化學物的安全性評價

郝衛東

（北京大學公共衛生學院，北京 100191）

化學物的安全性評價

郝衛東

（北京大學公共衛生學院，北京 100191）

1. 概念

開展化學物的安全性評價（safety evaluation），即按照一定的程序要求對化學物的毒作用進行檢測，綜合毒性試驗的結果，說明化學物的毒性作用特點，提出未觀察到有害作用劑量或有毒閾劑量，評價在規定條件下對人體健康是否安全。

外源化學物安全性評價是毒理學工作者日常工作最基本的內容，是毒理學研究最重要任務之一。

2. 評價原則

為了使安全性評價需要的毒理學研究更加規范，有關的化學品安全性管理機構制訂了一系列的毒性研究指導原則及標準程序，對安全性舉證需要提供的資料提出具體要求，詳細說明需要進行的試驗類型，甚至對具體的毒性實驗方法提出規范。這些指導原則及規范作為外源化學物安全性管理的技術支持，一般是指導性的，容許研究者有一定的選擇性。

從20世紀80年代以來，我國有關部門陸續制訂、頒布了不同外源化學物的安全性毒理學評價程序和規范。隨著社會、經濟的發展及新的毒理學評定方法的出現，這些程序不斷得到修訂、完善。例如，1983年，衛生部公布了《食品安全性毒理學評價程序（試行）》；1994年，以國家標準方式頒布了《食品安全性毒理學評價程序和方法》和《食品毒理學試驗操作規范》；2003年，對《食品安全性毒理學評價程序和方法》進行了修訂，同年還頒布了《保健食品安全性毒理學評價程序和方法》；1987年，衛生部發布了《化妝品安全性評價程序和方法》的國家標準；2002和2007年，衛生部發布了修訂后的《化妝品衛生規范》，對化妝品安全評價程序和毒性實驗方法進行了大量補充和修改；1991年，衛生部和農業部頒發了《農藥安全性毒理學評價程序》；1995年，國家技術監督局發布了國家標準《農藥登記毒理學試驗方法》；1988年，衛生部頒布了《新藥毒理學研究指導原則》；2005年，國家食品藥品監督管理局發布了藥品急性毒性、長期毒性、遺傳毒性、免疫毒性、刺激性、過敏性和溶血性試驗技術指導原則，2007年，發布了藥物依賴性研究技術指導原則，2010年，還發布了藥物致癌試驗必要性的技術指導原則；《國家環境保護局化學品測試準則》于1990年出版，國家環境保護總局于2004年以行業標準方式發布了《新化學物質危害評估導則》。

隨著國際貿易及國際合作交流的發展，應用于安全性舉證的毒理學試驗的規范趨向于國際化。例如，人用藥物注冊技術要求國際協調組織（International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use， ICH）致力于確定不同國家都認同的試驗方法。經濟合作與發展組織（OECD）為了統一各成員國化學物安全性評價的方法，使成員國之間能相互承認研究和評價結果，提出了新化學品上市前的最低限度安全性評價項目，制訂了一系列毒性試驗準則。我國的化學品毒性試驗也應盡可能地按國際標準進行，正在進行的各安全性毒理學評價程序及方法的修訂中都參照了ICH、OECD等國際組織的標準。

化學品的安全性評價是關系到公眾健康的重大問題，因此安全性評價資料的真實、可信、準確是保證做出正確安全性評價的前提。目前，符合GLP規范的化學品安全性研究已成為國際通用的基本要求。近年來，我國藥品、食品、農藥及環境化學品等管理部門都對安全性評價的實驗室資質進行了要求，相關毒理學研究機構都陸續在建立GLP實驗室。

毒理學安全性評價一般應遵循分階段試驗的原則。一方面，是出于毒理學試驗設計本身的要求。因為各毒理學試驗之間是有關聯的，在未完成某些試驗前，不能進行另一些試驗。例如，急性毒性試驗是所有毒理學試驗的基礎，LD50是蓄積毒性試驗、致畸試驗、亞慢性毒性試驗和某些致突變試驗劑量設計的參考依據；慢性毒性試驗各組劑量和觀察指標的選擇要參考亞慢性毒性試驗的結果。另一方面，也是出于經濟性的考慮。需要進行安全性毒理學評定的外源化學物成千上萬，要對每一個化學物都進行全面的毒性試驗并做出評定，從人力、物力、財力上來講都是不可能的，也沒有必要。首先，這些化學物質的用途、人群接觸面等各不相同，可根據情況選擇進行部分毒理學試驗。對于新的化學物，尤其是生產量大、使用面積廣、攝入機會多，或估計可能有慢性毒性、潛在性遺傳危害或致癌性的，應進行全部四個階段的毒性試驗；對于與已知毒性不大的化學物的化學結構基本相同，或是其衍生物、類似物，或僅是改變原來化學物的存在形態及用途，或在化學物剛處于試驗或試生產階段，則可根據第一、第二、第三階段毒性試驗結果，判斷其是否需要進行第四階段的毒性試驗。另外，對于有些受試化學物，進行部分毒性試驗后發現其毒性很小，就可對其安全性做出評價；有些化學物在毒性評定試驗進行到某一階段，或僅進行了某些試驗，發現其毒性太大，沒有應用前途，應予放棄，也就不再需要進行以后的試驗了。

在毒理學安全性評價中，替代動物實驗的體外模型研究已成為毒理學發展的重要方向。近年來，國外毒理學替代法研究發展十分迅速，體外替代試驗已經涵蓋一般毒性、遺傳毒性、器官毒性等多種毒性終點，研究手段也從一般的細胞、組織培養延伸到基因組學、蛋白質組學與代謝組學，以及計算機模擬輔助評價系統。目前，許多毒理學替代法已通過有關權威機構的驗證，并已廣泛應用于毒理學研究的各個領域，歐盟、美國等發達國家和地區已將毒理學替代法納入法規管理范圍。

3. 化學物安全性評價的方法步驟

3.1 毒理學試驗前有關資料的收集

為了預測外源化學物的毒性，做好毒理學試驗的設計，在毒理學試驗前必須盡可能收集外源化學物的有關資料，如化學結構式、純度、雜質含量、沸點、蒸氣壓、溶解性以及類似物的毒性資料、人體可能的攝入量等。通過化學結構，可預測化學物的毒性特征；了解類似物毒性資料及人體可能攝入量，有助于毒性試驗時染毒劑量的選擇；根據揮發性，可判斷是否需要進行經呼吸道染毒試驗；對于溶解性的了解，則可幫助選擇適當的溶劑、助溶劑。

有些樣品的毒性可能受其中雜質成份的影響。所以，進行毒性試驗的樣品必需是生產過程已經固定不變、有代表性的樣品，或者為實際生產使用或人類接觸的產品。對于檢測樣品，必須注明其批號、生產日期等。

3.2 毒理學安全性評價程序

我國現行的毒理學評價程序大多是把毒理學試驗分為四個階段。

第一階段：急性毒性試驗和局部毒性評價。急性毒性評價，一般都要求用兩種動物、兩種染毒途徑進行。通過急性毒性試驗求得LD50，確定化學物急性毒性的特征，進行急性毒性的分級，為以后的毒性試驗劑量選擇提供依據。

對于皮膚黏膜用藥品、消毒劑及農藥、化妝品等可能通過皮膚接觸的化學物，還需進行皮膚、黏膜刺激試驗及皮膚致敏試驗等局部毒性的評價。

第二階段：一般包括遺傳毒理學試驗和致畸試驗。

遺傳毒理學試驗用于研究受試物有無致突變作用，對其潛在的遺傳危害作出評價，并預測其致癌性。遺傳毒理學試驗需成組應用，一般應包括多個遺傳學終點，要包括體細胞及性細胞的試驗。致畸試驗用來判斷受試物的胚胎毒作用及對胎仔是否具有致畸作用。

第三階段：一般包括亞慢性毒性試驗、繁殖試驗和代謝試驗。

亞慢性毒性試驗用來進一步確定毒作用性質和靶器官，初步確定閾劑量或最大無毒作用劑量，并為慢性/致癌試驗提供劑量、指標的選擇依據；繁殖試驗一般是要求進行兩代繁殖試驗，以判斷外源化學物對生殖過程的有害影響；代謝試驗一般是測定染毒后不同時間外源化學物的原型或其代謝物在血液、組織及排泄物中的含量，以了解外源化學物的吸收、分布、排泄特點及敏感的接觸標志，了解蓄積及毒性作用的可能靶器官。

第四階段：包括慢性毒性試驗和致癌試驗。

慢性毒性試驗與致癌試驗常常結合進行。慢性毒性試驗的目的在于確定外源化學物毒作用的閾劑量或最大無毒作用劑量，并以此為主要依據對外源化學物的安全性做出評價，或加以一定的不確定系數，提出人體接觸的容許劑量。致癌試驗用來確定對試驗動物的致癌性。

3.3 人群毒性資料

外源化學物的安全性評價是以毒性試驗為基礎，主要是依據各種動物試驗的結果。一般來講，人與其他動物在對外源化學物的毒性反應性質方面大多數情況下是相似的。當然，要除外那些在人才能表現出來的毒性反應，如精神癥狀、頭痛、耳鳴等。

基于毒理學試驗的資料進行的安全性評價，對于預防和減少外源化學物對人類的危害、保護人類健康起到了很大作用。但是，用實驗室的毒理學試驗資料外推到人群接觸的安全性時，會有很大的不確定性。這是因為，外源化學物的毒性作用受到許多因素的影響：

首先，實驗動物與人對外源化學物的反應敏感性不同，有時甚至存在著質的差別。雖然在毒理學試驗中可以通過用兩種或兩種以上的動物、并盡可能選擇與人對毒物反應相似的動物，來避免這種差異導致對結果評價的影響，但要完全避免是不可能的。

第二，在毒理學試驗中，為了尋求毒作用的靶器官，并能在相對少量的動物身上就能得到劑量-反應或劑量-效應關系，往往選用較大的染毒劑量，這一劑量通常要比人實際接觸的劑量大得多。對于有些化學物，高劑量與低劑量的毒性作用規律并不一定一致，這就存在由大劑量向小劑量外推的不確定性。

第三，毒理學試驗所用動物數量有限，那些發生率很低的毒性反應，在少量動物中難以發現。而化學物一旦進入市場，接觸人群往往會很大。這就存在由小數量實驗動物到大量人群外推的不確定性。

第四，實驗動物一般都是實驗室培育的品系，一般選用健康動物，反應較單一，而接觸人群分為不同的人種，而且包括年老體弱及患病的個體，在對外源化學物毒性反應的易感性上存在很大差異。

以上這些都構成了從毒理學試驗向人群安全性評價外推時的不確定因素。

為了補償這些不確定性，有效地保護人類的健康，一方面，在由動物實驗未觀察到有害作用劑量或有毒閾劑量外推出人的允許接觸量時，使用合適的不確定系數；另一方面，應盡最大可能收集受試化學物對人群毒作用的資料。例如，對接觸外源化學物的生產工人進行醫學監測，對接觸人群開展流行病學調查，開展急性中毒事故的調查等。人體資料對于評價外源化學物對人體的危害是最直接、可靠的數據，往往是對外源化學物安全性進行再評價的重要基礎。

4. 毒性測試新策略

長期以來，毒性評價都依賴于在動物身上使用相對較高劑量的測試結果來推斷在低劑量情況下對人體的毒性，其試驗周期長、花費大、需要試驗動物量大，難以評價不同的生命周期、眾多的健康損害結局，也不能滿足大量有待評價化學物的需求。毒理基因組學等高通量技術、生物信息學、系統生物學的發展和進步，為理解人體組織中化學物的生物效應提供了新的視角。這些技術和方法有助于科學家更好地理解人體的細胞網絡或路徑如何發揮維持健康的正常功能。化學物接觸引起重要通路的明顯改變就可能產生有害健康的效應，但有害效應的發生需要接觸化學物達到一定的強度和時間，并發生在敏感的個體或敏感的生命周期。

針對毒性測試與毒理學發展面臨的挑戰，美國環境保護署（EPA）提請美國國家研究委員會（NRC）提出推進21世紀毒性測試的理念和策略。2007年，美國NRC發布了題為“21世紀的毒性測試——觀點和戰略（TT21C）”的研究報告，提出了毒性測試和評價的新框架。其中提出，將以整體動物試驗為基礎的傳統毒性測試轉變到以體外毒性試驗為主，通過使用細胞、細胞株或細胞器（最好是人體來源）觀察生物學過程的變化來實現。

新毒性測試觀點和策略包括化學表征、毒性測試和劑量反應關系及外推模型（圖1）。

化學表征主要要明確化學物在環境中的穩定性、人體暴露的可能性、可能暴露途徑、生物蓄積性、代謝路徑以及基于化學結構和理化特性推測的化學物和代謝物的可能毒性等。這些特性可通過收集相關信息和資料及應用計算機方法得到。根據化學表征決定需要進一步進行的試驗。

毒性測試包括毒性通路試驗和靶毒性試驗兩部分，毒性測試系統主要基于闡明毒性通路。細胞信號、遺傳、細胞應答網絡的紊亂是最終可能導致疾病的化學物暴露的主要變化。生物學紊亂的后果取決于紊亂的程度，與劑量、紊亂的時機和持續時間及宿主的敏感性有關。毒性測試觀點和策略強調發展使用細胞、細胞株（最好是人源的）等具預測性、高通量的試驗方法來評價關鍵毒性通路的相關紊亂。這些方法可以是測定比較簡單的過程，如環境化學物與細胞蛋白的結合及結合導致的基因表達改變，也可以是測定更為整合的反應，如細胞分裂、細胞分化。除希望的高通量方法外，其他反應細胞毒性、細胞增殖、凋亡等更為整合性細胞反應的中通量方法也可使用。所有情況下，應該減少或盡可能不用傳統動物試驗。

靶毒性試驗用來補充毒性通路試驗，滿足評價的需求。靶毒性測試可根據情況用體外或體內試驗。在一定期間，有些基于動物試驗的靶毒性試驗是必要的，因為目前我們還不能僅用細胞試驗來完全闡明化學物在體內的代謝。盡管靶毒性測試可能還要用目前的毒性測試方法，但在將來可能要用有別于傳統測試的方法，如用轉基因動物、新的動物模型、新的試驗體系及在大劑量范圍內的組織反應的毒性基因組分析等。

圖1 NRC毒性測試新觀點和策略框架

劑量反應關系和外推模型是為了將細胞試驗結果向人體整體轉化。劑量反應關系模型描述了試驗介質中化學物濃度與體外反應程度的關系。根據外推模型，估計與引起體外毒性通路紊亂相當的人體組織濃度的環境暴露或人體攝入量，并計算宿主敏感性系數。

人群和人體的暴露資料也是該毒性測試策略的重要組成部分，這些資料可為其他部分提供重要的信息，確保整個測試策略的完整性。收集生物監測資料有助于確定人體暴露、效應和敏感性標志物。

毒性測試的資料只有在其能為保護人群健康提供有用信息的前提下才是有用的，毒性測試是為危險性評估服務的。有些危險性評估需要對大量的環境因子進行快速篩查，有些危險性評估則可能需要單一環境因子的精細的劑量反應資料。

NRC 這份報告自提出以來，引起了學術界和相關管理部門的強烈反響，已啟動了一系列相關研究，有關內容已反映在美國EPA化學物毒性評價策略計劃中。但也有一些有待深入研究和解決的問題，如不同靶器官細胞的毒性途徑的特異性，毒性途徑網絡中各毒性途徑對毒性結局的相對貢獻，靶器官細胞間的交互作用，以及如何預測整體動物實驗長期染毒觀察到的最低作用劑量和未觀察到的有害作用劑量等。

[1] NRC. Toxicity Testing in the 21st Century: A Vision and a Strategy [EB/OL]. 2007. http://www. nap.edu/catalog/11970.html

[2] Andersen M. E. and Krewski D. The vision of toxicity testing in the 21st century: moving from discussion to action [J]. Toxicological Sciences, 117(1):17-24, 2010

[3] 周宗燦. 發展毒性測試新策略和基于毒作用模式的健康危險評定 [J]. 中國藥理學與毒理學雜志, 2010, 24(6): 536-538.