毒理學(xué)基礎(chǔ)生物轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)化

1、公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學(xué)學(xué)院 毒理學(xué)系謝曉利,1,外源化學(xué)物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn)與生物轉(zhuǎn)化,2,生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化的四個(gè)基本過程： 吸收（absorption） 分布（distribution） 代謝（metabolism） 排泄（excretion）,生物轉(zhuǎn)化,Biotransformation,生物轉(zhuǎn)

2、運(yùn),Biotransportation,消除elimination,3,闡明其單獨(dú)作用或聯(lián)合作用所致毒效應(yīng)的機(jī)制以及物種差異存在的原因，預(yù)測(cè)人類暴露化學(xué)物后的處置及毒性作用；可通過改變外源化學(xué)物ADME過程，以預(yù)防和治療外源化學(xué)物中毒。,研究ADME過程的重要意義,4,第一節(jié) 外源化學(xué)物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn),一、生物膜（biomembrane）與生物轉(zhuǎn)運(yùn)（一）生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)磷脂雙分子層：決定了脂溶性物質(zhì)的易透過性。鑲嵌蛋白：可作

3、為載體、受體、酶等，或構(gòu)成特殊通道以幫助水溶性物質(zhì)透過細(xì)胞膜。膜孔：一般為0.3-0.6 nm大小，但在腎小球毛細(xì)血管中膜孔可達(dá)70 nm大：有利原尿?yàn)V過和物質(zhì)交換。,5,6,隔離功能，包繞和分隔內(nèi)環(huán)境； 重要生化反應(yīng)和生命現(xiàn)象的場(chǎng)所； 內(nèi)外環(huán)境物質(zhì)交換的屏障。,生物膜的主要功能,☆ 生物膜也是一些外源化學(xué)物毒作用的靶。,7,被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（passive transport) 1.簡(jiǎn)單擴(kuò)散(simple diffusion

4、) 2.濾過（filtration）特殊轉(zhuǎn)運(yùn) 1.主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(active transport) 2.易化擴(kuò)散 (facilitated diffusion) 3.膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) 1）吞噬作用（phagocytosis）和胞飲作用（pinocytosis） 2）胞吐作用（exocytosis）,（二）外源化學(xué)物通過生物膜的方式,8,1. 簡(jiǎn)單擴(kuò)散（si

5、mple diffusion）,不消耗能量，不需載體，不受飽和限速與競(jìng)爭(zhēng)性抑制的影響。對(duì)象：脂溶性的非極性分子(CO2和O2等)。,又稱為脂溶擴(kuò)散，是大多數(shù)外源化學(xué)物通過生物膜的方式。,9,膜兩側(cè)存在濃度梯度； 外源化學(xué)物有脂溶性； 外源化學(xué)物是非解離狀態(tài)。,簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式的條件,10,2. 濾過(filtration) 外源性化學(xué)物通過生物膜上親水性孔道的過程。,順濃度差腎小球和毛細(xì)血管的膜孔可以允許分子量<6

6、0,000 (清蛋白分子量）的物質(zhì)通過,其他細(xì)胞膜上的膜孔只允許分子量100～200以下的物質(zhì)通過。,11,1. 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) 外源化學(xué)物在載體的參與下，逆濃度梯度通過生物膜的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。,需有載體參加； 外源化學(xué)物可逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)； 消耗能量，代謝抑制劑可阻止轉(zhuǎn)運(yùn)過程； 載體對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)的外源化學(xué)物有特異選擇性； 轉(zhuǎn)運(yùn)量有一定極限，載體可達(dá)飽和狀態(tài)； 兩種外源化學(xué)物間可出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性抑制。,12,2. 易化擴(kuò)散（facilitate

7、d diffusion）,概念：在載體蛋白的幫助下，水溶性的小分子物質(zhì)順濃度梯度的擴(kuò)散。對(duì)象：水溶性的小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等。,13,經(jīng)載體易化擴(kuò)散的溶質(zhì)濃度與溶質(zhì)跨膜擴(kuò)散速率的關(guān)系曲線,特點(diǎn)：順濃度梯度移動(dòng)，飽和現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)特異性, 競(jìng)爭(zhēng)性抑制,1）吞噬作用（phagocytosis）和胞飲作用 (pinocytosis)； 吞噬作用：固體顆粒物質(zhì)例如，煙、灰塵等與細(xì)胞膜接觸后，細(xì)胞膜張力改變，外包或內(nèi)陷，將異物

8、包裹進(jìn)入細(xì)胞，成為吞噬作用。 胞飲作用: 液態(tài)微滴或大分子經(jīng)此方式進(jìn)入細(xì)胞，成為胞飲作用。2）胞吐作用（exocytosis）指某些顆粒物或者大分子物質(zhì)通過上述方式從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外。,14,3. 膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),15,胞吞（endocytosis）,16,二、吸收（absorption）,是外源化學(xué)物通過生物膜屏障進(jìn)入血液的過程。,經(jīng)胃腸道吸收；經(jīng)呼吸道吸收；經(jīng)皮膚吸收；經(jīng)其他途徑吸收。,17,（一）經(jīng)胃腸道吸收

9、 吸收方式：多經(jīng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散吸收，部分經(jīng)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，少數(shù)通過濾過、吞噬作用和胞飲作用。 吸收部位：小腸，其次胃。 影響因素：消化道內(nèi)容物的數(shù)量和性質(zhì)、胃腸蠕動(dòng)、排空速度。此外，腸道菌叢也對(duì)外源化合物的吸收有影響。 首過消除（first pass elimination），經(jīng)胃腸道吸收的外源化學(xué)物通過門靜脈系統(tǒng)首先到達(dá)肝臟，進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化后，再進(jìn)入體循環(huán)。,18,（二）經(jīng)呼吸道吸收,外源性化學(xué)物經(jīng)肺吸收速度很

10、快，僅次于靜脈注射。 氣體和蒸氣的吸收主要取決于脂溶性和濃度（方式：簡(jiǎn)單擴(kuò)散）。 *血/氣分配系數(shù)(mg/L:mg/L) *肺通氣量和經(jīng)肺血流量 氣溶膠：霧經(jīng)肺的吸收與氣體和蒸氣相似 煙和粉塵的顆粒直徑大小與其到達(dá)呼吸道的部位有密切關(guān)系。,19,直徑 ≥ 5 微米： 沉積于鼻咽部直徑在2～5微米： 沉降于氣管、支氣管區(qū)域 被咳出或吞咽進(jìn)胃腸道直徑在1微米以下：

11、 可達(dá)肺泡并被吸收入血,20,（三）經(jīng)皮膚吸收,分為穿透階段和吸收階段 穿透：被動(dòng)擴(kuò)散透過角質(zhì)層的過程； 吸收：在表皮深層和真皮層經(jīng)由靜脈或淋巴管吸收。脂溶性較好的物質(zhì)易吸收而高脂溶性或高水溶性物質(zhì) 經(jīng)皮吸收困難。,（四）經(jīng)其他途徑吸收,21,三、分布(distribution),分布指外源性化學(xué)物吸收后，隨血液或淋巴液分散至全身的過程。分布與再分布(redistribution)

12、 在毒物吸收的數(shù)分鐘之內(nèi)，血液灌注最高的器官，如心、肝、腎、腎上腺、甲狀腺、肺、小腸等毒物的分布量最多，血液灌注量低的臟器的分布量較少。如皮膚，結(jié)締組織，脂肪等。隨著時(shí)間的推移，分布受到外源化學(xué)物經(jīng)膜擴(kuò)散速率及其與組織器官親和力的影響，發(fā)生再分布。,22,（一）外源化學(xué)物在組織器官中的貯存 蓄積（accumulation):以較高濃度富集于某些組織器官。凡是毒物蓄積的部位均可認(rèn)為是貯存庫；貯存庫中蓄積的毒物常常是慢性毒性作用

13、的物質(zhì)基礎(chǔ)。血漿蛋白、肝、腎、脂肪組織和骨骼都可作為貯存庫。例如，CO與Hb結(jié)合；DDT在脂肪組織中含量最高。（而DDT的毒作用靶不在脂肪而在神經(jīng)系統(tǒng)等組織）,（二）特殊屏障 血-腦屏障：母體甲基汞和鉛可從未發(fā)育好的胎兒 血腦屏障通過而影響腦部。 胎盤屏障：目前發(fā)現(xiàn)屏障作用較弱，基本上相當(dāng)于普通毛細(xì)血管。 發(fā)現(xiàn)OH-PCBs比其原型（PCBs）易于透過該屏障（因其一定的水溶性

14、對(duì)跨胎盤屏障的簡(jiǎn)單擴(kuò)散有利）。,23,24,四、排泄(excretion),（一）經(jīng)腎臟排泄腎小球被動(dòng)過濾腎小管排泄。（二）經(jīng)糞便排泄 經(jīng)口攝入的毒物，隨膽汁排出的毒物，由腸道排泄的毒物（被動(dòng)或主動(dòng)從血液分泌至腸腔），及腸道菌群的作用。,隨尿液排出,經(jīng)腎小管重吸收,25,肝細(xì)胞表達(dá)的外源性化學(xué)物轉(zhuǎn)運(yùn)體可將一些外源性化學(xué)物轉(zhuǎn)運(yùn)入膽道系統(tǒng)，然后從腸道排出。目前發(fā)現(xiàn)的有關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體：有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（organic anion

15、 transporter, OATP)有機(jī)陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（organic cation transporter, OCT)多藥耐受蛋白（multidrug resistance, mdr)多藥耐受相關(guān)蛋白（multidrug resistance-associate protein, mrp)肝特異轉(zhuǎn)運(yùn)體：肝細(xì)胞膜上特異的介導(dǎo)膽汁轉(zhuǎn)運(yùn)的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。其損傷與孕婦肝內(nèi)膽汁郁積癥的發(fā)生有關(guān)。,26,此外，決定經(jīng)肝細(xì)胞處理的外源性化學(xué)物由

16、膽汁或尿液排出的因素尚不清。這里有物種差異及毒物種類的作用。分子量較大的物質(zhì)（>325，常常是葡萄糖醛酸或谷胱甘肽結(jié)合物），可從膽汁中排出。,27,（三）經(jīng)肺排泄主要針對(duì)于體溫下氣態(tài)存在的物質(zhì)以及揮發(fā)性液體；經(jīng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式從肺排出，排除速度與吸收速度成反比。 如乙烯的血-氣分布系數(shù)很低，排出很快，而氟烷卻排泄很緩慢。,（四）經(jīng)其他途徑排泄腦脊液乳汁 簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式 脂溶性強(qiáng)的DDT，PCBs等

17、 鉛也可與鈣形成螯合物而從乳汁中排出汗液和唾液毛發(fā)和指甲（砷、汞、鉛、錳，生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)）,28,29,毒物動(dòng)力學(xué),用數(shù)學(xué)模型和速率論的理論來解釋外源化學(xué)物數(shù)量在生物轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化過程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。 時(shí)-量關(guān)系為核心，求出動(dòng)力學(xué)參數(shù)及與效應(yīng)的關(guān)系。,30,（一）經(jīng)典毒物動(dòng)力學(xué)的基本概念 毒物在體內(nèi)的量一般以血漿濃度來代表。1. 速率類型 一級(jí)速率過程（First order rate proc

18、ess）：毒物的生物半減期恒定，單位時(shí)間內(nèi)毒物消除量與體存量成正比。（恒比消除） 特點(diǎn)：消除量與體內(nèi)毒物量成正比；半對(duì)數(shù)時(shí)-量曲線為一直線；T1/2恒定，與染毒劑量無關(guān)；多數(shù)毒物在體內(nèi)的過程。,31,經(jīng)典毒物動(dòng)力學(xué)—基本概念,速率類型,32,零級(jí)速率過程（Zero order rate process） 化學(xué)毒物的數(shù)量超過機(jī)體的轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化能力時(shí)發(fā)生的過程。 單位時(shí)間內(nèi)消除毒物的量恒定，與體存量無關(guān)

19、（恒量消除）。 其算術(shù)時(shí)-量關(guān)系為一直線，而對(duì)數(shù)時(shí)-量關(guān)系為一曲線。 部分需要載體轉(zhuǎn)運(yùn)或限速酶代謝的毒物的體內(nèi)過程符合零級(jí)速率。,2. 房室模型,一房室模型（One-compartment model）：毒物入血后能迅速而均勻地分布于全身并呈現(xiàn)一致的消除過程。,凡是轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化速率相似的組織、器官和體液，均可視為同一房室。這樣可將整個(gè)機(jī)體視為一個(gè)彼此相連的房室系統(tǒng)。房室模型分為兩種，一房室模型與多房室模型。,34,多房室模型（

20、Multi-compartment model)：毒物入血后在體內(nèi)不同部位的轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化速率不同，在達(dá)到平衡前需要有一個(gè)分布的過程。 一個(gè)中央室，多個(gè) 周邊室。,35,房室模型：開放式，大多數(shù)化學(xué)物符合的模型；封閉式，毒物僅在各個(gè)房室間轉(zhuǎn)運(yùn)，不從機(jī)體排泄或者代謝轉(zhuǎn)化。,36,(二）房室模型和時(shí)-量曲線 1. 一房室模型的時(shí)-量曲線,37,2. 二房室模型及時(shí)-量曲線,二房室模型的半對(duì)數(shù)時(shí)-量曲線為二項(xiàng)指數(shù)衰減曲線。前

21、段曲線下降迅速，反映化學(xué)物從中央室向周邊室的分布過程，成為分布相或者快相，速率常數(shù)為，alpha;后段曲線下降較緩，反映化學(xué)物的消除過程，稱為消除相或慢相，速率常數(shù)為 beta。,中央室：C1 = Ae-αt + Be-βt周邊室：C2 = (e-βt - e-αt),B，消除相曲線外推至縱軸的截距；得到消除項(xiàng)理論曲線。A，分布相曲線的實(shí)測(cè)值—消除相理論曲線上對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上的計(jì)算值，得到的差值，連接起來，得到消除項(xiàng)理論曲線，與縱軸的

22、交叉點(diǎn)為A。,39,（三）基本參數(shù)1.表觀分布容積（Apparent volume of distribution, Vd)，是指外源化學(xué)物在體內(nèi)的分布容積的重要參數(shù)。 只有在化學(xué)毒物均勻分布于全身組織時(shí)才與其真正占有的生理容積相等，因此稱為“表觀”。,經(jīng)靜脈染毒，一室模型的Vd = X0/C0 (單位：L/kg) Vd越大，表示毒物在體內(nèi)分布的范圍越廣。 Vd過大時(shí),提示毒物在體內(nèi)的大量蓄積。,40,２

23、．消除速率常數(shù)（elimination rate constant,Ｋｅ）　　單位時(shí)間內(nèi)外源性化學(xué)物從體內(nèi)消除的量占體存量的比例。 例如，某毒物的Ke值為0.1/h，表示該毒物每小時(shí)約有體存總量的10%被消除。,41,３．曲線下面積（area under curve,ＡＵＣ） 化學(xué)毒物從血漿中開始出現(xiàn)到完全消失這段時(shí)間內(nèi)，時(shí)-量曲線下所覆蓋的總面積。表示以某一途徑染毒后在一定時(shí)間內(nèi)吸收入血的毒物相對(duì)量.

24、 ＡＵＣ越大，外源性化學(xué)物從機(jī)體消除越慢。 一房室模型：AUC=C0/Ke; 二房室模型：AUC=A/alpha+B/beta,單位，mg/(L.h),42,４.半減期（t 1/2）　　指外源性化學(xué)物血漿濃度下降一半所需時(shí)間?！　∫环渴夷Ｐ桶霚p期＝0.693/Ke 二房室模型 分布相半減期= 0.693/alpha 消除性半減期= 0.

25、693/beta5. 清除率（clearance, Cl） 指單位時(shí)間內(nèi)機(jī)體所有途徑能夠消除的外源化學(xué)物占有的血漿容積值。6. 生物利用度（bioavailability, F)：指毒物吸收率 F = AUC(非靜脈注射）/AUC (靜脈注射),43,二、 生理毒物動(dòng)力學(xué)模型,優(yōu)點(diǎn)：多種器官和組織的獨(dú)特時(shí)間-分布過程;包括生理參數(shù)改變時(shí)毒物的分布過程;比較不同物種的體內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程;使用于復(fù)雜的染毒

26、方式。,（一）生理室的構(gòu)成,室，是體內(nèi)的一個(gè)具有相同化學(xué)毒物濃度的專一部位，可以使某個(gè)器官的一個(gè)特殊功能單位或解剖位置、也可以是彼此分離的完整的器官、或者是如脂肪、皮膚等廣泛分布的組織。由三個(gè)單獨(dú)的、但連接良好的亞室構(gòu)成：,44,1、血管腔；2、間質(zhì)間隙；3、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境。,解剖學(xué)參數(shù)：容積(ml或L)；生理學(xué)參數(shù)：血流（血流速率Qt, ml/min or L/h）、通氣(肺泡通氣速率Qp)和消除方面的參數(shù)；熱力學(xué)參數(shù):