谢情况。(2)细胞:利用从动物或人的脏器新分离的细胞(原代细胞,primary cell)或经传代培养的细胞如细胞株(cell strain)及细胞系(cell line)。(3)细胞器(organelle):将细胞制作匀浆,进一步离心分离成为不同的细胞器或组分,例如线粒体、微粒体、核等,用于实验。体内试验和体外试验各有其优点和局限性,应主要根据实验研究的目的要求,采用最
12、适当的方法,并且互相验证。,3.人体观察 通过中毒事故的处理或治疗,可以直接获得关于人体的毒理学资料,这是临床毒理学的主要研究内容。有时可设计一些不损害人体健康的受控的实验,但仅限于低浓度、短时间的接触,并且毒作用应有可逆性。,4.流行病学研究 对于在环境中已存在的外源化学物,可以用流行病学方法,将动物实验的结果进一步在人群调查中验证,可从对人群的直接观察中,取得动物实验所不能获得的资料,优点是接触条件真实,观察对象包括全部个体,可获得制订和修订卫生标准的资料,以及制定预防措施的依据。利用流行病学方法不仅可以研究已知环境因素(外源化学物)对人群健康的影响(从因到果),而且还可对已知疾病的环境病
13、因进行探索(从果到因)。但流行病学研究干扰因素多,测定的毒效应还不够深入,有关的生物学标志还有待于发展。,(四)安全毒理学评价试验的四个阶段与试验原则,1.试验的四个阶段第一阶段:急性毒性试验,包括经口急性毒性(LD50)和联合急性毒性。第二阶段:遗传毒性试验、传统致畸试验、短期喂养试验。第三阶段:亚慢性毒性试验(90天喂养试验)、繁殖试验和代谢试验。第四阶段:慢性毒性实验(包括致癌试验),第一阶段:急性毒性试验目的:通过测定获得LD50(半致死剂量),了解受试物的毒性强度、性质和可能的靶器官,为进一步进行毒性试验的剂量和毒性判定指标的选择提供依据。试验内容:口急性毒性(LD50)试验、联合急
14、性毒性试验。,第二阶段:遗传毒性试验、传统致畸试验、短期喂养试验,目的:(1)遗传毒性试验 对受试物的遗传毒性以及是否具有潜在致癌作用进行筛选。(2)传统致畸试验 了解受试物对胎仔是否具有致畸作用。(3)短期喂养试验 对只需进行第一、二阶段毒性试验的受试物,在急性毒性试验的基础上,通过短期(30d)喂养试验,进一步了解其毒性作用,并可初步估计最大无作用剂量。,试验内容:,(1)细菌致突变试验:鼠伤寒沙门氏菌/哺乳动物微粒体酶试验(Ames试验)为首选项目,必要时可另选和加选其他试验。(2)小鼠骨髓微核率测定或骨髓细胞染色体畸变分析(3)小鼠精子畸形分析和睾丸染色体畸变分析。,第三阶段:亚慢性毒
15、性试验(90天喂养试验)、繁殖试验和代谢试验。,目的:观察受试物以不同剂量水平经较长期喂养后对动物的毒性作用性质和靶器官,并初步确定最大作用剂量;了解受试物对动物繁殖及对仔代的致畸作用,为慢性毒性和致癌试验的剂量选择提供依据。试验内容:90d喂养试验 繁殖试验:代谢试验:了解受试物在体内的吸收、分布和排泄速度以及蓄积性,寻找可能的靶器官;为选择慢性毒性试验的合适动物种系提供依据;了解有无毒性代谢产物的形成。,第四阶段:慢性毒性试验(包括致癌试验),目的:了解经长期接触受试物后出现的毒性作用,尤其是进行性或不可逆的毒性作用以及致癌作用;最后确定最大无作用剂量,为受试物能否应用于食品的最终评价提供
16、依据。,(五)食品毒理学试验结果的判定,1.急性毒性试验 如LD50剂量小于人的可能摄入量的10倍,则放弃该受试物用于食品,不再继续其他毒理学试验。如大于10倍者,可进入下一阶段毒理学试验。凡LD50在人的可能摄入量的10倍左右时,应进行重复试验,或用另一种方法进行验证。,2.遗传毒性试验,根据受试物的化学结构、理化性质以及对遗传物质作用终点的不同,并兼顾体外和体内试验以及体细胞和生殖细胞的原则。,鼠伤寒沙门氏菌/哺乳动物微粒体酶试验(Ames试验)小鼠骨髓微核率测定骨髓细胞染色体畸变分析小鼠精子畸形分析睾丸染色体畸变分析试验,选择四项试验,结果判断原则:,其中三项试验为阳性:则表示该受试物很
17、可能具有遗传毒性作用和致癌作用,一般应放弃该受试物应用于食品;毋需进行其他项目的毒理学试验。其中两项试验为阳性:而且短期喂养试验显示该受试物具有显著的毒性作用,一般应放弃该受试物用于食品;如短期喂养试验显示有可疑的毒性作用,则经初步评价后,根据受试物的重要性和可能摄入量等,综合权衡利弊再作出决定。其中一项试验为阳性,则再选择V79/HGPRT基因突变试验、显性致死试验、果蝇伴性隐性致死试验,程序外DNA修复合成(UDS)试验中的两项遗传毒性试验。如再选的两项试验均为阳性,则无论短期喂养试验和传统致畸试验是否显示有毒性与致畸作用,均应放弃该受试物用于食品;如有一项为阳性,而在短期喂养试验和传统致
18、畸试验中未见有明显毒性与致畸作用,则可进入第三阶段毒性试验。如四项试验均为阴性,则可进入第三阶段毒性试验。,3.短期喂养试验,在只要求进行两阶段毒性试验时,若短期喂养试验未发现有明显毒性作用,综合其他各项试验即可作出初步评价;若试验中发现有明显毒性作用,尤其是有剂量-反应关系时,则考虑进一步的毒性试验。,4.90d喂养试验、繁殖试验、传统致畸试验,根据三项试验中所采用的最敏感指标所得的最大无作用剂量进行评价,最大无作用剂量小于或等于人的可能摄入量的100倍者表示毒性较强,应放弃该受试物用于食品。最大无作用剂量大于100倍而小于300倍者,应进行毒性试验。大于或等于300倍者则不必进行慢性毒性试
19、验,可进行安全性评价。,5.慢性毒性(包括致癌)试验,根据慢性毒性试验所得的最大无作用剂量进行评价,最大无作用剂量小于或等于人的可能摄入量的50倍者,表示毒性较强,应放弃该受试物用与食品。最大无作用剂量大于50倍而小于100倍者,经安全性评价后,决定该受试物可否用于食品。最大无作用剂量大于或等于100倍者,则可考虑允许使用于食品。新资源食品、复合配方的饮料等在试验中,若试样的最大加入量(一般不超过饲料的5%)或液体试样最大可能的浓缩物加入量仍不能达到最大无作用剂量为人的可能摄入量的规定倍数时,则可以综合其他的毒性试验结果和实际食用或饮用量进行安全性评价。,(六)食品安全性评价时需要考虑的因素,
20、1.人的可能摄入量除一般人群的摄入量外,还应考虑特殊和敏感人群(如儿童、孕妇及高摄入量人群)。2.人体资料由于存在着动物与人之间的种族差异,在将动物试验结果推论到人时,应尽可能收集人群接触受试物后反应的资料,如职业性接触和意外事故接触等。志愿受试者体内的代谢资料对于将动物试验结果推论到人具有重要意义。在确保安全的条件下,可以考虑按照有关规定进行必要的人体试食试验。,4.安全系数,由动物毒性试验结果推论到人时,鉴于动物、人的种属和个体之间的生物特性差异,一般采用安全系数的方法,以确保对人的安全性。安全系数通常为100倍,但可根据受试物的理化性质、毒性大小、代谢特点、接触的人群范围、食品中的使用量
21、及使用范围等因素,综合考虑增大或减小安全系数。,3.动物毒性试验和体外试验资料各项动物毒性试验和体外试验系统虽然仍有待完善,却是目前水平下所得到的最重要的资料,也是进行评价的主要依据。在试验得到阳性结果,而且结果的判定涉及到受试物能否应用于食品时,需要考虑结果的重要性和剂量-反应关系。,5.代谢试验的资料,代谢研究是对化学物质进行毒理学评价的一个重要方面,因为不同化学物质、剂量大小,在代谢方面的差别往往对毒性作用影响很大。在毒性试验中,原则上应尽量使用与人具有相同代谢途径和模式的动物种系来进行试验。研究受试物在实验动物和人体内吸收、分布、排泄和生物转化方面的差别,对于将动物试验结果比较正确地推
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