[科普中国]-毒性阈值水平

毒性阈值水平

毒性阈值水平(threshold of toxicological concern，毒性阈值)是在风险评估中发展起来的一种方法。传统的风险分析各国普遍采用了由风险评估、风险管理和风险信息交流三部分所组成的风险分析方法。其中风险评估是风险分析的科学基础，主要由危害识别、危害特征描述、暴露评估和风险特征描述4个步骤组成。传统风险评估方法需要得到一套详细的毒性数据，这通常会导致进行一些不必要的，过于详细的研究，从而造成时间、动物和资源的浪费。另外，对于那些缺乏详尽毒性数据的化合物，不能使用传统的风险评估方法。在这样的情况下，人们便引入了毒性阈值水平(毒性阈值)的概念来对食品中的化学物质进行风险评估。毒性阈值的概念是当化学物质的人体暴露剂量低于某个阈值水平时，该化学品对人体健康造成负面影响的可能性很低，无需进行毒理学关注。毒性阈值方法可以通过各种化学物质的现存数据来推测毒性未知化学物质的潜在毒性。

有机污染物的毒性作用机理有机污染物的毒理学效应机理，比环境行为的机理要复杂得多，这是因为毒理学效应受理化性质、环境行为和生物属性（如种属、性别、年龄、个体、细胞、靶器官等）等多方面的影响。因此，认识毒性作用方式（mode ofa ction）或毒性作用机制（mechanism of action），是建立毒理学效应QSAR模型的基础和前提。毒性作用方式被定义为“描述负面生物效应的生理和行为迹象的集合”；毒性作用机制指的是“关键的生物化学过程或者是潜在于已知作用方式之下的外源性物质与生物间的相互作用1。Verhaar等在1992年研究了有机化合物对古比目鱼的毒性数据，根据有机污染物对水生生物毒性作用的模式，并对不同结构的化合物提出了四种分类方式：

惰性化合物惰性化合物是指在整个毒性作用过程中没有发生生物化学反应的化合物。这种作用模式也被称为非极性麻醉型作用。一般认为非极性麻醉型毒性作用是通过化合物与细胞膜之间的某种疏水性非共价作用，可逆性的改变了细胞膜的结构和功能，进而对有机体产生毒性作用。从理论上讲，任何化合物都有进入到有机体的能力，所以化合物都至少有引导非极性麻醉型毒性的能力，因此，非极性麻醉型毒性是化合物的最小毒性，也称基线毒性。一般烷烃、烯烃、醇、醚、酮、苯和卤代苯被公认为是基线毒性化合物。

弱惰性化合物（极性麻醉型）与非极性麻醉型化合物一样，极性麻醉型化合物在整个毒性作用过程中也没有发生生物化学反应，与生物大分子间的相互作用可能通过物理变化而不是化学反应，其具有形成氢键的能力，剩余毒性比基线毒性（非极性麻醉型化合物）稍高一些。在学术界，对于极性和非极性麻醉型化合物的作用机理一直保持着激烈的争论，有些学者认为“极性”本身并不是一个显著地区分极性和非极性麻醉型两种作用机制的因素，研究表明，在与辛醇/水分配系数、分子极化率以及氢键受体自由能等参数的相关性上，两种化合物间存在着显著差异。此外，极性麻醉型化合物和非极性麻醉型化合物的联合毒性作用为非相加作用，这也为两种不同作用机制的存在提供了有力证据。但是，有一些学者认为其在毒性效应上表现出的差异是由于在作用靶位和非靶脂质间的不等分配造成的，用膜/水分配系数代替辛醇/水分配系数可以得到非常好的单参数模型，由此证明二者的机理是相同的。虽然非极性麻醉型和极性麻醉型作用机理在生理学上的区别尚没有定论，但我们可以通过这些化合物的结构来进行区分。这类化合物的结构一般都包含氢键供体，例如，苯酚和苯胺。

反应型化合物反应型化合物是指化合物本身或者其代谢产物，能与普遍存在于生物大分子的某些结构发生生物化学反应的有机物，即吸电子基团（亲电基团）与生物靶位（亲核基团）形成共价键，尤其是生物大分子，例如：多肽、蛋白质和核酸中的亲核基团（氨基（-NH2），羟基（-OH）和巯基（-SH））。最重要的几种反应型共价结合作用机理有席夫碱（Schiff base formation）、双分子亲核取代（SN2）、酰基化和芳香亲核取（SNAr）。

特殊作用型化合物特殊作用型化合物是指能与某些受体分子发生特异性相互作用的化合物，例如，有机磷酸酯类化合物能够有效的抑制乙酰胆碱酯酶，DDT是作用于神经元上的钠离子通道调节受体（特异或受体毒性）。另外，（二硫代）氨基甲酸酯和菊酯类化合物都是特殊作用型化合物。

目前在国外，毒性阈值方法在食品安全方面已被广泛用于对食品包装材料和食用香料的风险评估。但是国内仅有较少文献对毒性阈值方法进行过研究。并且其中也未对毒性阈值方法发展历史进行过详尽的研究。从最早的美国食品与药品管理局(FDA)用于食品接触材料安全阈值的建立，到现在被世界各国广泛用于食用香料风险评估的以结构类为基础的多层次毒性阈值方法，毒性阈值方法可以说经历了一个不断完善和发展的过程。

毒性阈值水平发展阶段早期毒性阈值水平的建立20世纪60年代，人们逐渐认识到当某种化学品的人体暴露量很低时，几乎不会对人体健康产生风险。而食品包装材料向食物中的迁移量往往很低，属于这一类低人体暴露量的化学品。因此，1967年，Frawley在英国工业生物研究协会(British Industrial Biological Research Association，BIBRA)年会上对食品包装材料的安全管理问题作了报告，首次提出了某种缺乏毒性数据的化学品在其摄入量低于某一阈值水平时，其对人体健康的风险可以忽略不计这一概念。Frawley希望建立一些能够形成共识的科学基础方法，来对日益繁多的食品包装材料进行管理。Frawley分析了220种化学品2年期慢性毒性的非肿瘤发生终点的数据集，提出任何的食品包装材料在低于食物质量0.2%的水平下，对公共卫生安全是没有显著影响的。 之后的10多年中，随着毒理学的发展，人们积累了越来越多化学物质的毒性数据2。20世纪80年代，Gold等建立了一个致癌潜因数据库(Carcinogenic Potency Data base，CPDB)，该数据库中包含了770种化学物质的3000多个长期、慢性实验的毒性数据。随后，Rulis等对Gold致癌潜因数据库中的343种啮齿类致癌物进行了分析，建立了慢性剂量-风险概率分布图，按照致癌风险为10-6外推，食品中化学物质浓度安全阈值被确定为0.15μg/(人·d)-60.15μg/(人d)lgCC/(mg/(kgd))。随着Gold对CPDB数据库的不断更新，Munro等在1990年的一个研讨会中，用Gold更新的包含492种啮齿类致癌物的CPDB数据库，对Rulis等的研究结果进行了从新分析。

Munro的分析结果同样肯定了Rulis等得到的0.15μg/(人·d)的安全阈值。在此安全阈值之下，CPDB数据库中85%的致癌物终身致癌风险都低于10-6。得到此结果的一个前提假设是所有未测试的新物质都是致癌物。但是理论上对于一种未测试的物质其潜在的致癌性大于CPDB数据库的半数中毒剂量(TD50)分布的中值的可能性仅为50%。而实际上，根据现有香料物质结构活性关系来推断的致癌概率是不会高于50%。后来的研究显示致癌物在生产中所用的化学物质中所占的比例大约为5%～10%。Rulis等提出使用1.5μg/(人·d)的安全阈值已经能够满足对公众健康的保护。

基于以上研究，美国FDA在1993年提出可以使用0.5ppb食物作为对食品接触材料的管理阈值(threshold of regulation，ToR)。如果按照每人每天摄取3kg食物计算，那么ToR可以换算为1.5μg/(人·d)。FDA于1995年正式将ToR用于食品接触材料的管理[10]。FDA规定用于食品接触材料的，对于致癌性未知的，并且不包含致癌性警告结构(structuralalerts)的化学物质，当在饮食中的浓度低于0.5ppb(如果按照每人每天摄取3kg食物计算，摄入量为1.5μg/(人·d))时，不需要对该物质进行毒理学测试。

以结构类为基础的多层次毒性阈值方法以上安全阈值的研究都是基于Gold等建立的致癌潜因数据库CPDB中的致癌物。对于大部分非致癌物来说，其安全阈值都要比致癌物高。1996年Munro等建立了一个包含了613种非致癌化学物质的数据库。这个数据库包含了啮齿类和兔类动物经口的亚慢性、慢性、生殖毒性和发育毒性的多种非致癌毒性终点的数据。这些毒性终点是以无明显作用剂量(no-observed-effect-levels，NOEL)表示。由于很多物质都包含有多个终点的NOEL值，这数据库中总共包含了2941个NOEL。每种物质所使用的NOEL是基于敏感的物种、性别和毒性终点的最保守的一个NOEL值。

Munro等对这613种化学物质进行了化学结构和毒性关系的分析，首次提出了以结构类为基础的多层次毒性阈值方法。Munro等将这613种化学物质使用Cramer的结构分类决策树进行了化学结构的分类。Cramer决策树分类是根据化合物分子结构反映的毒性大小将化合物分成3类：其中结构类Ⅲ毒性最大，结构类Ⅱ毒性居中，结构类Ⅰ毒性最小。结构类Ⅰ是具有简单的化学结构和有效的代谢模型存在的物质，具有较低的口服毒性；结构类Ⅱ是毒性大于结构类Ⅰ的物质，但不包含像结构类Ⅲ物质的毒性结构特征；结构类Ⅲ是含有不安全的化学结构的物质，甚至可能会具有明显的毒性或有反应性官能团。依据Cramer决策树将数据库中的613种化合物进行分类后，其中结构类Ⅰ有137个、结构类Ⅱ有28个、结构类Ⅲ有448个。

Munro等对3种结构类的NOEL分别绘制了累积百分比曲线图。根据这个累积分布图，可以计算出结构类Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ化合物的NOEL的第5百分位值分别是3.0、0.91、0.15mg/(kg·d)。3类结构NOEL第5百分位值除以安全系数100，然后乘以60kg(相当成年人平均体质量)，就得到了Cramer结构类Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ化合物对应毒性阈值值为1800、540、90μg/(人·d)。100倍的安全系数主要是用来反映动物种属之间和个体之间的毒物代谢学和动力学差异。

FDA管理阈值的扩展1999年研究人员对进一步扩展的Gold致癌潜因数据库CPDB中709种啮齿类致癌物进行了分析。同样通过线性外推的方法来估算了低于10-6终生风险的安全阈值，肯定了FDA对不包含致癌性警告结构的化学物质所采用的0.5ppb的ToR的有效性。为了进一步对非癌症终点的TTC进行研究，Cheseman等还分析了化学物质毒性作用登记(Registry of Toxic Effects of Chemical Substances，RTECS)数据库中3306种具有经口生殖毒性数据的化学物质和2542中具有其他重复剂量毒性研究数据的物质。在此基础上，Cheseman等提出一套多层次的毒性阈值方法，以对FDA的ToR进行扩展(该方法至今还没有被FDA所采用)。ToR 0.5ppb(对应毒性阈值值：1.5μg/(人·d))：没有任何毒理学数据，并且该物质的化学结构不包含致癌警告结构的化学物质。对于Ames实验呈阳性结果或者包含致癌警告结构的化学物质，需要进行整套的毒理学评价。