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致畸物

世界约有3%新生儿出生时有严重先天畸形,先天缺陷的发生率比肿瘤高8倍,比心血管病高5倍,已经是围生期新生儿死亡的主要原因。致畸物(teratogen)可定义为在妊娠期间因母体接触而引起胚胎发生不可逆的、有害的结构异常的各种因子。大致可分:化学性、物理性(如放射线)和生物性物质(如某些病毒)三类。其中最主要的是化学性因素,即某些外源化学物 [1]

致畸物(teratogen)可定义为在妊娠期间因母体接触而引起胚胎发生不可逆的、有害的、结构异常的各种因子。

致畸物大致可分为化学性、物理性(如放射线)和生物性物质(如某些病毒)三类。已知的人类主要致畸物有 [2]

电离辐射:放射治疗、放射性碘、原子武器等

感染:风疹、巨细胞病毒感染、单纯性疱疹、梅毒

化学品:氨基蝶呤、麻醉剂、白消安异维、有机汞化合物、有机溶剂类

药物:反应停、阿巴克丁〔抗寄生虫药〕、抗甲状腺药物、苯妥因、腐霉利、四环素、A酸甲巯咪唑

(一)致畸的表现

(1)发育生物体死亡: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:即生长迟缓。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: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:指胎儿形态结构异常,即畸形。

(二)相关事件报道

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。

(一)发育阶段致畸效应的特异性

1.胚胎所处的阶段不同,对于致畸物的致畸作用呈现不同的敏感性。

发育阶段致畸效应的特异性有性生殖动物由受精卵发育成为成熟个体的过程,可概括为胚泡形成、着床、器官发生、胎儿发育以及新生儿发育等阶段。

2.有性生殖动物的着床前胚泡对致死作用较为易感,对致畸作用较差。

在胚胎发育后期和新生儿期的发育毒性表现为,生长迟缓和神经、内分泌以及免疫系统机能的改变。在致畸作用中,最敏感的阶段是器官发生期,一般称为危险期或关键期。致畸物与胚胎接触,可能造成器官发生期的形态结构异常。

3.同一剂量同种致畸物在敏感期中与胚胎接触,可因胚胎所处发育阶段不同而出现不同的畸形。

例如在受精后第8至12日期间,以20mg/kg体重剂量每日给予小鼠环磷酰胺,畸形种类可因给予的日期不同而分别为多趾、并趾、缺趾和无趾。

4.各种不同器官对致畸作用的敏感时间存在很大差异。

大鼠器官发生期为受精后9至17天,其中,眼的敏感期在受孕后9天,心脏和主动脉弓约为9~10天,脑约在第10天,头与脊椎骨约在第11天,泌尿生殖器官约在15天。明确致畸作用敏感期的意义,在于致畸试验中必须正确掌握动物接触受试物的时间(器官发生期),否则不能得到正确的试验结果。

(二)剂量与效应关系较为复杂

1.剂量与效应关系较为复杂

(1)机体在器官形成期间与具有发育毒性的外源化学物接触,可能导致畸形,也可能导致胚胎死亡。当剂量增加时,毒性作用增强,但二者增强程度并不一定成比例,往往胚胎致死作用增强更较明显,而致畸作用并不如此。由于胚胎死亡增加,畸胎数将因而减少。

(2)某种致畸物可以引起一定的畸形,但在同一条件下,给予更高的剂量,并不出现同一类型畸形。可能由于较高剂量往往造成较为严重的畸形,较低剂量一般引起的轻度畸形,而严重畸形有时可将轻度畸形掩盖。例如一种致畸物在低剂量时,可以诱发多趾,中等剂量时则诱发肢长骨缩短,高剂量时可造成缺肢或无肢。

(3)许多致畸物除具有致畸作用外,还有可能同时出现胚胎死亡和生长迟缓;而且不同表现还可以相互影响,又无一定规律。因此剂量效应关系更为复杂。

2.致畸作用的剂量反应曲线较为陡峭

最大无作用剂量与100%致畸剂量之间距离较小,一般相差1倍,曲线斜率也较大,亦即致畸带较为狭小。往往100%致畸剂量即可出现胚胎死亡,剂量再增加,即引起母体死亡。还有人观察到致畸作用最大无作用剂量与引起100%胚胎死亡的最低剂量仅相差2~3倍。例如剂量为5~10mg/kg体重的环磷酰胺给予受孕小鼠不表现致畸作用,但增加到40mg/kg体重,可引起100%胚胎死亡。

致畸物剂量与反应关系说明在致畸试验中,剂量的选择具有重要意义。因致畸试验主要观察指标为活产胎仔出生时存在的畸形,所以如果胚胎或胎仔大量死亡,则影响对致畸作用的观察,即使受试物有致畸作用,亦将被掩盖,无法被观察到。

(三)物种差异以及种间差异在致畸作用中较为明显

任何外来化合物的损害作用都存在物种以及种间差异,但在致畸作用中更较突出。

1.物种差异:同一致畸物在不同动物并不一定都具有致畸作用,引起畸形的类型也不一致。例如,杀虫剂西维因对豚鼠具有致畸作用,对家兔和仓鼠并不致畸。农药二嗪农和除草剂草完隆对豚鼠与家兔致畸,但对仓鼠未见致畸作用。反应停对人类以及其它灵长类动物具有强烈致畸作用,但对小鼠和家兔即使接触较大剂量,其致畸作用仍极为轻微。

2.种间差异:即同一物种中不同品系之间存在的差异,在致畸作用中也极明显。同一物种动物的不同品系对一种致畸物敏感性的差别很大。例如,脱氢皮质酮和生物染料锥虫蓝以及反应停都有这种现象。

原因:物种及种间差异,可能由于同一致畸物在不同物种和同一物种的不同品系动物的代谢过程有一定差异;再由于致畸物主要是通过母体胎盘作用于胚胎或胎仔,而不同物种动物胎盘构造也不相同。这些差异可能是由于遗传因素,即基因型差异。

1.基因突变和染色体畸变

有些外源化学物作用于生殖细胞或体细胞,可诱发基因突变和染色体畸变,使DNA结构和功能受损,造成胚胎发育障碍,导致畸形的发生。其中,基因突变引起的人类畸形占5%左右,染色体畸变引起的人类畸形占10%左右。

2.致畸物的细胞毒性作用 [3]

由于致畸物对细胞复制、转录和翻译或细胞分裂等过程的干扰,影响细胞的增殖,即表现出细胞毒性作用,引起某些组织细胞死亡。因此,在出生时形成畸形。如果接触致畸物的剂量较低,也可引起细胞死亡,但速度及数量可被存活细胞的增殖所补偿,因此出生时未能形成畸形。若致畸物剂量较高,在短期内造成大量细胞死亡,胚胎出现无法代偿的严重损伤,则表现出胚胎致死作用。只有接触超过致畸阈剂量一定范围的胚胎,细胞增殖速度才降低。不能对受损组织进行补偿,但并不危及生命,所以出生时有畸形出现。在某些情况下,同一剂量外源化学物的损害作用,在各窝之间或每窝幼仔之间,同时出现胚胎致死和致畸作用。可能是由于外源化学物在不同胚胎体内生物转运和代谢情况不同;不同窝内或同一窝内,不同胚胎发育阶段存在一定差异结果。

3.母体及胎盘的正常功能受到干扰

母体必需的某种营养素,例如维生素A和叶酸的缺乏,某些重要营养素的拮抗物的作用[例如EDTA(乙二胺四乙酸),为某些微量元素的拮抗物]、母体营养失调(例如蛋白质和热能供给不足)、营养素由母体至胚胎的转运受阻、子宫和胎盘血液循环障碍包括高血压症和接触5羟色胺、麦角胺、肾上腺素等作用于血管的化学物都可破坏母体及胎盘稳态,造成畸形,甚至出现胚胎死亡和生长迟缓。

4.酶的抑制

在细胞分化增殖过程中,一些重要酶类的抑制或破坏,将影响胚胎正常发育过程,并引起畸形,例如核糖核酸酶、DNA聚合酶、碳酸苷酶等。

5.对细胞膜造成损伤

在细胞膜正常结构以及渗透性等生物物理性质改变的情况下,也可出现畸形。例如,美国科学家发现,高浓度的维生素A会破坏胚胎的细胞膜结构,孕妇过量服用维生素A可能导致新生婴儿畸形。这一结论是美国波士顿大学医学院对2.2万怀孕妇女研究后所得的。他们把这些孕妇分成2组,一组每天摄入5000国际单位的维生素A,第二组摄入量则超过1万国际单位。结果第一组新生儿中畸形的比例是1.3%,而第二组的比例是3.2%。

6.细胞分化过程的某一特定阶段、步骤或环节受到干扰

此种机理与上述细胞毒性作用引起坏死机理不同。例如,除草醚其立体结构与甲状腺激素相似,可引起心脏、肾畸形和肺发育不全,其作用机理主要是干扰甲状腺激素功能。除草醚在母体及胚胎体内代谢产物为4-羟基2,5-二氯-4’-氨基二苯基醚,此种代谢物具有甲状腺激素T3的活性,T3不能透过胎盘,但此种代谢物能透过胎盘,以致引起胚胎早熟以及心脏等畸形。

7.细胞内必需的能量和前体物供应不足或代谢过程受到干扰 [3]

母体中维生素和无机盐营养失调、低血糖、缺氧等都可造成畸形。由于胚胎组织增殖速度极快,在短时间内需要消耗大量代谢能量,当能量代谢环节,例如三羧酸循环受到破坏和外源化学物对生物合成前体物呈现竞争性抑制,也可造成畸形。

(1)欧共体(EEC)和经济合作与发展组织(OECD)建议的致畸物分级标准。主要根据动物试验和人群调查资料,具体分级标准:

1级:已确定人类母体接触后可引起子代先天性缺陷;

2A级:对动物肯定致畸,但对人类致畸作用尚未确定因果关系;

2B级:动物试验结果肯定致畸,但无人类致畸资料;

3级:尚无结论性肯定致畸证据或资料不足;

4级:动物试验阴性,人群中调查结果未发现致畸。

(2)致畸指数:

母体LD50与胎仔最小致畸作用剂量之比,即母体LD50/胎仔最小致畸作用剂量。这一比值愈大,致畸作用愈强,一般认为比值10以下者,不具致畸作用,10~100具致畸作用,100以上致畸作用强烈。

(3)相对致畸指数(RTI):

成年动物最小致死剂量(LD01)与引起5%活产胎仔出现畸形的剂量(tD05)之比值,即LD01/tD05。

(4)母体毒性与发育毒性比值:

或称成年毒性与发育毒性比值,即对母体最低损害作用剂量(A)与胎仔最低损害作用剂量(D)之比(A/D)。一般认为A/D比值为3或3以上者,则具有发育毒性危险性。比值越大,危险性越高,3以下者,相对危险性较低或不具危险性。在一般情况下,大多数化合物A/D比值均在3以下,以及1~2范围内。关于母体和胎仔最低损害作用的具体表现,在母体主要为体重增长减少,出现某些临床症状以及死亡,对胎仔则为致畸以及其它发育毒性表现。

(一)体内筛检试验法

1.方法:主要研究筛检对象为受孕小鼠或大鼠。实验最少设两个剂量组和一个对照组。高剂量组给予未孕鼠最小有作用剂量,允许产生明显母体毒性。在妊娠6-15日期间,每日记录母鼠体重,待其自然分娩。

2.原理:本法是利用孕鼠对外源化学物是否具有致畸作用,进行初步筛检的体内试验。除可初步观察大体畸形外,还可观察胚胎致死、生长迟缓等其它发育毒性表现。

3.特点:简单易行,不进行传统常规致畸试验中需要的检查,时间、费用和人力都较节约,可满足大量外源化学物进行致畸试验的需要。此外,还可确定生长发育迟缓是否为可逆性。

(二)体外致畸作用试验法

传统的动物整体致畸试验需要大量的试验动物,耗费大量的人力、物力、财力和时间,且不适于探讨致畸作用的机制。因此,应用短期的体外致畸试验方法评价外源化学物的致畸作用受到了广泛的重视。常见的方法包括以下几种:

1.全胚胎培养法

全胚胎培养法是将试验动物的全胚胎在一定的培养基中进行培养,观察在接触受试物的情况下,是否呈现致畸作用及发育毒性。胚胎可来自大鼠、小鼠、家兔,也可来自鸡、鱼和蛙类。根据胚胎所处的发育阶段不同,可分为着床前培养和着床后培养。由于着床后培养是在器官发生期,因此培养效果较好,一般采用着床后培养。观察指标为胚胎存活力和形态异常变化,如胚胎外形、卵黄囊、体节数等的发育情况。

2.器官培养法

器官培养法是将胚胎或胎仔组织、器官或器官的一部分,如胚胎肢芽、腭板、后肾、肺等在体外培养,观察外源化学物对其发育过程的影响。器官培养法分为静态悬浮培养法和非静态悬浮培养法两种。前者是将器官置于一支持物上进行培养,后者是将器官进入培养液中,并进行机械振动或旋转培养,以保证气体交换。特点:复杂,不适合作为预检方法,但可用于毒物作用机制和作用部位的研究。

3.细胞培养法

细胞培养是模拟机体内生理条件,将细胞从机体中取出,在人工条件下使其生存、生长、繁殖和传代,进行细胞生命过程、细胞癌变、细胞工程等问题的研究。近年来,广泛地应用于分子生物学、遗传学、免疫学、肿瘤学、细胞工程等领域,发展成一种重要生物技术,并取得显著成就。


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