发展毒理学的研究进展

侯 亮 综述 刘 旭 审校

（昆明医学院生物医学工程研究中心，云南 昆明 650031）

毒理学是研究外源性化合物及物理和生物因素对生物有机体的有害作用及其作用机理，预测其对人体和生态环境的危害，为确定安全限值和采取防治措施提供科学依据的一门学科。自上世纪90年代通过药代动力学和药物代谢的优化改进药物的吸收和生物利用度之后，药物的毒性因素已成为新药研发失败或撤市的主要原因之一，如替马沙星引起的溶血性贫血和肾衰，调脂西药立伐他汀所产生的横纹肌溶解，非甾体抗炎药罗非昔布所导致的心脏病和卒中等[1]。由此可见传统毒理学已不适于现代毒理学的需要，1993年一门新的药物毒理学分支发现毒理学(discovery toxicology)随之诞生[2]。它是指在创新药物的研发早期，对所合成的系列新化合物实体(New Chemical Entities,NCEs)进行毒性筛选，以发现和淘汰因毒性问题而不适于继续研发的化合物，指导合成更安全的同类化合物。研究思路是将药物毒性优化筛选和评价贯穿于新药发现、临床前安全性评价和临床安全性评价的整个过程中，以达到加快药物研发进程、降低药物研发费用、提高研发成功率的目的。

发展毒理学产生背景

一、药物毒性发生的原因

药物进入人体内在酶的作用下通过I相和II相生物转化使其化学结构发生变化，有些药物在体内会转化对人体有利的具有活性的代谢物，而有些药物代谢后的活性产物和中间体与靶蛋白生成的加成物可干扰被修饰蛋白的生理功能或通过免疫介导功能转化为毒副作用较强的带有毒性基团的代谢物。有些药物如肝药酶抑制剂则能抑制或减弱肝药酶P450的活性[3]，可使合用的药物代谢减慢，降低其排泄速度，使毒性增加，如氯霉素、异烟肼等。而以细胞信号传导为药靶的阻制剂或激动剂可能会影响与信号通路相关的正常生物学作用而产生不良反应ADR[4]，如抑制巨噬细胞激活则会导致感染。年龄、性别、种族和疾病状态等因素在特定条件下也与药物的毒性相关，日本人和爱斯基摩人有不少是快乙酰化者，使用异烟肼易产生肝损害。而英国人和犹太人中慢乙酞化者达60%～70%，这些人使用异烟肼易产生周围神经炎。

二、药物的毒性筛选

从早期的神农尝百草到如今的发展毒理学，人类对药物的筛选经过了漫长的历史过程。传统方法是将大量新化合物实体NCEs通过对动物的体内和体外实验进行初筛，体内通常在整体动物进行，使实验动物在一定时间内，按人体实际接触方式接触一定剂量的受试外来化合物，然后观察动物可能出现的形态或功能变化。体外实验大多利用游离器官、原代培养细胞、细胞系和细胞器等进行。利用器官灌流学技术可对肝脏、肾脏、肺和脑等进行灌流，借此可使离体脏器在一定时间内保持生活状态，与受试外来化合物接触，观察脏器出现的形态和功能变化，同时还可观察受试物在脏器中的代谢情况，这种实验方法具有高度的性和选择性，但实验周期长，费用昂贵。随着分子生物学、细胞生物学等理论和方法应用毒理学的研究，研究过程和实验操作逐步走向规范化、标准化；逐步采用体外筛选评价模型代替整体动物实验；研究对象从患者群体转向个体；基因技术全面进入药物毒理学各个研究领域；利用毒代动力学和其他分子细胞生物学新的概念和方法研究药物毒性作用机制或进行药物毒性的风险评价。

研究方法

一、研究对象的转变

近年随着实验动物使用的4Rs原则(减少、替代、优化和可靠)的倡导与实施，组织学、胚胎学、细胞学或计算机等方法取代整体动物实验，以低等动物取代高等级动物等[5]。替代方法中采用离体细胞和培养的组织，完全脱离了整体稳态和内分泌调控，在投药的准确性和结果定量上均显示出其优越性。研究对象也从群体转向了个体，利用毒代动力学和其他分子细胞生物学新的概念和方法研究药物毒性作用机制[6]。患者对药物反应的个体差异是由于个体在药物处置过程中的生物大分子，如药物代谢酶(DME)、药物转运体、药物靶分子及DNA修复酶的遗传差异及用药时某些环境和生理因素各不相同造成的[7,8]。例如某些患癫痫的孕妇在妊娠期服用苯妥英钠可诱发胎儿畸形，出现胎儿乙内酰脲综合征(FHS)，Finnell[9]发现FHS的出现与服用苯妥英钠的孕妇血液中一种药物代谢酶环氧化物羟化酶的含量密切相关。

二、利用现代组学(-omics)技术研究药物的毒性机制

近年来随着人类及多种模式生物基因组测序的完成，新药发现和研发逐步进入后基因组时代；基因组学[10]、蛋白质组学和代谢物组学[11]等“组学”技术已逐步应用于药物发现毒理学研究。目前把对细胞内RNA，DNA，蛋白质，代谢中间产物的整体分析手段，称为组学技术，根据研究对象的不同相应地产生了基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢物组学等。它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究，使人们能够从分子水平研究生命现象，由于毒性机制不仅涉及1个或几个基因的改变，而是许多基因及其表达产物相互作用的结果。因此，可以通过这种分析手段全面研究化学物的毒理机制，发现新的生物标志，新的毒性作用机制，建立起更加灵敏高效的安全性评价方法。

三、基因点阵芯片技术的应用

毒理芯片技术是在基因组技术和DNA微阵列技术基础上发展起来的分子生物学技术，在分子水平评价外界有毒物质的毒性情况。1999年美国国家环境健康科学研究所（NIEHS）成功开发了毒理芯片技术[12]，该技术对毒理研究具有革命性意义，将为医学、环境毒理学、生态毒理学开辟新途径。基因表达作为被测试样品毒性信息的标记物，将未知毒物引起的基因表达和已建立的模型化合物的毒理效应数据库[13,14]相对比，通过这种对比匹配，就能获得未知毒物的机理。传统分子生物学方法1次只能研究1个基因，而毒理芯片的突出作用体现在规模效应上它能同时检测几千种基因的表达，减少了毒理研究对动物的依赖，能在相当短的时间提供更多有价值的信息。

结 语

近20年来，随着细胞与分子生物学理论与技术，特别是基因组学的飞速发展应用于毒理学的研究，逐渐形成了全新的系统毒理学。它实现了毒理学研究从整体和器官水平向细胞和分子水平、从组织细胞中个别或少数内容物的检测到全面审视机体所有基因、蛋白质和代谢物水平的各种“组学”的转变，相信随着研究的深入，这一学科将会大大促进了环境医学和其他生物科学的发展。

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