第十七章遗传危险度评定Word下载.docx

1、 第一节基本概念 一、危险度评定 危险度评定（risk assessment），是对给定的化学物质或物理因素暴露所引起有害健康的效应进行定性和定量评价。美国国家科学研究顾问委员会提出1，危险度评定即对人类暴露于有害因子或场所而引起的潜在有害健康效应进行特性评定，NRC推荐了建立和使用危险度评定程序的指南，提出了包括危害鉴定、剂量一反应评定、暴露评定和危险度特征描述在内的危险度评定基本框架。P538 危害鉴定（hazard identification）：是一个科学地定性评价化学物质是否在人类或其他有机体引起有害健康效应的过程，该过程通过流行病学、药物动力学、离体毒性试验、结构一活性等分析，揭示

2、化学物的固有特性。 剂量一反应评定（doseeffect assessment）：决定化学物的剂量与诱发已识别的毒性效应事件之间的关系，该过程是判断有关事件因果关系的重要标准之一。 暴露评定（exposure assessment）：认定暴露于化学物的群体，主要对有关人员接触有害因素的水平作出定量评定，描述群体大小和构成，对其类型、规模、转运方式及暴露时间等作出评价。 危险度特征描述（risk characterization）：将暴露评定中所获得的暴露水平代入有关的剂量一效应关系的数学模式中，预测人类暴露于化学物的危险度或疾病的发生。 二、危险度管理 危险度管理（risk managemen

3、t）在危险度评定过程中鉴定危害的基础上，根据科学的证据和危险度的评价意见，综合法律、工程、经济、社会政治等各方面的因素，对危险度提出处理决策和措施的过程。 危险度评定和危险度管理可合称为危险度分析（risk analysis）。 三、遗传危险度评定 遗传危险度评定（genetic risk assessment）指对拟释放到环境或投放到市场中的化学物进行遗传危险度分析。它是全面进行危险度评定的重要组成部分。遗传危险度评定具有两个目的，其一是确定受试物潜在的可遗传的遗传学效应（heritable genetic effects）；其二是对潜在致癌性提供部分证据。首次进行遗传危险度评定的尝试是20

4、世纪50年代由联合国及美国国家科学院有关机构在电离辐射研究中进行的，更进一步的讨论是由美国国家科学委员会和国际环境诱变剂和致癌剂防护委员会实施的2|。美国环境保护局于1986年提出了诱变危险度评定指南，该指南指出，量化评定诱变性需要两个步骤，其一为确立每单位暴露的可遗传效应（剂量一反应）及突变率与疾病发生的关系；其二是将剂量一效应信息和预期的人类暴露水平与模型相结合，以提出量化的危险度评定3。指南将化学物质诱变性危险度评价的主要目的限定为确认人类生殖细胞的潜在诱变剂，其重点在于确定化学物质的诱变性、对生殖腺的作用、与生殖细胞DNA的相互作用和诱发可遗传的遗传损伤的能力，在这种暴露条件下，人类遗

5、传危险度可以表述为暴露个体的后代在已有遗传负荷基础上所增加的遗传疾病的数量4。 第二节 遗传危险度评定中的危害鉴定 遗传危险度评定过程中的危害识别需要对受试物是否能在哺乳动物生殖细胞诱发遗传改变进行定性，这项任务通常无法应用流行病学的资料来完成。主要因为突变发生是罕见事件，即便由于诱变剂的作用使突变率成倍增加，但所能导致的直接生物学结果的P539突变仍然较少，故很难检出。如对广岛、长崎原子弹暴露后的受辐射个体的后代进行危险度评估，除遗传危险度以外的其他损伤效应如癌变、发育过程中的毒性等危险度已经明朗，但在评估的位点上，却很少发现诱发突变的证据。因此，遗传损伤的因果效应关系仅凭在两代人之间监测有

6、限数目的基因是很难奏效的。在每一个人类基因组中，诱变发生的潜在基因靶标数目接近l00 000个，这些基因突变所可能导致的后代表型变异范围很广，事先无法预测欲发生的表型变异。因此，遗传危害的鉴定主要通过结构一活性关系研究、短期遗传毒性测试、人类和环境的监测，以及暴露的粗略评价来完成。 一、结构与活性的关系 化学物释放到环境中或者投放市场之前，需要对其在人类健康与环境方面的潜在危害进行评价，识别它们的诱变性是评价工作的重要内容。识别化学物诱变性的第一个环节通常是结构一活性关系（structureactivity relationship，SAR）分析。多数化学诱变剂包括与其诱变性和可能致癌性相关的

7、“结构警示”（structure alter）基团，如磷酰或磺酰烷化酯、脂肪或芳香硝基基团、芳香叠氮基团、芳香烷化胺或双芳香烷化胺基团、烷化乙醛、N一甲基衍生物等十多种结构都是化学物质诱变性的结构警示J。因而，通过SAR分析通常可达到预测部分化学物遗传毒性的目的，从而省去大量资源、时间和经费。SAR的资料是对化学物进行昂贵的哺乳动物终身生物测试和短期测试，决定其应用前景之前的一个重要依据；在生物测试结果不充分时，SAR分析可以帮助人们提高对环境化合物危害鉴定的能力，在预测化学物潜在的致突性、致癌性方面发挥重要的作用6。 目前发展迅速的所谓计算毒理学（computational toxicolo

8、gy）在SAR分析中占有重要地位，该手段不必进行大量实验操作，而是利用计算机技术对化学物的分子结构、电子密度、代谢活性，以及活性代谢物的共价结合特性进行分析，从而达到预测目标化合物各类毒性的目的。依据化学结构有效地预测化学物致突性和致癌性的计算机SAR系统很多，根据这些系统在毒性预测时所采用的方式，可分为两种类型。第一类SAR系统是依据现存结构一活性关系的综合资料实施预测的系统，称之为基于结构的自动预测系统（automated structure-basedpredication systems）7,8。这一类系统很少利用目标化合物类型或作用机制进行毒性预测，而是利用计算机内原有的各种结构、片

9、段与毒性之间关系的数据库预测目标化学物毒性。有关的预测系统如计算机辅助毒性预测技术（TOPKAT）、计算机自动结构评价系统（CASE）及其第二代程序MULTlCASE等，该类预测系统可以使用非同类化学物质的数据库，并能在不了解所探询的化学物类型的情况下产生SAR的预测假设，其所预测的终端指标通常有化学物致癌性、鼠伤寒沙门氏杆菌诱变性、发育毒性、芳烃受体结合强度等。TOPKAT系统通过结构、片段分析了解化学物质是否具备已知的引起毒性效应的片段，然后检验所分析的结构是否在已有模型的描述范围之内，最后对毒性做出预测。在CASE分析中，计算机直接从数据库中产生若干化学物亚结构片段作为主要的分子描述符号

10、，系统首先阅读目标化学物的分子结构并将其自动分解为含210个非氢重原子大小的分子片段，随后通过统计方法评价这些片段与生物活性相关性的概率。MULTlCASE系统以生物活性片段（biophore）和非生物活性片段（biophobe）作为最基本的分子描述符号，其考虑了如何识别产生生物活性的片段和调节生物活性的片段的问题，选择在统计学上最重要的片段作为生物活性片段，并认P540 定它们的功能与受试分子的活性直接相关，然后进一步识别对活性有调节作用的生物活性 片段。第二类SAR系统往往以现有的知识、推断、专家的评判，以及化学物的生物机制构成 分析系统，对化学物的结构一活性关系进行分析，包括DEREK、

11、Oncok嘶c等系统912|。这 些系统通常多用于预测化学物质致癌性、诱变性、发育毒性、生殖和神经毒性。以现有知识 进行的危险度推论（deductive estimation of risk from existing knowledge，DEREK）系统以大量不 同来源的资料和专家信息构建化学结构基团及结构警示与不同形式毒性之间的关联规律， 这些关联不是化学物特异性的，而是结构特异性的（如含卤化合物、酸、烷化剂等），与预测的 毒性相关的结构特征称为毒性结构（toXophore）。该程序可将目标化合物的结构与数据库中 描述的毒性结构相比较，存在于目标化学物中的结构警示对该化学物的毒理学特性提供

12、了 重要信息。OncoLogic是仅以致癌性预测为终端指标的预测系统。目前所使用的SAR系统 不够完善和全面，存在不少局限，对于待测的化学物，SAR分析系统的选择取决于化学物本 身的特性和所需要预测的终端指标。 用CASE-MULTICASE系统分析ICPEM数据库中的遗传毒性资料，发现该系统在遗传毒性定性与相关化学结构决定因子之间具有较好的一致性；尤其在对体外和体内（in bitro/invivo）遗传毒性结果进行分组分析时，发现定性的遗传毒性与相关的化学结构决定因子之间几乎完全重叠，即遗传毒性阳性或阴性的定性与结构决定因子之间具有较高吻合度；但遗传毒性定量即遗传毒性的效能与相关化学结构决定

13、因子之间的吻合度则出现明显的差异1 3|。Zhan9等人用CASE系统预测化学物质在大鼠肝细胞中诱发UDS的能力，识别了大量与UDS诱发相关的结构决定因子，预测与实验间的吻合度大于821 4|。MerschSundeann等利用该系统探索了56种硝酸多环芳烃及非替代的母体多环芳烃诱发SOS的结构基础或结构决定子，共识别出5个能诱发SOS的生物活性片段和4个非生物活性片段，对SOS的预测吻合度达946（敏感性085，特异性lo）e1 5。目前大量新的预测系统还在不断地应运而生。如以计算机化的资料数据库（computerized fact data base，BL-DB）为核心的SAR专家系统，将

14、化学物的元素比、侧链、化学键、侧链位置及其微环境都作为化学物毒性预测的结构因素。Nakadate M利用该系统对在Ames试验中表现遗传毒性的化学物进行SAR验证分析，指出该手段对遗传毒性的预测准确性为90以上。Perrotta等人利用自行设计的软件对551个在Ames测试中表现诱变性的化合物进行分析，预测将化学物分为含210个非氢重原子大小的分子片段并构成数据库，应用统计学资料对这些分子片段进行生物学特性预测，预测吻合度为739，同时发现在预测中，化合物中的生物活性结构比非生物活性结构更为重要，含有二类结构的分子预测较为困难1 6|。该软件所识别的与诱变活性高度相关的分子片段与Ashby J

15、的结构警示相似。经过SAR分析，N一亚硝基、芳香胺基团、氨基偶氮染料和菲核等都是评价潜在致癌剂的结构警示。 物理化学参数分析可为SAR预测化学物质诱变活性提供重要信息。如鸟嘌呤06N烷化比、烷化剂的共价结合指数（JCB）和Swain Scott的S值等。Swain的S值是烷化剂与DNA、RNA和蛋白质发生亲核反应力度选择性的度量指标之一，化学物质的S值高，意味着其发生亲核反应的选择性或专一性强，单功能烷化剂（如甲基磺酸甲酯MMS）通常具有较高的S值l7。利用量子化学研究也可预测具有类似母体结构的混合物诱变活性。芳香叠氮类化合物用长波长UV光解后，产物之一为能与DNA结合并具有诱变能力的氮烯（n

16、itrenium）。Sabbioni等研究分析了从不同化学物质得到的l9种氮烯离子P541的电子特性并以此为依据，用线性回归分析设计诱变活性以十为底的对数值，发现叠氮化物的诱变性与氮烯离子的稳定性成正比，而与外向环氮原子的亲电性成反比18。氮烯离子的电子结构对于芳香叠氮化物和芳香胺的诱变性预测是很有价值的。Colvin等人还通过对化学物的疏水性度量标准（109P）、母体胺前沿轨道的能量、氮烯的热动力学稳定性等特性研究，探索了芳香胺类和杂环类化合物的诱变性91。 zeiger等分析了CASE、TOPKAT计算机系统、物理化学参数分析和专家结构警示系统预测化学物在Ames测试中的诱变能力，对l00

17、个化学物结构产生的预测结果表明，除物理化学参数分析系统的预测结果与Ames结果的吻合度为6061外，其他三个系统的吻合度均在7176之间L20 J。 二、遗传危害鉴定与诱变性测试 虽然SAR分析为化学物诱变活性的预测提供了大量信息，但是，具有结构警示的化学物的活性成分在生物体内的空间障碍、代谢、毒性效应、排泄等一系列因素影响下，可能降低其遗传毒性，而没有结构警示的化学物亦可通过间接方式如产生自由基，导致DNA氧化损伤从而刺激突变的发生。所以，生物学研究仍然是鉴定遗传危害的必要环节，也是以后建立剂量一效应关系的基础。正如前面几章讨论的那样，就遗传毒性的生物检测，其终端指标可涉及到基因突变、染色体

18、畸变、初级DNA损伤等范畴。这个领域包容了不同的系统进化水平、体外一体内（in vitr0in vivo）、体细胞一生殖细胞等各种测试系统。不同系统所涉及的测试方法在决定受试物固有的诱变潜力时各有千秋。 诱变性筛选一般仅利用非哺乳动物和体外（in vitro）细胞试验对受试物的遗传毒性进行定性评价，这是诱变性测试的初级层次。在该层次表现阳性结果的受试物需要进行诱变性的危害鉴定和评价。对遗传危害的识别，需要建立可遗传的遗传损伤尤其是突变评估方法，适合于这种评估类型的测试，通常可测定受处理个体生殖细胞的直接损伤或后代的遗传效应，如哺乳动物生殖细胞遗传学、DNA损伤和修复等分析。根据USEPA198

19、6年的指南，遗传危险度评定过程中的剂量一反应评定所依赖的测试数据应主要取自活体资料和可遗传的哺乳动物生殖细胞测试，所以，选择危害鉴定的手段也应该遵循这一原则。目前常用的测试方法仍然是可见的或生化水平的特殊基因座测试如小鼠特异基因座测试（specific locus test，SLT）和果蝇性连锁隐性致死（sex linkage recessive lethal，SLRL）分析、遗传易位分析等；随着分子生物学理论和技术的发展，许多新技术已引入遗传危害的识别过程。小鼠生殖细胞小卫星DNA具有较高的自发和诱发突变率，利用该系统可以使人们在小群体及低剂量暴露情况下评价诱发突变；新一代的错配突变分析技术

20、也大为提高了基因突变检出的效率，有可能检出高危事故暴露后人类精子中的诱发突变。通过单细胞凝胶电泳技术（Comet）、限制性位点突变分析（RSM）和FISH等技术，人类已经能够在啮齿类和人类精子样品中直接检测DNA断裂、突变和染色体异常L211。转基因动物模型的生殖细胞现在也引为化学物暴露后基因突变分析的靶标，该手段填补了评估潜在遗传毒性物质时的短期测试系统与人类遗传危险度评定之间的空白，对于研究生殖细胞突变发生的机制是一个有价值的工具，为研究和比较生殖细胞不同周期时段、生殖细胞与体细胞的突变提供了手段。P542 生殖细胞各阶段DNA合成的能力、DNA损伤修复的能力具有明显的差异，这些因素使得哺

21、乳动物对受试物诱发突变的敏感性不同。Legator等22曾提出一个在整体动物上观察与整个代谢和药物动力学事件相关的突变发生过程的综合测试方案（ comprehensivetesting protocol，CTP），在对动物的处理和剂量施用方面做了一些改进，即使用亚急性低剂量这种类似人类的暴露方式，使得研究者能够从检测体液中的诱变剂开始、继而检测加合物形成、DNA修复、染色体损伤，以及最后固定下来的特殊基因座突变。包括生殖细胞在内的不同组织的细胞，均可作为遗传损伤的报告细胞。该手段对于识别化学物质在不同组织和细胞中的遗传危害不失为一个重要手段。 若受试物在啮齿类生殖细胞的特殊基因座基因突变测试或

22、检测染色体畸变的遗传易位分析中表现显著的阳性结果，就足以对受试物的可遗传的遗传毒性进行定性，并肯定其为人类生殖细胞的潜在诱变剂。然而，能获取这类有效数据的的情形并不多见，因此，还需要分别对受试物在哺乳动物体细胞的诱变性与其他相关资料进行综合考虑和分析。如慢性亚急性和急性暴露的研究、生殖和发育研究、代谢及分布研究、SAR研究所获得的信息，对分析都具有重要价值。这些资料与诱变性的测试结果相结合，可预测体细胞和生殖细胞遗传损伤的可能的生物学效应。 受试物与哺乳动物生殖腺相互作用的研究是进行可遗传的危害鉴定的另一环节。在许多分析中获得的诱变数据，并不涉及哺乳动物生殖细胞；尽管如此，仍然可以通过非遗传终

23、点的研究，获得受试物与生殖细胞相互作用的间接信息。亚急性和慢性毒性研究方案中通常都包括生殖腺的检测。生殖毒性研究无疑也可以提供有价值的信息。受试物与生殖细胞相互作用的依据可分为两个档次：化学物与生殖腺相互作用的充足证据（ suf-ficient evidence）：受试物与生殖细胞DNA或染色质其他成分相互作用，或在生殖细胞诱发UDS、SCE或染色体畸变。化学物与生殖腺相互作用的提示证据（suggestive evi-dence）：在急性、亚急性或慢性毒性测试中出现生殖腺有害效应如精子畸变；出现有害生殖效应如生育能力下降、显性致死、畸胎等现象。 综合化学物在哺乳动物生殖细胞的诱变性测试，以及化

24、学物与生殖腺相互作用得到的数据，可对受试物是否为潜在的人类生殖细胞诱变剂作出答复。但是，对化学物在生殖细胞的诱变效应进行量化和等级分类的方案则一直不够完善。表17 -1列出了USEPA对人类生殖细胞潜在诱变性证据的权重等级分类。总的来讲，整体哺乳动物的证据权重高于体外测试，生殖细胞突变的权重高于体细胞。表17 -1人类生殖细胞潜在诱变剂的证据分级3 1从人类生殖细胞诱变研究中获得阳性数据，为人类诱变性的最高级别的证据2从哺乳动物生殖细胞可遗传的诱变事件研究中得到肯定的阳性结果3从哺乳动物生殖细胞染色体畸变分析中得到肯定的阳性结果，但不包括世代间的测试4具有化学物质与哺乳动物生殖细胞相互作用的充

25、足证据，且从二个分析测试系统得到肯定的阳性诱变结果（至 少一个系统为in vivo 或in vitro哺乳动物）。阳性诱变结果可能都是基因突变也可能都是染色体畸变。如果一 项是基因突变，另一项为染色体畸变，则二项结果都必须从哺乳动物系统获得5具有化学物质与哺乳动物生殖细胞相互作用的提示证据，并具有第4项中叙述的二项诱变测试阳性结果；或着， 阳性诱变证据的力度低于第4项所述，但具有充足的化学物质与哺乳动物生殖细胞相互作用的证据P5436阳性诱变证据的力度低于第4项所述，具有化学物质与哺乳动物生殖细胞相互作用的提示证据7虽然未得到肯定的非诱变性证据，但受试物在所有关注的终端指标中都具有肯定的阴性结

26、果，该化学物质可以 划为人类生殖细胞的非诱变剂8无论在诱变测试或化学物质与哺乳动物生殖细胞相互作用测试中证据均不足 第三节 剂量一反应评定 量化化学物质暴露与遗传损伤效应之间的关系最关键的一环是剂量一反应评定（dose-effect assessment），剂量一反应关系是遗传危险度评定的重要依据之一，也是判断有关事件因果关系的重要标准之一，其最终目的是估算与人类接触水平相似的条件下，受试物质所产生的遗传损伤的效能。由于将人类暴露的信息用于预测人类所能产生的效应的资料很少，往往使用实验动物的资料进行剂量一反应评定。人们最终的兴趣在于人类群体在慢性低剂量暴露后的效应如何？因此，从动物的资料外推人

27、类的遗传安全性、高剂量反应外推到低剂量反应构成了剂量一反应评定的主要内容。但是，由于遗传毒物的效应因实验动物物种和品系而变化，不同种族、民族对相同的暴露所产生的效应也有很大差异，遗传多态现象引起的人群遗传易感性的差异所导致的人群对环境暴露的效应差异等原因，给剂量一反应研究提出了许多新的课题。 一、剂量分析， 剂量分析（ dosimetry）中的“剂量”表示某种物质施加到测试生物体的量，通常指受试物跨越有机体外部屏障后能与体内代谢过程或生物学位点相互作用的量额。由于暴露途径、生物体基因型、细胞类型、细胞周期、遗传损伤修复能力、性别等多方面的原因，化学物暴露后，在生物体内分布、代谢和排泄上都有广泛的变异范围。因此，很难从化学物质整体浓度来预见靶器官上吸收的量。Ehrenberg L曾提出了从化学物暴露到观察遗传学效应过程中所用的不同的剂量表示方法。 暴露剂量（exposure dose） 有机体所接触的化学物存在于环境中的量，可表示为单位时间内的剂量（10 -6/h）也即剂量率（dose rate）。 药理剂量（ pharmacological dose） 化学物进入有机体的剂量。通常表示为每单位体重吸收的总量（ mg/kg）。是常规毒性测试中最常见的剂量。 组织剂量（tissue dose） 指在某一时间段化学物到达特异靶组织的量。其可能高于或者低于药理剂量。