毒理學基礎(chǔ)生物轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)化

1、公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學學院 毒理學系謝曉利,1,外源化學物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運與生物轉(zhuǎn)化,2,生物轉(zhuǎn)運和生物轉(zhuǎn)化的四個基本過程： 吸收（absorption） 分布（distribution） 代謝（metabolism） 排泄（excretion）,生物轉(zhuǎn)化,Biotransformation,生物轉(zhuǎn)

2、運,Biotransportation,消除elimination,3,闡明其單獨作用或聯(lián)合作用所致毒效應(yīng)的機制以及物種差異存在的原因，預(yù)測人類暴露化學物后的處置及毒性作用；可通過改變外源化學物ADME過程，以預(yù)防和治療外源化學物中毒。,研究ADME過程的重要意義,4,第一節(jié) 外源化學物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運,一、生物膜（biomembrane）與生物轉(zhuǎn)運（一）生物膜的結(jié)構(gòu)特點磷脂雙分子層：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)透過細胞膜。膜孔：一般為0.3-0.6 nm大小，但在腎小球毛細血管中膜孔可達70 nm大：有利原尿濾過和物質(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物毒作用的靶。,7,被動轉(zhuǎn)運（passive transport) 1.簡單擴散(simple diffusion

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

5、mple diffusion）,不消耗能量，不需載體，不受飽和限速與競爭性抑制的影響。對象：脂溶性的非極性分子(CO2和O2等)。,又稱為脂溶擴散，是大多數(shù)外源化學物通過生物膜的方式。,9,膜兩側(cè)存在濃度梯度； 外源化學物有脂溶性； 外源化學物是非解離狀態(tài)。,簡單擴散方式的條件,10,2. 濾過(filtration) 外源性化學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. 主動轉(zhuǎn)運 外源化學物在載體的參與下，逆濃度梯度通過生物膜的轉(zhuǎn)運過程。,需有載體參加； 外源化學物可逆濃度梯度轉(zhuǎn)運； 消耗能量，代謝抑制劑可阻止轉(zhuǎn)運過程； 載體對轉(zhuǎn)運的外源化學物有特異選擇性； 轉(zhuǎn)運量有一定極限，載體可達飽和狀態(tài)； 兩種外源化學物間可出現(xiàn)競爭性抑制。,12,2. 易化擴散（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)順濃度梯度的擴散。對象：水溶性的小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等。,13,經(jīng)載體易化擴散的溶質(zhì)濃度與溶質(zhì)跨膜擴散速率的關(guān)系曲線,特點：順濃度梯度移動，飽和現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)特異性, 競爭性抑制,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、灰塵等與細胞膜接觸后，細胞膜張力改變，外包或內(nèi)陷，將異物

8、包裹進入細胞，成為吞噬作用。 胞飲作用: 液態(tài)微滴或大分子經(jīng)此方式進入細胞，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)通過上述方式從細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運到細胞外。,14,3. 膜動轉(zhuǎn)運,15,胞吞（endocytosis）,16,二、吸收（absorption）,是外源化學物通過生物膜屏障進入血液的過程。,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)簡單擴散吸收，部分經(jīng)主動轉(zhuǎn)運，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、排空速度。此外，腸道菌叢也對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物通過門靜脈系統(tǒng)首先到達肝臟，進行生物轉(zhuǎn)化后，再進入體循環(huán)。,18,（二）經(jīng)呼吸道吸收,外源性化學物經(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：簡單擴散）。 *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 被咳出或吞咽進胃腸道直徑在1微米以下：

11、 可達肺泡并被吸收入血,20,（三）經(jīng)皮膚吸收,分為穿透階段和吸收階段 穿透：被動擴散透過角質(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。隨著時間的推移，分布受到外源化學物經(jīng)膜擴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，基本上相當于普通毛細血管。 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、對跨胎盤屏障的簡單擴散有利）。,23,24,四、排泄(excretion),（一）經(jīng)腎臟排泄腎小球被動過濾腎小管排泄。（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（被動或主動從血液分泌至腸腔），及腸道菌群的作用。,隨尿液排出,經(jīng)腎小管重吸收,25,肝細胞表達的外源性化學物轉(zhuǎn)運體可將一些外源性化學物轉(zhuǎn)運入膽道系統(tǒng)，然后從腸道排出。目前發(fā)現(xiàn)的有關(guān)轉(zhuǎn)運體：有機陰離子轉(zhuǎn)運體（organic anion

15、 transporter, OATP)有機陽離子轉(zhuǎn)運體（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)運體：肝細胞膜上特異的介導(dǎo)膽汁轉(zhuǎn)運的膜轉(zhuǎn)運蛋白。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)肝細胞處理的外源性化學物由

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)肺排泄主要針對于體溫下氣態(tài)存在的物質(zhì)以及揮發(fā)性液體；經(jīng)簡單擴散的方式從肺排出，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 簡單擴散方式 脂溶性強的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)測指標）,28,29,毒物動力學,用數(shù)學模型和速率論的理論來解釋外源化學物數(shù)量在生物轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)化過程中的動態(tài)變化規(guī)律。 時-量關(guān)系為核心，求出動力學參數(shù)及與效應(yīng)的關(guān)系。,30,（一）經(jīng)典毒物動力學的基本概念 毒物在體內(nèi)的量一般以血漿濃度來代表。1. 速率類型 一級速率過程（First order rate proc

18、ess）：毒物的生物半減期恒定，單位時間內(nèi)毒物消除量與體存量成正比。（恒比消除） 特點：消除量與體內(nèi)毒物量成正比；半對數(shù)時-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)典毒物動力學—基本概念,速率類型,32,零級速率過程（Zero order rate process） 化學毒物的數(shù)量超過機體的轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)化能力時發(fā)生的過程。 單位時間內(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-量關(guān)系為一直線，而對數(shù)時-量關(guān)系為一曲線。 部分需要載體轉(zhuǎn)運或限速酶代謝的毒物的體內(nèi)過程符合零級速率。,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。這樣可將整個機體視為一個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)運和轉(zhuǎn)化速率不同，在達到平衡前需要有一個分布的過程。 一個中央室，多個 周邊室。,35,房室模型：開放式，大多數(shù)化學物符合的模型；封閉式，毒物僅在各個房室間轉(zhuǎn)運，不從機體排泄或者代謝轉(zhuǎn)化。,36,(二）房室模型和時-量曲線 1. 一房室模型的時-量曲線,37,2. 二房室模型及時-量曲線,二房室模型的半對數(shù)時-量曲線為二項指數(shù)衰減曲線。前

21、段曲線下降迅速，反映化學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；得到消除項理論曲線。A，分布相曲線的實測值—消除相理論曲線上對應(yīng)時間點上的計算值，得到的差值，連接起來，得到消除項理論曲線，與縱軸的

22、交叉點為A。,39,（三）基本參數(shù)1.表觀分布容積（Apparent volume of distribution, Vd)，是指外源化學物在體內(nèi)的分布容積的重要參數(shù)。 只有在化學毒物均勻分布于全身組織時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,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）　　單位時間內(nèi)外源性化學物從體內(nèi)消除的量占體存量的比例。 例如，某毒物的Ke值為0.1/h，表示該毒物每小時約有體存總量的10%被消除。,41,３．曲線下面積（area under curve,ＡＵＣ） 化學毒物從血漿中開始出現(xiàn)到完全消失這段時間內(nèi)，時-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間內(nèi)吸收入血的毒物相對量.

24、 ＡＵＣ越大，外源性化學物從機體消除越慢。 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）　　指外源性化學物血漿濃度下降一半所需時間?！　∫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） 指單位時間內(nèi)機體所有途徑能夠消除的外源化學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、 生理毒物動力學模型,優(yōu)點：多種器官和組織的獨特時間-分布過程;包括生理參數(shù)改變時毒物的分布過程;比較不同物種的體內(nèi)動力學過程;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)的一個具有相同化學毒物濃度的專一部位，可以使某個器官的一個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。由三個單獨的、但連接良好的亞室構(gòu)成：,44,1、血管腔；2、間質(zhì)間隙；3、細胞內(nèi)環(huán)境。,解剖學參數(shù)：容積(ml或L)；生理學參數(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)；熱力學參數(shù):