發展毒理學的研究進展

侯 亮 綜述 劉 旭 審校

（昆明醫學院生物醫學工程研究中心，云南 昆明 650031）

毒理學是研究外源性化合物及物理和生物因素對生物有機體的有害作用及其作用機理，預測其對人體和生態環境的危害，為確定安全限值和采取防治措施提供科學依據的一門學科。自上世紀90年代通過藥代動力學和藥物代謝的優化改進藥物的吸收和生物利用度之后，藥物的毒性因素已成為新藥研發失敗或撤市的主要原因之一，如替馬沙星引起的溶血性貧血和腎衰，調脂西藥立伐他汀所產生的橫紋肌溶解，非甾體抗炎藥羅非昔布所導致的心臟病和卒中等[1]。由此可見傳統毒理學已不適于現代毒理學的需要，1993年一門新的藥物毒理學分支發現毒理學(discovery toxicology)隨之誕生[2]。它是指在創新藥物的研發早期，對所合成的系列新化合物實體(New Chemical Entities,NCEs)進行毒性篩選，以發現和淘汰因毒性問題而不適于繼續研發的化合物，指導合成更安全的同類化合物。研究思路是將藥物毒性優化篩選和評價貫穿于新藥發現、臨床前安全性評價和臨床安全性評價的整個過程中，以達到加快藥物研發進程、降低藥物研發費用、提高研發成功率的目的。

發展毒理學產生背景

一、藥物毒性發生的原因

藥物進入人體內在酶的作用下通過I相和II相生物轉化使其化學結構發生變化，有些藥物在體內會轉化對人體有利的具有活性的代謝物，而有些藥物代謝后的活性產物和中間體與靶蛋白生成的加成物可干擾被修飾蛋白的生理功能或通過免疫介導功能轉化為毒副作用較強的帶有毒性基團的代謝物。有些藥物如肝藥酶抑制劑則能抑制或減弱肝藥酶P450的活性[3]，可使合用的藥物代謝減慢，降低其排泄速度，使毒性增加，如氯霉素、異煙肼等。而以細胞信號傳導為藥靶的阻制劑或激動劑可能會影響與信號通路相關的正常生物學作用而產生不良反應ADR[4]，如抑制巨噬細胞激活則會導致感染。年齡、性別、種族和疾病狀態等因素在特定條件下也與藥物的毒性相關，日本人和愛斯基摩人有不少是快乙酰化者，使用異煙肼易產生肝損害。而英國人和猶太人中慢乙酞化者達60%～70%，這些人使用異煙肼易產生周圍神經炎。

二、藥物的毒性篩選

從早期的神農嘗百草到如今的發展毒理學，人類對藥物的篩選經過了漫長的歷史過程。傳統方法是將大量新化合物實體NCEs通過對動物的體內和體外實驗進行初篩，體內通常在整體動物進行，使實驗動物在一定時間內，按人體實際接觸方式接觸一定劑量的受試外來化合物，然后觀察動物可能出現的形態或功能變化。體外實驗大多利用游離器官、原代培養細胞、細胞系和細胞器等進行。利用器官灌流學技術可對肝臟、腎臟、肺和腦等進行灌流，借此可使離體臟器在一定時間內保持生活狀態，與受試外來化合物接觸，觀察臟器出現的形態和功能變化，同時還可觀察受試物在臟器中的代謝情況，這種實驗方法具有高度的性和選擇性，但實驗周期長，費用昂貴。隨著分子生物學、細胞生物學等理論和方法應用毒理學的研究，研究過程和實驗操作逐步走向規范化、標準化；逐步采用體外篩選評價模型代替整體動物實驗；研究對象從患者群體轉向個體；基因技術全面進入藥物毒理學各個研究領域；利用毒代動力學和其他分子細胞生物學新的概念和方法研究藥物毒性作用機制或進行藥物毒性的風險評價。

研究方法

一、研究對象的轉變

近年隨著實驗動物使用的4Rs原則(減少、替代、優化和可靠)的倡導與實施，組織學、胚胎學、細胞學或計算機等方法取代整體動物實驗，以低等動物取代高等級動物等[5]。替代方法中采用離體細胞和培養的組織，完全脫離了整體穩態和內分泌調控，在投藥的準確性和結果定量上均顯示出其優越性。研究對象也從群體轉向了個體，利用毒代動力學和其他分子細胞生物學新的概念和方法研究藥物毒性作用機制[6]。患者對藥物反應的個體差異是由于個體在藥物處置過程中的生物大分子，如藥物代謝酶(DME)、藥物轉運體、藥物靶分子及DNA修復酶的遺傳差異及用藥時某些環境和生理因素各不相同造成的[7,8]。例如某些患癲癇的孕婦在妊娠期服用苯妥英鈉可誘發胎兒畸形，出現胎兒乙內酰脲綜合征(FHS)，Finnell[9]發現FHS的出現與服用苯妥英鈉的孕婦血液中一種藥物代謝酶環氧化物羥化酶的含量密切相關。

二、利用現代組學(-omics)技術研究藥物的毒性機制

近年來隨著人類及多種模式生物基因組測序的完成，新藥發現和研發逐步進入后基因組時代；基因組學[10]、蛋白質組學和代謝物組學[11]等“組學”技術已逐步應用于藥物發現毒理學研究。目前把對細胞內RNA，DNA，蛋白質，代謝中間產物的整體分析手段，稱為組學技術，根據研究對象的不同相應地產生了基因組學、轉錄組學、蛋白質組學及代謝物組學等。它們分別從調控生命過程的不同層面進行研究，使人們能夠從分子水平研究生命現象，由于毒性機制不僅涉及1個或幾個基因的改變，而是許多基因及其表達產物相互作用的結果。因此，可以通過這種分析手段全面研究化學物的毒理機制，發現新的生物標志，新的毒性作用機制，建立起更加靈敏高效的安全性評價方法。

三、基因點陣芯片技術的應用

毒理芯片技術是在基因組技術和DNA微陣列技術基礎上發展起來的分子生物學技術，在分子水平評價外界有毒物質的毒性情況。1999年美國國家環境健康科學研究所（NIEHS）成功開發了毒理芯片技術[12]，該技術對毒理研究具有革命性意義，將為醫學、環境毒理學、生態毒理學開辟新途徑。基因表達作為被測試樣品毒性信息的標記物，將未知毒物引起的基因表達和已建立的模型化合物的毒理效應數據庫[13,14]相對比，通過這種對比匹配，就能獲得未知毒物的機理。傳統分子生物學方法1次只能研究1個基因，而毒理芯片的突出作用體現在規模效應上它能同時檢測幾千種基因的表達，減少了毒理研究對動物的依賴，能在相當短的時間提供更多有價值的信息。

結 語

近20年來，隨著細胞與分子生物學理論與技術，特別是基因組學的飛速發展應用于毒理學的研究，逐漸形成了全新的系統毒理學。它實現了毒理學研究從整體和器官水平向細胞和分子水平、從組織細胞中個別或少數內容物的檢測到全面審視機體所有基因、蛋白質和代謝物水平的各種“組學”的轉變，相信隨著研究的深入，這一學科將會大大促進了環境醫學和其他生物科學的發展。

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