食品中化学物质的生殖和发育毒性

食品论坛 http://bbs.foodmate.net 第八章 食品中化学物质的生殖和发育毒性 生殖是使种族延续的各种生理过程的总称。生殖过程一般是指从配子形成直到胎儿娩出 的整个过程，因此具有广泛的含义，其中包括精子的发生、卵的形成、配子的释放、受精、 卵裂和胚泡发育、着床、胚胎发生、胎儿发育、分娩。而胎儿的娩出也并不意味着胎儿发育 成熟的终止，从广义上说还应包括胎儿娩出后的新生儿期、哺乳期、直到性成熟的整个过程。 随着我国人民生活水平提高，医疗卫生条件改善，新生儿死亡率大幅度降低，死因顺位也发 生了明显的变化。1953 年先天畸形和先天心脏病死亡占总死亡的 9.77％，到 1979 年已占 37.50％，其死因顺位也由第四位上升为第一位。1988 年卫生部公布了自 1986 年 10 月至 1987 年 9 月在全国 29 个省、市和自治区同步进行的出生缺陷的监测资料，结果显示 1 243284 例 围产儿中，先天畸形有 16172 例，发生率为 13.07％，其中神经管畸形占 3404 例。按此结果 推算，我国每年有 30～40 万严重的先天缺陷儿出生。 1973 年 Wilson 综合了 5 次国际会议的资料，将人类先天缺陷的成因归为三大类。即遗 传因素(染色体畸变和基因突变，占 25％)，环境因素(物理因素、宫内感染、母体疾病、药 物与环境化学物质，占 10％)，和原因不明的出生缺陷(可能是由于遗传因素与环境因素相互 作用，占 65％)。 人们对先天缺陷和环境关系的认识是经历了一系列重大人间悲剧后才得到的。1940 年 澳大利亚发生风疹大流行，次年婴儿中流行先天性白内障、耳聋、智力不全和先天心脏病。 1945 年美国在日本广岛和长崎爆炸原子弹，受到核幅射的胎儿出生后患小头畸形和智力低 下，婴儿一年内死亡率达 25％。1953 年日本水俣湾因氮肥厂排放含汞工业废水污染了水体， 居民因食用污染的鱼类引起甲基汞中毒，两年后发现先天水俣病。1960 年前后，英、德、 日本等国妇女以反应停(thalidomide)作镇静剂减轻早孕反应，出生了近万名短肢畸形儿(海豹 畸形)，约占早孕期服药者新生儿的 1／3。1968 年秋，日本发生了因多氯联苯污染米糠油引 起的中毒事故，中毒孕妇发生死产、早产和产下“油症儿”。1961-1970 年间，美国在侵越 战争中使用高于本国农用 13 倍浓度的落叶剂 2、4、5-T[含有杂质四氯二苯二恶英 TCDD(tetra-chlorodibenzo-p-dioxin)]污染了大面积耕地和森林，造成妇女流产和产下患有小 头症和 Down’s 综合征的畸形儿。另有报道工业发达的国家和地区先天缺陷的发生有增高 的趋势。 我国是发展中国家，优生优育，提高人口素质是我国的基本国策，所以应将发达国家已 出现的问题引为前车之鉴。从 70 年代起，我国已开始了对药品、农药、食品添加剂和环境 污染物的致畸研究，并把致畸试验、生殖毒性试验列为新药、农药、食品及首次进口化学品 的安全性毒理学评价的重要组成部分。 化学品对生殖发育的损害不仅与妊娠母体有关，带有致畸因子的雄性也会使胎仔发生畸 形。例如给雄鼠经口染毒反应停，使之与未染毒的雌鼠交配，引起严重的胎仔畸形。接触二 硫化碳男工的配偶发生流产，早产或分娩畸胎儿增多。对生殖发育有害的化学品不仅能作用 于妊娠器官形成期，造成形态畸形，对妊娠前期的影响还可发生不育，对胎期的毒效应，可 在出生后观察到发育、行为、代谢功能的障碍或子代肿瘤发生率增高。所以综合考虑有害环 境因素对母体和父体的影响，将形态致畸与行为致畸结合起来进行观察，将生殖毒性和发育 毒性结合起来进行研究已是发展的趋势。 第一节 生殖毒性与发育毒性 环境有害因素造成对亲代的生殖功能及对子代发育过程的有害影响的作用称为生殖毒 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 性和发育毒性。两者关系密切，但不同研究者对其研究的侧重面有所不同，多数主张对生殖 毒性和发育毒性应有所区分。 一、生殖毒性(reproductive toxicity) 生殖毒性指对雄性和雌性生殖功能或能力的损害和对后代的有害影响。生殖毒性既可发 生于妊娠期，也可发生于妊前期和哺乳期。表现为外源化学物对生殖过程的影响，例如生殖 器官及内分泌系统的变化，对性周期和性行为的影响，以及对生育力和妊娠结局的影响等。 二、发育毒性(developmental toxicity) 发育毒性指在到达成体之前诱发的任何有害影响，包括在胚期(embryonic period)和胎期 (fetal period)诱发或显示的影响，以及在出生后诱发和显示的影响。发育毒性的主要表现为： 1. 发育生物体死亡(death of the developing organism)：指受精卵未发育即死亡，或胚泡 未着床即死亡，或着床后生长发育到一定阶段死亡。早期死亡被吸收或自子宫排出(即自然 流产)，晚期死亡成为死胎。 2. 生长改变(altered growth)：即生长迟缓(growth retardation)。能引起胚胎死亡和畸形的 毒物多数能引起生长迟缓。一般认为胎儿的生长发育指标比正常对照的均值低 2 个标准差 时，即可定为生长迟缓。胎鼠胸骨及枕骨骨化迟缓及低出生体重等是生长迟缓的较敏感指标。 生长迟缓造成的局部发育不全可视为畸形，如脑小畸形和眼小畸形等。 3. 功能缺陷(functional deficiency)：包括器官系统、生化、免疫等功能的变化。功能缺 陷往往要在出生后经过相当时间才能诊断。如听力或视力异常、行为发育迟缓等。 4. 结构异常(structural abnormality)：指胎儿形态结构异常，即畸形。致畸性(teratogenicity) 是指化学物在胚胎发育期间引起永久的结构与功能异常的性质。致畸物(teratogen)是指出生 前接触，诱发永久的结构与功能异常的物质。 三、生殖与发育毒性的特点及靶器官 生殖与发育过程包括配子(精子与卵子)的发育与形成、交配、受精、合子形成与植入、 胚胎形成与发育、分娩等阶段。生殖与发育过程的每个阶段所涉及的细胞或器官都可能成为 外源化学物毒作用的靶。外源化学物对生殖与发育过程的损害主要有以下几个方面： 1. 亲性腺作用(性腺毒性) 某些化学物可作用于性腺，影响生殖器官的发育与性腺成 熟，或造成性腺组织病理学改变。例如氯乙烯单体可使睾丸曲细精管萎缩，氯化镉可引起小 鼠卵巢出血，排卵抑制。某些化学物可影响配子的发生、增殖和成熟，使生殖细胞数量减少， 功能减退及突变。例如过量接触二硫化碳的男工多见性机能减退，表现为性欲下降、阳萎。 铅作业工人，特别是铅中毒患者易发生生殖细胞受损，导致精子数目减少，精子活动力降低， 精子畸变率增加。生殖细胞受损的结果是不育、流产、死胎、畸胎和其他先天缺陷。生殖细 胞突变造成的畸胎与妊娠期内接触毒物的致畸作用不同，前者突变发生于父体或母体的性细 胞中，突变诱发的畸形可传给后代。后者突变发生在胚胎的体细胞中，引起的畸形不具有遗 传性。已知的亲性腺毒物有多种，包括固醇类药物，化疗药物，有机磷和有机氯农药，镉、 铅、汞和二硫化碳等。 2. 亲胚体作用(胚体毒性 embryotoxicity) 某些化学物可作用于妊娠早期(即从受孕到胚 体形成阶段)，对胚体发育产生损害作用。某些化学物可以降低胚体对必需营养素的利用度， 如 EDTA 降低胚体对微量元素的利用度，氨基蝶呤降低胚体对叶酸的利用度。当给予母体 这些化学物时，可导致与缺乏这些必需营养素相似的胚体毒性。胚体毒性、胎体毒性 (fetotoxicity)和胚胎毒性(embryo-fetal toxicity)是指由出生前接触引起对孕体的任何有害影 响，包括结构和功能异常，或这种影响在出生后的表现。这些术语与有害作用诱发的瞬间／时 期有关，而不考虑检测的时间。 3. 亲胎盘作用(胎盘毒性 placental toxicity) 某些化学物可对胎盘造成损伤，改变胎盘 血流量，降低胎盘对营养物质的转运，特异地干扰胎盘功能(如内分泌和代谢功能)。例如 5- 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 羟色胺使小鼠动、静脉狭窄，胎盘血流量减少，胎盘转运功能障碍，引起死胎和先天畸形； 甲基汞改变人胎盘滋养层微绒毛对不能代谢的氨基酸的摄取，而致功能致畸，即先天水俣病。 患儿严重神经迟钝，共济失调，步行困难，语言、咀嚼，下咽困难和大发作性癫痫。 除上述外，化学物还可引起胎期毒性，哺乳期毒性(通过乳汁致婴儿中毒，如铅中毒)， 和通过对中枢神经系统及全身机能状态的毒作用来影响生殖过程。某些化学物还能经胎盘致 癌(transplacental carcinogenesis)即致癌物由母血经胎盘进入胚胎，造成胚胎期接触，引发后 代肿瘤。己烯雌酚 (diethylstibestml)是第一个被证明的人类经胎盘致癌物 (transplacental carcinogen)。孕妇孕早期作为保胎药服用时，女性后代可发现阴道透明细胞腺癌(clear cell adenocacinoma)、阴道腺癌(adenosis)及阴道和子宫颈隆起；男性后代可发生附睾囊肿、睾丸 营养性衰竭、睾丸囊性硬结、小阴茎畸形及精子异常。经胎盘致癌的发育致癌物 (developmental carcinogen)通过动物实验已发现了 40 多种。 化学物的生殖发育毒性有两个显著的特点：一是生殖过程较机体的其他系统或功能对某 些化学物的毒作用更为敏感，在成体系统毒性的未观察到有害作用的水平 (no observedad-verse effect level，NOAEL)胎儿即可受到影响。例如妊娠期接触过不足以引起肿 瘤的低剂量二乙基亚硝胺(diethyllnitrosamine)，仔鼠成年后再次接触，则肿瘤发生率增加。 二是损害作用不仅表现在接触化学物质的机体本身，还可影响其后代。例如母鼠接触高浓度 二硫化碳引起致畸作用，其子一代既使不再接触二硫化碳，交配后所生的子二代仔鼠也出现 与子一代仔鼠几乎完全相同的畸变类型。 第二节 生殖与发育毒性试验的目的和实验设计的要点 评价化学物对生殖和发育的毒性需要三方面的资料，即环境流行病学，动物生殖与发育 毒性试验和控制的临床研究。另外体外筛选试验还可为发育毒性提供初筛和补充。但是在一 些新化学品和药品开发初期，显然不可能得到流行病学方面的资料，也不能直接对人体做临 床研究，首先要靠动物试验来预测它们对人生殖与发育的危险。 生殖与发育毒性研究的目的是揭示化学品／药品对哺乳动物生殖发育的任何有害影响， 并将研究的结果与所有可以得到的其他药理学和毒理学资料联系起来，以推测对人可能造成 的生殖危险。研究应包括成年动物和从受孕到子代性成熟的各个发育阶段接触受试物。为检 测接触所致的即发和迟发效应，应连续通过一个完整的生命周期，即从亲代受孕到子一代受 孕。为清楚地阐述各试验方案的组合，现将完整的生殖发育过程细分为如下阶段。 A 阶段 交配前到受孕：检查成年雄性和雌性生殖功能，配子的发育与成熟，交配行 为，受精。 B 阶段 受孕到着床：检查成年雌性生殖功能，胚胎着床前发育、着床。 C 阶段 着床到硬腭闭合：检查成年雌性生殖功能，胎体发育，主要器官形成。 D 阶段 硬腭闭合到妊娠结束：检查成年雌性生殖功能、胎体的发育与生长，器官的发 育与生长。 E 阶段 出生到断乳：检查成年雌性生殖功能，新生仔对宫外生活的适应，断乳前的发 育与生长。 F 阶段 断乳到性成熟：检查断乳后的发育与生长，对独立生活的适应，达到完全的性 功能。 以上不同阶段的组合可以构成许多可能的测试方案，各个国家和国际机构均发布了不同 的试验准则和研究设计细则。本章介绍 ICH 准则和我国新药评价、农药及健康相关产品安 全性评价中推荐的三段生殖毒性试验，一代和二代(多代)生殖毒性试验。 本章将用如下术语来描述整个生殖与发育过程：孕体[conceptus，包括胚体(embryo)和胎 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 体(fetus)]、幼体(仔体 pup)、成体(adult)、母体(materal)、父体(paternal)、亲代(parental genetation) 和子代(offspring)。 实验设计的一般考虑如下： 一、动物选择 必须以哺乳动物为实验对象。一般要求使用与其他毒理学研究中相同的物种与品系，以 免必须进行另外的预试验。原则上实验动物对受试物的动力学、毒效学及其他有关参数应与 人最接近，如代谢过程与生物转化应与人相近、胎盘结构与人相似、健康、生育力强、多产、 孕期短、自发畸形率低、价廉、易得和操作方便。实际上没有一个固定物种可通用于精确模 拟人类生殖毒性研究。在毒理学评价程序中，如果借助毒物动力学，药理学和毒理学的资料， 能显示所选物种是人的生殖毒性实验的恰当模型，则用一种动物就够了。首选啮齿类中的大 鼠，因用大鼠获得的其他实验结果有可比性并积累了大量的背景资料。在胚体——胎体毒性 研究中，传统上要求用第二种哺乳动物进行试验。家兔因其也有较广泛的背景资料和比大鼠 更接近人的代谢类型而作为“非啮齿类”优选使用。在测试多巴胺类兴奋剂或降低催乳激素 水平的化合物时，大鼠不是一个好的动物模型，因为大鼠需要催乳素来维持早孕，在这种情 况时使用家兔可能更好。但家兔孕期长短不定(32～36 天)，有时缺乏毒性资料，对某些抗生 素和消化道紊乱有易感性，在其他生殖毒性研究中较少用。 二、接触选择 1. 剂量 剂量选择应依据从所有已进行的药理学、急性和慢性毒性、以及动力学研究 中得到的资料。高剂量应该在母体中产生轻度的毒性，如体重增长减少，体重增长速度改变 (与扰乱了内环境稳定的机理有关)、特异的靶器官毒性、药理学反应增强(如镇静、惊厥)、 阴道出血、流产等。在研究中，要对所观察到的效应进行剂量—反应关系分析时，推荐至少 用三个剂量水平和适当的对照组。低剂量不应有任何可归因于受试物的有害作用。中剂量组 应在高、低剂量之间按等比级差定位，应引起最小的毒作用。如果对结果有怀疑，应增加第 四个剂量组，以免剂量间隔过大。实验结果应提供最高未观察到有害作用水平的剂量，否则 应对该受试物进行进一步深入的研究。 在大多数情况下，最高限量剂量为 1g(kg·d)假如仍未引起血浆和组织浓度增加时，可 略微增加染毒剂量。在测试低毒物质时，假如剂量达到 1g(kg·d)仍不产生胚胎毒性或致畸， 则没有必要进行其他剂量水平的研究。假如在高剂量进行的初步研究中，有明显的母体毒性 的证据而未显示对胚胎的有害作用，也没有必要进行其他剂量水平的研究。 2. 接触途径与频率 应与人的接触途径相同，如果采用其他接触途径，必须依据动力 学的资料。接触频率一般是一日一次，每日在相同时间染毒，并按体重调整染毒剂量。 3. 对照组 用与试验组相同的最大容量的赋形剂。当赋形剂可能有不良影响(如减少食 物的摄取和利用)或影响受试物的作用时，应再设未处理对照组。 第三节 三段生殖毒性试验 用一组试验研究全部生殖毒性的终点是不可能的，所以在决定适当的策略和选择研究设 计时，应考虑该受试物和其类似物质所有可能得到的药理学、动力学和毒理学资料。对大多 数医药产品来说，三段生殖毒性试验设计通常是适当的。关键因素是各个生殖阶段之间不得 有间隔，即在三个有关联的阶段接触受试物的时期至少有一天的重迭，并能直接或间接地评 价生殖过程的所有阶段。三段生殖毒性试验由生育力和早期胚胎发育毒性试验，胚体——胎 体毒性试验(致畸试验)和出生前后发育毒性试验(围产期毒性试验)三部分组成(图 8-1)。三段 的划分是按有害作用诱发的时期，而不考虑检测的时间。 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 图 8-1 三段生殖试验图解 Ⅰ生育力和早期胚胎发育毒性试验 Ⅱ胚体一胎体毒性试验(致畸试验) Ⅲ出生前后发育毒性试验 一、生育力和早期胚胎发育毒性试验 1. 研究目的 评价化学物对配子成熟、交配行为、生育力、胚胎着床前和着床的影响(包 括前述生殖发育过程 A 和 B 阶段的评价)。雌性包括对动情期、输卵管运输、着床和胚胎着 床前阶段发育的影响。雄性包括检测对功能的影响(例如性欲、附睾的精子成熟等)。 2. 动物 至少一种，首选大鼠。每性别、每组的动物数应足以对数据进行有意义的解 释。建议每性别、每组 16~20 窝。 3. 给药期 应说明交配前染毒时间的长度并提供依据。一般采取雄性交配前四周开始 重复染毒，直至交配成功。若要保证雌性受孕成功，雄性也可继续染毒，仍同笼至处死。雌 性交配前两周开始染毒(可覆盖至少两个完整的动情期)直至着床。 交配前雄性染毒期限较以往的变动较大，1981 年 OECD 规定大鼠至少 10 周，小鼠 8 周。然而与雌鼠交配不是检测对精子发生影响的敏感的方法。实际上没有一个实例表明受 试物对雄性生殖毒性的结论是仅靠雄鼠连续给药 8～10 周后与雌性交配得出的。精子存活率 和形态学检查等进一步研究可为在生殖毒性研究观察到的毒作用提供更敏感的终点。另外， 已知影响精子发生的外源化学物几乎总是影响减数分裂后阶段(精子成熟前 3～5 周)。对雄 性性腺组织和器官进行仔细的组织病理学检查(Bouin's 液固定，石蜡包埋，睾丸作横切片， 附睾作纵切片，PAS 和苏木精染色)可对雄性生育力和精子发生影响提供有价值的补充信息。 所以 ICH 准则将雄性染毒期缩短为 4 周，并结合组织病理学检测。 4. 交配及受孕检查 雄大鼠给药 4 周，雌大鼠给药 2 周后开始同笼。交配期 2~3 周， 交配比例 1∶1。实验程序应能识别出各窝的 2 个亲本，以避免不正确结果的分析和解释。 雌性受孕检查一般靠查阴道涂片(大鼠)或阴栓(小鼠)。阴道涂片上有较多白色分泌物， 镜检可见有较多有核上皮细胞，则提示雌鼠处于动情前期。大鼠性周期一般为 4～5 天，小 鼠性周期为 4 天，动情前期向动情期移行多在夜间。人和几种常用实验动物早期发育时间表 8-1。阴栓是雄鼠精囊与凝固腺在雌鼠阴道凝结而成的白色块状物，形似米粒，大鼠阴栓很 易脱落。观察到阴道涂片上的精子或阴栓即提示受孕，检出日为孕 0 天，次日为孕 1 天，以 此推算孕龄。 表 8-1 某些哺乳动物早期发育的时间 早期发育的时间(由排卵起的天数) 物种 胚胞形成 着床 器官形成期 妊娠长度 小鼠 3～4 4～5 6～15 19 大鼠 3～4 5～6 6～15 22 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 家兔 3～4 7～8 6～18 ～33 猴（恒河猴） 5～7 9～11 20～45 164 人 5～8 8～13 21～56 267 5. 终末处死 雌性一般在孕中期第 13-15 天终止妊娠。雄性在证实交配并受孕成功后 处死检查。 6. 观察项目 染毒期间观察雌、雄亲代(Po)体征和死亡(至少 1 次／日)，体重和体重改 变(至少 2 次／周)，摄食量(1 次／周)，镜检雌性阴道涂片(交配期间 1 次／天)和其他毒性研 究中见到的靶效应。 处死时所有成体均作尸体解剖和肉眼观察，进行所有动物的睾丸、附睾、卵巢和子宫的 组织学检查，附睾或睾丸中的精子计数以及精子存活力测定。检查计数雌性的黄体数，着床 数，吸收胎，死胎和活胎数。保存肉眼发现改变的脏器，以便进行可能的组织学评价，并保 存足够的对照组的相应脏器，以供比较。对明显未孕的大鼠或小鼠(而不是对家兔)，可用硫 化铵子宫染色鉴别胚胎着床前死亡。 7. 结果评定 综合对F0代观察的各项指标和参数，用合适的统计方法分析和评价。在 分析对胎体(子一代，F1)的影响时，应考虑下述参数：各组受影响的窝数比；每窝受影响的 胎体的组平均百分率；受影响胎体总数比。 在对生殖与发育毒性的试验结果进行推理统计(显著性检验)时，应以窝(litter)[在两种性 别均被处理时，以交配的双方(mating pair)]；在两代生殖毒性试验中，以亲代交配的双方， 而不是以胎体或新生仔为比较的试验单位。 二、胚体—胎体毒性试验(致畸试验) 1. 研究目的 评价母体自胚泡着床到硬腭闭合期间接触受试物对妊娠雌性和对胚体— 胎体发育的有害影响，即前述生殖发育过程中的 C 和 D 阶段，主要包括增强了与非妊娠雌 性有关的毒性，胚体—胎体死亡、生长改变与结构异常。 2. 动物 通常用两种，一种是啮齿类，首选大鼠，另一种是非啮齿类，最好是兔。若 仅用一种动物，需提出正当理由。每组动物数应足以对数据进行有意义的解释。建议每组 16~20 窝。雌性宜用性成熟的，未交配过的动物。 3. 给药期 从着床期到硬腭闭合，即器官形成期，大、小鼠孕期的第 6~15 天，兔孕期 的 6～18 天。致畸实验日程见表 8-2。 表 8-2 致畸试验日程 大 鼠 小 鼠 兔 交 配 90～120 日龄 60～90 日龄 成年末交配过的 染毒时间 孕第 6～15 日 孕第 6～15 日 孕期 6～18 日龄 处死取胎 孕第 20 日 孕第 18 日 孕第 29 日 致畸试验除阴性对照外、应设阳性对照组。阳性对照大、小鼠可用乙酰水杨酸或浓缩鱼 肝油，家兔可用 6-氨基烟酰胺。阴性与阳性对照组的作用分别是为自发畸形的发生和该批 实验动物在试验条件下的敏感性提供资料。已经进行过致畸试验并确知所用试验动物有阳性 结果的实验室，可略去阳性对照。 4. 终末处死与标本制作 在分娩前一天处死怀孕母体，以防止自然分娩后，母体吞食 畸形子。剖腹检查亲代受孕情况和胎体发育。除逐个检查所有胎体的存活和畸形外，尚需分 别检查软组织和骨骼的异常。将每窝 50％胎仔经茜素红染色后，作骨骼检查。另外 50％胎 仔经 Bouin’s 固定后，作内脏检查。当使用新鲜标本的显微解剖技术(microdissec-tiontechniques) 检查软组织改变时(对家兔胎体检查的最好方法)，100％的家兔胎体均作软组织和骨骼检 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 查。 5. 观察项目 染毒期观察妊娠动物的体征和死亡(1 次／日)，体重和体重改变(2 次／ 周)，摄食量(1 次／周)和在其他毒性研究中已证实的重要靶效应。有流产和早产征兆者处死 并进行肉眼检查。 处死时对所有妊娠动物进行尸体解剖和肉眼检查任何结构异常或病理改变。保存肉眼发 现有改变的脏器，以便进行组织学评价，亦保存足够的对照组的相应脏器，以供比较。取出 子宫，称带有胎体的子宫重，以得出妊娠雌性动物的净增重。计数黄体数，吸收胎数，活胎 数与死胎数及着床点，称胎盘重并作肉眼评价，必要时可作组织学检查。称活胎体重，检查 胎体性别，以及外观、内脏和骨骼畸形。 6. 结果评定 致畸研究的发现应根据观察到的效应和产生效应的剂量水平进行评价。 有必要考虑所用试验动物的物种／品系的历史的致畸性资料。致畸研究进行适当，应提供一 个符合要求的 NOAEL(未观察到有害作用水平)的估计。虽然将实验结果外推到人的可靠性 有限，然而 NOAEL 的建立，使得能以采取适当的安全系数。 对母体的终点评价指标包括：体重、体重变化、食物消耗量和母体毒性体征及母体畸胎 出现率等。对胎体影响的评价应包括：受影响的窝数比、每窝受影响胎体数的组间均数、受 影响的胎体总数比、畸胎率和某单项畸胎率等。 7. 影响致畸作用的因素 致畸作用受多种因素影响，主要包括敏感期、遗传类型、剂 量和母体毒性等。 (1)致畸敏感期 实验证明器官形成期 (organogenesis period)是发生形态结构畸形 (malformation)的关键期(critical period)。迅速改变细胞分裂速度对畸形发生是极为重要的， 因为增加复制速度即增强了突变的可能性。器官形成期正是细胞分裂极旺盛的时期。例如发 育中的大鼠在妊娠第 8～10 天之间，有 10 次细胞有丝分裂，产生N×210新细胞(N表示器官 形成期开始时的细胞数)。人的器官形成期在人妊娠的第 3～8 周。60 年代反应停药物致畸 事件就在人怀孕后的 20～35 天内，在无一般毒性的“安全剂量”[1mg／(1g·d)]下发生的， 有人甚至在这阶段内只服过一次药。大多数器官又都有其对致畸作用的特殊敏感期，即“靶 窗(target windows)”。形态畸形和功能缺陷的敏感期也不同。致畸实验的染毒时间，必须安 排在器官形成期，才有可能观察到形态畸形的致畸效应。由于各物种妊娠期长短不同，敏感 期的长短也不同，致畸试验的染毒时间需随动物种属而易。图 8-2 表示人、大鼠和家兔的致 畸作用关键期的比较，并图解狭窄的“靶窗”概念。 (2) 遗传类型 致畸作用存在明显的物种差异，这种差异是因代谢变化、胎盘种类、胚 胎发育的速度和方式引起的。致畸物各有其易感物种和品系，易感性取决于机体的基因型。 推测化学物生物转化成活性中间产物的速度和途径与遗传因子有关，而畸形仅发生在那些形 成恰当代谢物的物种中。反应停是其中一例。反应停 4000mg／kg 对大鼠和小鼠尚不致畸， 而对人 0.5～1.0mg／kg 就有极强的致畸作用，这是由于人、猴和兔能将其代谢产生一个中 间产物(可能是一个极性的代谢物，或一个 anene 氧化物)，而其他物种不产生。所以一个化 学物在某些物种中是致畸的，在其他物种中产生很小或不产生影响，或是一个物种产生的畸 形，可完全不同于在另一个物种中诱发的畸形。所以在筛选致畸物时，强调采用包括非啮齿 类在内的两种动物中进行试验，可以减少因动物不敏感而出现的假阴性。 (3) 化学物的剂量 各种致畸物都有其引发致畸作用的阈剂量。不同致畸物又有不同类型 的剂量—效应关系，反映了不同外源化学物胚胎毒性作用的特点。一般地说，所用的剂量高于 该化学物致畸作用的阈剂量时，可使致畸范围扩大、程度加重、靶窗延长，再增大则出现胚胎 死亡。而由于有缺陷的胚胎死亡，畸形率反会降低。剂量再进一步增大，则可造成母体的死亡。 典型的致畸作用的剂量-反应曲线的斜率很大，从最大未观察到有害作用剂量到胚胎 100％ 死亡的剂量只差 2～4 倍。如给孕小鼠腹腔注射环磷酰胺 5～10mg，未见畸形发生，而 40mg 食品论坛 http://bbs.foodmate.net ／kg 即可引起胚胎 100％死亡。从最大未观察到有害作用剂量到胚胎死亡剂量间的剂量带， 称为致畸带。致畸带越宽的致畸物，致畸危险性越大。掌握致畸作用中剂量—反应关系的规 律，对致畸实验中适当剂量的确定具有重要意义。剂量过低，不足以显示确实存在的致畸作 用。剂量过高，引起大量胚胎死亡，畸胎数减少，或对母体毒作用过强，不能辨明是致畸物 的作用，还是母体毒性的继发作用，均影响结果的正确判断。 图 8-2 人、大鼠和家兔的致畸作用关键期的比较，短线表示“靶窗” (4)其他因素 化学物的理化性质与致畸作用有关。若外来化学物或其代谢产物的分子 量小、极性小、高脂溶性、未与母体血浆蛋白结合，则易穿透胚盘屏障，到达胚胎体内。染 毒途径也影响致畸试验结果，大鼠受孕第 7～14 天经口给以 EDTA，引起 70％胎鼠畸形， 但以同样剂量皮下注射，对母体毒性增加，却未见明显的胎鼠畸形。同样是经口染毒，灌胃 和经饲料、饮水染毒在动力学也有差别。如苯菌灵(Benomyl)灌胃染毒致畸，而经饲料染毒 则否。反应停对大鼠灌胃结果为阴性，而经饲料染毒几乎全部胚胎致死。母体状况也是影响 致畸作用的重要因素，见下。 8. 母体毒性与致畸的关系 母体毒性是指对怀孕母体的特异的(直接的作用)或非特异 的(间接的作用)的有害影响。 在致畸试验中，剂量选择应避免用诱发母体毒性的剂量，因为若怀孕母体中毒，而不能 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 正常进食，由营养缺乏对胎儿产生的影响可能比化学物本身的影响还大。例如羟基脲染毒引 起怀孕家兔子宫血流量降低，出现胚胎毒性。二氟尼柳(Diflunisal)引起孕兔溶血性贫血，严 重时伴发孕体中轴骨骼畸形。己酰唑胺诱导小鼠胎体畸形明显地与母体血内碳酸过多和血钾 过少有关。苯妥因对小鼠的致畸性可能继发于母体心率降低，组织内氧分压降低。但胚胎毒 性并不是任何时候都是继发的、与母体毒性同时发生的，通常二者间很难建立因果关系。为 证明胚胎毒性是继发于母体毒性的一个特殊的参数，必须显示所有胚胎毒性的母体也有母体 毒性，以及对此发育影响的严重性和发生率与母体毒性相关。一般认为胚胎死亡和生长迟缓 是母体中毒剂量水平引起的胚胎毒性表现，但先天畸形是否继发于母体毒性还有争论，1984 年 Khera 提出各种化学物质的母体毒性和致畸作用之间有三种关系：①母体毒性不伴致畸作 用；②母体毒性伴有包括腭裂在内的多种畸形谱；③母体毒性伴有特征性的畸形谱。判断第 二类化学物质的致畸性是很困难的。腭裂是小鼠在妊娠期禁食和禁水诱发的最主要的畸形。 但也是多种致畸物如糖皮质类固醇在不引起母体毒性的剂量水平特异性诱发的畸形。为了区 别腭裂是由于化学物质对胚胎的致畸作用还是继发于母体毒性的非特异毒性作用，就需要观 察饲料和饮水消耗量，母体体重及母体内稳态改变(即组织病理学，肾和肝功能异常，血液 学改变，药理作用及其他可能的毒作用)。第三类化学物质引起的特征性畸形包括露脑，开 眼，融合肋，缺肋，多肋及胸骨节融合或杂乱。这些缺陷的严重性和发生率与母体毒性直接 相关，无母体毒性的剂量水平则无或罕见。Khera 认为这些缺陷是由于母体毒性，并不反映 化学物质的致畸性。但大多数学者认为母体毒性可能引起肋骨和胸骨的微小变异，但不会引 起露脑及开眼等重要畸形。 9. 致畸物及发育毒物的危险度评定 由于致畸作用的机理尚未充分阐明，所以致畸物 危险度评定方法也没有完全统一。本章只介绍三种方法，供实际工作中参考。 (1) 致畸指数判断 致畸指数：母体LD50／胎体最小致畸剂量 通过致畸指数可以判断致畸带的宽窄和致畸性的强弱。致畸指数小于 10 为一般不致畸， 致畸指数 10~100 为致畸，大于 100 为强致畸。 (2) 化学物致畸潜力分类和安全系数确定 根据动物试验中发育毒性效应的类型、严重性和发生率将化学物分为四类，并规定各类 型的不同的安全系数范围(表 8-3)，用以评定待测物发育毒性的危险度。 表 8-3 致畸化学物的分类 基 准 A 类 B 类 C 类 D 类 1. 最小母体中毒剂量与 最小致畸剂量之比值 远大于 1 大于 1 或两剂量间 有很大重叠 小于 1 母体中毒时无 致畸 2. 畸胎率 高，与剂量有关 高，与剂量有关 低，但与剂量有关 ---- 3. 较低剂量时畸形的类 型 有特定的器官 系统 一般为多发性，也 可能有特定的特点 无特异性，广泛多 发 ---- 4. 靶细胞 特定细胞 特定细胞 泛化、非特定细胞 不 详 5. 安全系数范围 ～400 ～300 ～250 ～100 国际生命科学院(International Life Sciences Institute，ILSI) 1989 年提出 (3) ICH 人类用药危险度分类 研究设计中规定，一旦一种新药被批准，就要根据动物 发育毒性的研究结果和从人类使用得到的信息(但通常得不到)，将该药品在妊娠用药类 别中定位(共 5 类)，并要求医生在开处方时遵守，以使怀孕妇女按规定使用这些药品。妊娠 用药类别见表 8-4。 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 表 8-4 妊娠期用药类型 动物实验结果 人群研究结果 + － 无可用资料 + X 或 D X 或 D X 或 D － B A A 或 B 无可用资料 Cl B C2 A、B、C2：仅在如果明显地需要时，在怀孕期间可使用。 C1：仅在如果证明可能的效益与对胎儿的可能的危险比较是可取时，在怀孕期间可使用。 D：如果在怀孕期间使用，应通知病人对胎儿可能的危害。X：在怀孕或可能怀孕的妇女中禁止使用。 ⑷ 根据动物试验人群调查资料对致畸物分级，这是由欧共体（EEC）和经济与发展组 织（OECD）所建议。 表 8-5 致畸物的参考分级标准 级 别 分 级 依 据 对人类危险性 1 已确定人类母体接触后可引起子代先天性缺陷子 已证实对人致畸 2A 对动物肯定致畸，但对人类致畸作用尚未确定因果关系 对人可能致畸 2B 动物试验结果肯定致畸，但无人类致畸资料 对人可能致畸 3 尚无结论性肯定致畸证据或资料不足 可以认为对人无致畸作 用，但应继续研究， 4 动物试验阴性，人群调查结果未发现致畸 对人无致畸作用 10. 确认人类致畸物的标准 尽管外源化学物在动物试验中阳性致畸物的比率很高，但 确认的人类致畸物还比较少。由于没有完全适合的动物模型，在确认人类新的致畸物时，不 能把动物实验的结果轻易外推到人，还必须结合环境流行病学和有控制的临床研究的结果进 行评价。Wilson 提出的确认人类新的致畸物的标准如下： (1) 一种特殊的缺陷或几种缺陷并发(综合征)的频率突然增加。 (2) 缺陷的增加与某种已知的环境改变，如一种新药的广泛使用巧合。 (3) 已知在妊娠的特殊阶段接触环境的改变，产生有特征性缺陷的综合征。 (4) 缺少妊娠时引起特征性缺陷婴儿产生的其他普通因子。 确认的人类致畸物见表 8-6。 表 8-6 已知的人类致畸物 电离辐射 放射治疗 放射性碘 原子武器 感 染 风 疹 巨细胞病毒感染 单纯性疱疹 梅 毒 药物和化学品 反 应 停 Abameetin 酒 精 氨基蝶呤 雄性激素 麻 醉 剂 抗甲状腺药物 白 消 安 异维 A 酸 锂 甲巯咪唑 有机汞化合物 有机溶剂类 苯 妥 因 腐 霉 利 四 环 素 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 弓形体病 代谢失调 克 汀 病 糖 尿 病 苯丙酮酸尿 男性化肿瘤 高 温 咖 啡 因 氯代联苯类 香豆素抗凝剂 环磷酰胺 二已基乙烯雌酚 敌 螨 普 三氟氯溴乙烷 三甲恶唑烷二酮 丙(基)戊酸 三、出生前和出生后发育毒性试验(围生期毒性试验) 1. 研究目的 评价母体自着床至断乳期间接触化学物对妊娠／哺乳母体和对孕体及代 发育直至成熟的有害影响(前述生殖过程的C-F阶段)。在此期间引起的毒性反应会延迟发生， 故观察应继续到性成熟。有害影响主要包括增加与未妊娠雌性有关的毒性，子代出生前和出 生后死亡，生长与发育的改变，子代中的功能缺陷(包括行为，青春期性成熟)和生殖(Fl代)。 2. 动物 至少一种，首选大鼠。每性别、每组动物数应足以对数据进行有意义的解释。 建议每组 16-20 窝。 3. 染毒期 雌性从着床至哺乳期终止。 4. 实验程序及终末处死 允许分娩和抚养子代到断乳。子代出生当天被定为出生后 0 天。在断乳时，每窝可选出部分雄性和雌性子代抚育到成熟并交配。有些实验室将亲代(F0) 动物分组，分别或联合进行行为试验和生殖功能评价。 亲代于Fl代断乳时处死。Fl代动物处死日龄以及窝大小尚未标准化，因实验室而异。有 些实验室在F1代出生 0，3 或 4 天调整窝大小，剔除多余仔鼠(每窝 8 只，尽可能雌雄各半)， 并在出生第 21 天或断乳时陆续处死。评价生殖能力的F1代要在雄／雌同笼，子二代(F2)出生 后处死。 5. 观察项目 染毒期间观察亲代体征和死亡(至少 1 次／日)、体重、体重增长(至少 2 次／周)和在以前毒性研究中见到的有评价价值的靶效应、妊娠的长度、分娩。 处死时对所有亲代和Fl代成体进行尸解，肉眼检查任何存在的结构异常或病理改变，特 别要注意生殖系统的器官，保存发现改变的脏器和进行可能的组织学评价，并保存足够对照 组的相应脏器，以供比较。检查着床数，对明显未孕大鼠或小鼠(但不是家兔)可用硫化铵染 色以证实胚胎着床前死亡。 子代需检查每窝出生时活仔数、死仔数、畸形数、出生时和断乳前后存活率、体重、身 长、身体发育、性成熟和生育力、感觉功能、反射和行为等。身体发育和最好指标是体重。 断奶前还包括张耳、开眼、出毛、出牙。断乳后包括表明性成熟开始的雌性阴道张开和雄性 龟头包皮分开。建议在达标时体重，以辨别与对照的任何差异是特异的，还是与一般生 长有关。功能试验目前未规定专门的试验方法，鼓励对感觉功能、反射、运动能力、学习和 记忆的检测方法进行探索。现将部分常用的神经行为功能试验介绍如下(表 8-7)，以供参考。 表 8-7 哺乳动物神经功能试验项目 参 数 研 究 方 法 平面翻正 (出生后 4 和 7 天) 翻正反射，将子鼠背贴在平滑的面板上，记录翻身，四脚着面板所需的时间 负向地性 (出生后 4 和 7 天) 将子鼠头朝下放在一个 30°倾斜的面板上，测它们调转自身，成为头朝上位置所 需的时间。 悬崖躲避 (出生后 7 天) 将子鼠放置和定位于高于桌面 10cm 的平台上，使其前肢和口鼻部均处于平台边 缘一条假想线的某一点上，记录其向后退所需的时间。 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 游泳行为 (出生后 4 和 14 天) 将子鼠放在水温 23℃的水槽中，游泳行为是对方向(直线，环形，漂浮)，头出水 面的角度(耳露出水面，半个耳出水面，鼻和头顶出水面，不能保持头向上)肢的 运动(四肢，后肢)的评定。 嗅觉定向 (出生后 14 天) 将仔鼠放在两个相连盒的连接臂中，一间盒中放有未用过的木屑，另一个放于鼠 用过的木屑(家)，测动物发现“家”所需的时间。 6. 结果评定 综合亲代(F0)和子代(F1)各项指标观察的结果，对围产期给药的毒性及影 响程度做出综合评价。 第四节 一代和多代生殖试验 一些外源性化学物如食品添加剂、农药以及环境污染物等人类反复接触，与仅在患病期 间使用的药品不同，欲查明其对生殖有关的影响，仅做三段生殖毒性试验是不够的，应进行 多代生殖试验。 除了家兔的胚体—胎体发育试验外，上述各段试验均可联合成一代或多代研究以代替分 开进行的每段试验。一、二或三代研究的定义是按直接与受试物接触的成年动物的代数规定的。 一、一代生殖毒性试验 一代生殖毒性试验是指仅亲代(F0代)动物直接接触受试物，仔一代(F1)将在母体子宫内 及经哺乳接触受试物。例如将生育力研究和出生前后研究的染毒期合并，雄性在交配前 4 周，雌性在交配前 15 天直至断乳接触受试物，就构成了一个典型的一代生殖毒性研究(即 A-E阶段的评价)(图 8-3)。假如在这种研究中包括胚体-胎体期检查，部分孕鼠在分娩前一天 处死，进行胎鼠形态与结构检查，另一部分正常分娩和继续接触毒物至断乳和对子代进行生 化，生理或行为的评价，并在足够高的接触剂量得到清楚的阴性结果，则没有必要在啮齿类 中，进行进一步研究，但希望提供另一种动物进行胚体-胎体发育毒性的结果。 图 8-3 一代生殖毒性试验图解 二、两代(多代)生殖毒性试验 两代生殖毒性试验是指仅对两代动物成体进行染毒，即F0代直接接触受试物，F1代既有 直接接触，也有通过母体的间接接触，第三代动物(子二代，F2)将在子宫和经哺乳接触受试 物。三代及多代的研究也照此规定类推。 实验程序：F0代雄性于交配前 4 周接触受试物，雌性于交配前两周接触受试物并延续至 哺乳期，以便FlA代经胎盘转运和经乳汁接触受试物，FlA代在断乳时处死、尸体解剖并检查 出现的异常与畸形。断乳后的两周，仍然接触受试物的F0代雌鼠再繁殖产生第 2 窝F1B代。 FlB代断乳后，随机选出部分F1B进行进一步生殖毒性研究。即FlB代在同一周龄接受同一剂 量受试物，繁殖并开始下一个周期，产生F2A代。F2A代断乳时处死，检查。F1B代再繁殖， 产生第二窝F2B代。如此提供了不断接触受试物的子代来源和开始下一代F3A和F3B。图 8—4 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 表示三代生殖试验(图 8—4)。 图 8-4 多代（含三代）生殖毒性试验图解 结果评定：应依据观察到的毒效应，尸检和镜检的结果对生殖毒性研究的发现进行评价。 评价应包括受试物的剂量与包括生育力、体征、体重改变、死亡数和其他毒效应在内的异常 是否存在及其严重性之间的关系。生殖毒性试验进行适当，应提供 NOAEL 的良好估计和对 生殖、分娩、哺乳和出生后生长等的了解。 多代生殖毒性试验可看作对处于繁殖期动物的毒性筛选试验，虽然它强调的是检测针对 生殖的影响，但对检测作为与生殖和发育有关的生理变化的结果而发生的一般毒效的增强也 是有用的。 多代生殖毒性试验的主要优点是能检测对生殖的间接或直接的范围广泛的毒作用。这种 能力是由于生殖过程的复杂性，以致于孤立看时难以确认的微小毒作用可联合或级联 (cascade)，以在更远的终点(如窝重)产生一个更显著的偏移。交配前期间的观察为评价随后 的观察提供了背景资料；在交配期间初期的观察可确定性欲缺乏或激素(动情)周期的紊乱； 在这以后得到的资料表明繁殖力、生育力、出生前的毒性、分娩、哺乳、断乳和子代出生后 的生长和发育、青春期至性成熟的毒效应。 在生殖毒性试验中交叉交配(即未处理的雄性与处理的雌性交配，或反之)可能也是需要 的，以查明不育配偶的性别。一旦确定不育性别后，生殖系统的组织病理学检查可以提供表 明毒效应种类的。还可以进行血液中激素水平的测定。 出生后仔鼠的生长速度和存活率受多种因素的影响，包括母体一般饲养、宫内开始的 效应、母体哺乳减少、乳汁中存在毒物。当出现仔鼠死亡或体重增长降低时，首先应对死亡 仔鼠进行组织病理学检查。如果哺乳受到影响，应进行交叉抚养研究，即处理母鼠的仔鼠由 未处理的母鼠抚养，或反之。 第五节 生殖和毒性的检测方法 一、雄性生殖毒性实验 雄性生殖器官产生精子，精子是一种高度分化的细胞，它不仅把父亲的遗传信息传递给 卵子，它又可决定新生后代的性别。 精子的发生是指精原细胞发育成为成熟精子的过程。自胎儿期以来，精原细胞在曲细精 管中是休止着的，到了青春期数量开始增多。曲细精管基底膜上的精原细胞在性成熟期间不 断分裂，同时产生初级精母细胞，经过减数分裂，形成两个单倍体的次级精母细胞，再经等 数分裂，形成四个单倍体的精子细胞，精子细胞再进一步分化成为具有特殊形态的成熟精子。 从一个精原细胞分化成为成熟的精子，各种动物所需要的天数是不同的。例如，小鼠为 34.5 天，大鼠为 48 天。 食品论坛 http://bbs.foodmate.net 调节精子发生的激素主要有垂体前叶分泌的 FSH，LH 以及睾丸间质细胞产生的雄激素。 进入曲细精管的精子没有活动能力，在副睾丸中经过成熟过程才逐步获得了运动能力和受精 力，也就变成了具有活泼运动能力的成熟精子。精子的发生是周期性变化的。对于同一种动 物而言，精子发生所需要的时间相对恒定。所以了解生精上皮的周期性变化，对确定食品中 化学物质对精子发育各阶段的影响有着重要意义。化学物质作用时间与精子发育阶段的关系 见表 8-8。 表 8-8 化学物质作用时间与精子发育阶段的关系 从给药到精子成熟经历的时间(W) 受作用时精子发育阶段 小 鼠 大 鼠 输精管和附睾内的精子 1 1～2 后期精细胞 2 3 前期精细胞 3 4～5 次级精母细胞 4 6～8 初级精母细胞 5 6～8 精原细胞 6 9 雄性生殖毒性实验 （一）精子分析 精子分析是生殖毒性较为敏感的指标，主要包括精子计数、精子运动 能力以及精子形态的检查。实验常用小鼠或大鼠。收集精子的方法可采用交配射精后冲洗阴 道的方式获取精子，但大多采用处死动物收集睾尾部和输卵管中的精子。 （二）精子穿透实验 精子穿透实验实际上就是精子体外授精的实验。精子在体外成功 地穿透卵子的能力是常规精子分析所不能显示的。其实验原理是哺乳动物受精过程中物种专 一性主要表现在卵子的透明带上。获能及顶体反应是所有哺乳动物精子进行的先决条件。因 此，以受试动物的精子使去透明带的金黄地鼠的卵子受精，以综合评价外来化学物质对精子 授精能力的影响。 （三）大鼠睾丸支持细胞与间质细胞分离培养 虽然整体动物实验是评价化学物质性腺 毒性的主要途径，但其耗时、费力，而且在中毒机制的研究中也受到诸多限制。应用睾丸体 外培养的手段检测化学物质对睾丸功能的影响，不失为一种简便、可靠的方法。 1. 睾丸支持细胞的分离与培养：支持细胞是曲细精管上皮除各级生精细胞外，与精子 生成有关的细胞之一。虽然它是睾丸生精上皮中惟一的非生殖细胞，但它对精子的发生发育 具有十分重要的意义。支持细胞能分泌多种生物活性物质，对生精细胞起到支持和营养作用。 因为生精细胞本身不能利用萄萄糖，它所必须的能量是由支持细胞糖酵解所产生的乳酸和丙 酮酸来提供。支持细胞具有较强的糖酵解能力，可将萄萄糖转化为乳酸和丙酮酸。支持细胞 的乳酸含量和乳酸脱氢酶活性的变化常被作为反映支持细胞功能以及对生精细胞能量代谢 的影响和对生精过程干扰的指标。 2. 睾丸间质细胞的分离和培养：间质细胞分布在睾丸曲细精管的结缔组织中，细胞呈 圆形、梭形或多角形，体积较大，胞核有 1－2 个核仁，